2018年江蘇大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽E題設(shè)計(jì)報(bào)告一等獎(jiǎng)?wù)n件

2018年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告（一等獎(jiǎng)）競(jìng)賽選題：E題變流器負(fù)載試驗(yàn)中的能量回饋裝置（本科）.任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)變流器及負(fù)載試驗(yàn)時(shí)的能量回饋裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。變流器進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，需在其輸出端接負(fù)載。通常情況下，輸出電能消耗在該負(fù)載上。為了節(jié)能，應(yīng)進(jìn)行能量回饋。負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，變流器1（逆變器）將直流電變?yōu)榻涣麟姡漭敵鐾ㄟ^(guò)連接單元與變流器2（整流器）相連，變流器2將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并回饋至變流器1的輸入端，與直流電源一起共同給變流器1供電，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。圖1變流器負(fù)載試驗(yàn)中的能量回饋裝置.要求（1）變流器1輸出端c、d僅連接電阻性負(fù)載，變流器1能輸出50Hz、25V=0.25V、2A的單相正弦交流電。（20分）（2）在要求（1）的條件下，變流器1輸出交流電的頻率范圍可設(shè)定為20Hz~100Hz,步進(jìn)1Hz。（15分）（3）變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)能量回饋，變流器1輸出電流I1=1A。（20分）（4）變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，變流器1輸出電流I1=2A,要求直流電源輸出功率Pd越小越好。（35分）（5）其他。（10分）（6）設(shè)計(jì)報(bào)告（20分）

項(xiàng)目主要內(nèi)容滿分方案論證比較與選擇，方案描述3理論分析與計(jì)算系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)5電路與程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)原埋框圖與各部分的電路圖，系統(tǒng)軟件流程圖5測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果測(cè)試方案合理，測(cè)試結(jié)果完整性，測(cè)試結(jié)果分5設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)構(gòu)及規(guī)范析摘要，止文結(jié)構(gòu)規(guī)范，圖表的完整與準(zhǔn)確性。2性總分203.說(shuō)明(1)圖1所示的變流器1及能量回饋裝置僅由直流電源供電，直流電源可采用實(shí)驗(yàn)室的直流穩(wěn)壓電源。(2)圖1中的“連接單元”可根據(jù)變流器2的實(shí)際情況自行確定。(3)電路制作時(shí)應(yīng)考慮測(cè)試方便，合理設(shè)置測(cè)試點(diǎn)。(4)能量回饋裝置中不得另加耗能器件。(5)圖1中，a、b與c、d端應(yīng)能夠測(cè)試，a、c端應(yīng)能夠測(cè)量電流；c、d端應(yīng)能夠斷開(kāi)，另接其他阻性負(fù)載。

0摘要本設(shè)計(jì)是一種采用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控的變流器負(fù)載試驗(yàn)中的能量回饋裝置。其逆變板單片機(jī)采用查表法，輸出SPWM到H橋，將輸入的38v直流電壓，逆變到25v交流電輸出，通過(guò)按鍵能控制其輸出20?100Hz的正弦波，1Hz步進(jìn)。經(jīng)過(guò)工頻變壓器隔離后，輸入給回饋裝置，具采用單片機(jī)控制的BOOST電路，閉環(huán)控制其電流輸出，由于在特定電流下，電路效率基本是恒定的，故能控制環(huán)路中逆變部分的輸出交流電流。通過(guò)按鍵能步進(jìn)調(diào)節(jié)其電流大小。整體設(shè)計(jì)符合題目要求。1設(shè)計(jì)方案工作原理預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位設(shè)計(jì)弁制作一個(gè)變流器及負(fù)載試驗(yàn)時(shí)的能量回饋裝置。變流器進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時(shí),需在其設(shè)計(jì)弁制作一個(gè)變流器及負(fù)載試驗(yàn)時(shí)的能量回饋裝置。變流器進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)時(shí),需在其2（整流器）相連，變流器22（整流器）相連，變流器2將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，弁回饋至變流器1的輸入端,與直流電源一起輸出端接負(fù)載。通常情況下，輸出電能消耗在該負(fù)載上。為了節(jié)能，應(yīng)進(jìn)行能量回饋。負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，變流器1（逆變器）將直流電變?yōu)榻涣麟?，具輸出通過(guò)連接單元與變流器共同給變流器1供電，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:①變流器1本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求:①變流器1輸出端c、d僅連接電阻性負(fù)載，變流器1能輸出50Hz、1輸出交流電的頻率范圍25V10.25V、2A1輸出交流電的頻率范圍可設(shè)定為20Hz?100Hz,步進(jìn)1Hz。③變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)能量回饋，變流器1輸出電流Ii=1Ao④變流器1與能量回饋裝置按圖1所示連接，變流器1輸出電流Ii=2A,要求直流電源輸出功率Pd越小越好。技術(shù)方案分析比較（1）控制系統(tǒng)選擇方案一：采用STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，通過(guò)輸出互補(bǔ)SPWM波控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)正弦逆變。STM32做為系統(tǒng)控制核心，配合12位高精度D/A模塊精確控制輸出電壓。系統(tǒng)具有良好的過(guò)流保護(hù)功能弁可智能檢測(cè)負(fù)載情況，以控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。方案二：采用STC12C5A60S2,能輸出兩路PWM波形控制驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)正弦逆變。TC12C5A60S2擁有36個(gè)I/O口并且具有兩路PWM輸出、8路10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、

每個(gè)I/O能設(shè)置成弱上拉、強(qiáng)上拉、高阻、開(kāi)漏模式，該單片機(jī)內(nèi)置上電復(fù)位電路，性?xún)r(jià)比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低成本。綜合考慮性?xún)r(jià)比、成本、面積、功耗等因素軟硬件設(shè)計(jì)，采用方案二。(2)驅(qū)動(dòng)電路選擇方案一：半橋式驅(qū)動(dòng)電路是兩個(gè)三極管或MOS管組成的振蕩，振蕩轉(zhuǎn)換之間容易瀉有電流使波形變壞，產(chǎn)生干擾。成本低，電路容易形成。方案二：全橋式驅(qū)動(dòng)電路，橋電路是四個(gè)三極管或MOS管組成的振蕩。全橋電路不容易產(chǎn)生瀉流，采用IR2104作為它的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能可靠弁且能極大地提升電路的穩(wěn)定性且降低了設(shè)計(jì)難度。綜合考慮設(shè)計(jì)完成難度，采用方案二。(3)連接部分電路TOC\o"1-5"\h\z為了避免變頻器和升壓電路直接相連，地線耦合在一起，無(wú)法識(shí)別高電位和低電位，電流不會(huì)起作用。所以這里必須要電氣隔離變壓器。采用1:1的工頻變壓器，但是實(shí)際使用中有銅損和鐵損，最后測(cè)出變壓器效率為96%o(4)單相橋式整流電路橋式整流器利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接。輸入正弦波的正半部分是兩只二極管導(dǎo)通，得到正弦波的正半周；輸入正弦波的負(fù)半周時(shí)，另兩只管導(dǎo)通，由于是反接的，所以輸出依然得到正弦波的正半周。經(jīng)過(guò)RC濾波電路之后變成直流輸出。(5)BOOST穩(wěn)壓分析在MOS管導(dǎo)通的時(shí)間里，電感L會(huì)把流經(jīng)的電流轉(zhuǎn)變成為磁能來(lái)完成能量的貯存，電容C把流經(jīng)的電感L的那一部分電流轉(zhuǎn)變成為電荷來(lái)進(jìn)行貯存。在MOS管關(guān)掉的時(shí)間里，電感L會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)疊加在電源上，輸送給負(fù)載R弁與續(xù)流二極管D組成回路，同時(shí)電容C將電荷轉(zhuǎn)換成電流向負(fù)載供電。若是這個(gè)進(jìn)行通斷的過(guò)程是不斷進(jìn)行反復(fù)的，那么就能夠在電容的兩端獲得高于輸入的電壓。把迅速進(jìn)行通斷的晶體管置在輸入和輸出之間，單片機(jī)的ADC檢測(cè)其輸出電流的實(shí)時(shí)情況，經(jīng)過(guò)與設(shè)定電流的比較，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)通斷比例(占空比)，從而閉環(huán)控制輸出的電流，達(dá)到閉環(huán)控制輸出電流的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理本系統(tǒng)通過(guò)采用C51單片機(jī)為主控的變流器負(fù)載試驗(yàn)中的能量回饋裝置。將輸入的38VBOOST電路，閉環(huán)控制其直流電壓，逆變到25v交流電輸出，通過(guò)按鍵能控制其輸出20?100Hz的正弦波，1HzBOOST電路，閉環(huán)控制其經(jīng)過(guò)工頻變壓器隔離后，輸入給回饋裝置，其采用單片機(jī)控制的

電流輸出圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)方法根據(jù)題目任務(wù)，有如下系統(tǒng)設(shè)計(jì)：(1)要求1和2中，只要直流電源DC電壓是穩(wěn)定的，同負(fù)載下，輸出的AC電壓就是穩(wěn)定的，從而逆變部分可以采用開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)。(2)通過(guò)1:1的變壓器隔離后，便于逆變器1和變流器2的單元設(shè)計(jì)，系統(tǒng)無(wú)需考慮共地問(wèn)題，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試難度。(3)由于在工作中，在特定電流下，電路效率基本是恒定的。所以本回饋電部分可閉環(huán)穩(wěn)定采集饋能流回變流器1的電流，去達(dá)到環(huán)路中變流器1的輸出電流的目的。2核心部分電路設(shè)計(jì)逆變電路逆變電路通過(guò)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片的通斷控制H橋逆變電路輸出SPWM波，經(jīng)過(guò)LC濾波之后變?yōu)檎也ā?/p>

圖2逆變部分電路圖變壓器部分為了避免變頻器和BOOST電路直接連，地線耦合，無(wú)法識(shí)別高電位和低電位，電流就不會(huì)起作用。所以這里必須要電氣隔離。變壓器這里采用1:1的工頻變壓器，但是實(shí)際使用中有銅損和鐵損，最后測(cè)出變壓器效率為96%o注：連接部分可使用導(dǎo)線直接相連，使轉(zhuǎn)化效率達(dá)到100%,若如此則不能使用接地的設(shè)備（如三角插座示波器）測(cè)量。整流升壓部分電路（1）整流部分用整流橋進(jìn)行全波整流，同一時(shí)刻必然有2個(gè)二極管在導(dǎo)通，將產(chǎn)生1.4V左右的電壓降（單個(gè)肖特基壓降為0.7V）。于此同時(shí)，電路中變壓器輸出平均電流1.5A,考慮濾波電路帶來(lái)的峰值電流，這里選取3倍余量，選取大于5A的整流橋。

（2）LC濾波部分電流紋波比r是開(kāi)關(guān)電源最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。將r值設(shè)定為0.4左右，是考慮了電源各應(yīng)力參考后得到的最佳值。根據(jù)定義，r值與電感電流平均值（斜坡中點(diǎn)值或直流分量值）和電感電流總擺幅（交流紋波）AI有關(guān)。r的大小應(yīng)該在變換器設(shè)計(jì)初期確定，因?yàn)樗绊懰衅渌麉?shù)的選擇，對(duì)于給定的開(kāi)關(guān)頻率，r值講解表示出電感L的數(shù)值。△rIIC目前最通用的電感設(shè)計(jì)規(guī)則是基于r的基礎(chǔ)公式，首先設(shè)置r=0.4,這適用于任何頻率和拓?fù)?。輸入電壓Vin是25V交流整流后的電壓，大概是34V,輸出電壓為38V此中D為PWM的占空比、f為開(kāi)關(guān)電源頻率。M為輸入電壓、Vo為輸出電壓、由于使用同步整流方案，所以沒(méi)有續(xù)流二極管，Vd為肖特基二極管的電壓降（這里設(shè)置為0）。Io為輸出電流。根據(jù)電流公式AI=--~~得到電感。對(duì)于BOOST電路,根據(jù)伏秒法則,D*根據(jù)伏秒法則,D*k(1-D)*&+%-匕)得到占空比D,最后得到電感L為L(zhǎng)=——=190泗%小r計(jì)算得到190uH電感，這里采用這個(gè)數(shù)值附近的220uH的功率電感。按照串連型開(kāi)關(guān)電源的電容的推導(dǎo)公式，此中C是電容的容量、Io為一個(gè)模塊個(gè)輸出電壓、AUp-p為輸出紋波電壓,T為PWM一個(gè)周期的時(shí)間假定紋波的電壓是0.01V,把各個(gè)參數(shù)代入式子(2-8）得式（2-9）假定紋波的電壓是0.01V,把各個(gè)參數(shù)代入式子(-IIF2127*2*001V47Khz遵循經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，1A用1000UF電容，這里使用2顆1000uF的高頻電容弁聯(lián)，以達(dá)到降低紋波電壓的目的。(3)升壓部分M（3）圖4升壓部分電路圖(3)升壓部分M（3）圖4升壓部分電路圖圖5整流部分總電路圖3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

3.1逆變部分SPWM逆變器采用的是等效原理實(shí)現(xiàn)的，即讓逆變器輸出的波形是一系列的和正弦波SPWM調(diào)制H橋輸出正弦波。在系統(tǒng)初始化過(guò)后首先通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置輸出頻率，進(jìn)入SPWMSPWM調(diào)制H橋輸出正弦波。在系統(tǒng)初始化過(guò)后首先通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置輸出頻率，進(jìn)入SPWM脈寬計(jì)算程序，根據(jù)所設(shè)置頻率選擇調(diào)制比，計(jì)算脈寬弁確定最大值。在SPWM輸出程序中，特殊功能寄存器進(jìn)行設(shè)置弁啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，開(kāi)始輸出SPWM波。主程序--始一、Q?PWM,ADC初始化總中斷開(kāi)顯示“welcome!延時(shí)100ms計(jì)算并顯示輸入電壓PWM,ADC初始化總中斷開(kāi)顯示“welcome!延時(shí)100ms計(jì)算并顯示輸入電壓按鍵檢測(cè)圖6逆變流程圖圖圖6逆變流程圖3.2整流升壓部分主程序主要處理對(duì)時(shí)間要求不敏感的數(shù)據(jù),例如按鍵檢測(cè)，和顯示電壓電流狀況，主程序主要處理對(duì)時(shí)間要求不敏感的數(shù)據(jù),例如按鍵檢測(cè)，和顯示電壓電流狀況，此中顯示這些數(shù)據(jù)時(shí)刻采用數(shù)字平均濾波算法，采集50顯示這些數(shù)據(jù)時(shí)刻采用數(shù)字平均濾波算法，采集50個(gè)數(shù)據(jù)，繼而取平均值，使得到的數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)狀況，抗干擾能力得到很大的提升。4、競(jìng)賽工作環(huán)境條件測(cè)試方案采用先分別調(diào)試再整體調(diào)試,且硬件測(cè)試與軟件測(cè)試結(jié)合的方法,以提高調(diào)試效率。具體測(cè)試方案如下:(1)硬件測(cè)試然后將分立的模塊搭建在一起整個(gè)過(guò)程中，首先分模塊搭建硬件電路弁分別測(cè)試成功,然后將分立的模塊搭建在一起測(cè)試整體功能，然后進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試。經(jīng)測(cè)試,我們的電量檢測(cè)電路、偏移電路和單片機(jī)控制電路均工作正常。(2)軟件仿真測(cè)試軟件測(cè)試我們選擇在搭好的硬件上直接測(cè)試，并借助串口調(diào)試窗口查看并分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)果正常。測(cè)試儀器設(shè)計(jì)分析軟件環(huán)境AD9電