2017電子競(jìng)賽重慶賽區(qū)

報(bào)告沿此線裝訂 折 疊 線 2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（重慶賽區(qū)“TI杯”）設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)校：重慶工程學(xué)院參賽隊(duì)員：陳敬穆、李桃桃、陳寧佳參賽編號(hào)：260所選題目：微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)（A題） 此處由賽區(qū)組委會(huì)統(tǒng)一粘貼 （此頁(yè)為正面）注：本頁(yè)格式不能修改（此頁(yè)為背面）設(shè)計(jì)報(bào)告摘要本文設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)是一種以PIC16F1937單片機(jī)為核心的，PWM逆變電源，單片機(jī)通過(guò)自然數(shù)查表法控制內(nèi)部的兩路硬件PWM模塊生成SPWM脈沖信號(hào)，采用雙極性調(diào)制方案驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變電路，輸出經(jīng)LC低通濾波器濾波，最后在負(fù)載上得到穩(wěn)定的正弦波交流電。其正弦波輸出頻率由單片機(jī)內(nèi)部程序控制調(diào)節(jié)。此外本系統(tǒng)外接按鍵及液晶屏，按鍵能設(shè)定電源開(kāi)始與停止，液晶屏能實(shí)時(shí)顯示輸入電壓及輸出電流，輸出正弦波的頻率，使系統(tǒng)的安全及穩(wěn)定得到了很大提升。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，本設(shè)計(jì)達(dá)到了賽題基本部分和發(fā)揮部分的全部指標(biāo)，并在部分指標(biāo)上超過(guò)賽題的要求。關(guān)鍵詞：SPWM，雙極性調(diào)制，三相逆變，PIC單片機(jī)AbstractsInthispaper,designofmicrogridsimulationsystemisakindofPIC16F1937single-chipmicrocomputerasthecoreofSPWMinverterpowersupply,microcomputercontrolledbynaturalNumberslook-uptablemethodwithinthetwohardwarePWMmoduletogenerateSPWMpulsesignals,drivenbydualpolaritymodulationschemethree-phasefullbridgeinvertercircuit,theoutputbytheLClowpassfilterfilter,finallygetsteadysinusoidalalternatingcurrent(ac)ontheload.Thefrequencyofthesinusoidalwaveoutputiscontrolledbythemicrocontrollerinternalprocedure.InadditionthesystemexternalbuttonsandLCDscreen,cansetupthepowerstartandstopbuttons,LCDscreencanreal-timedisplaytheinputvoltageandoutputcurrent,outputsinewavefrequency,makegreatlyimproveditssecurityandstabilityofthesystem.Afterthetest,thedesignachievesthebasicpartofthegameandthefullmeasureofthepart,andexceedstherequirementofthetestonsomeindexes.Keywords:SPWM,bipolarmodulation,three-phaseinverter,PICsingle-chipmicrocomputer、方案設(shè)計(jì)與論證1.逆變器的設(shè)計(jì)方案一：電流型逆變器。其中間部分利用的是大電感進(jìn)行濾波，導(dǎo)致輸入電流的特點(diǎn)是阻抗大電流平，類(lèi)似電流源。但該方案電壓利用率較低。方案二：電壓型逆變器。其中間部分利用大電容進(jìn)行濾波，導(dǎo)致輸入電壓阻抗小且電壓平直，類(lèi)似電壓源。其特點(diǎn)是由電壓型直流電源供電的逆變電路，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點(diǎn)。為了更加適應(yīng)競(jìng)賽題目要求，滿足穩(wěn)定三相對(duì)稱交流電輸出以及交流母線電壓總諧波畸變率更小，經(jīng)綜合考慮本設(shè)計(jì)選取方案二。2.逆變器調(diào)壓設(shè)計(jì)方案一：可控整流器調(diào)壓。通過(guò)負(fù)載對(duì)電壓的要求，使用可控的整流器來(lái)完成對(duì)逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)。方案二：直流斬波器調(diào)壓。在確定逆變器的電源側(cè)有較高功率的情況下，通過(guò)不可控整流器可以在直流環(huán)節(jié)中通過(guò)設(shè)置改變直流斬波器來(lái)進(jìn)行對(duì)電壓的調(diào)節(jié)。方案三：逆變器自身調(diào)壓。采用不可控整流器的前提下逆變器能用自身的電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行斬波控制以得到脈沖序列，通過(guò)改變輸出電壓脈沖列的脈沖寬度，完成對(duì)輸出的電壓的調(diào)節(jié)，該方法又被稱為脈沖寬帶調(diào)制（PWM）。可控整流器調(diào)壓方式與直流斬波器調(diào)壓方式能夠完成逆變器輸出電壓的調(diào)節(jié)，但PWM調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，且PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。綜上所述，本組采用方案三脈沖寬帶調(diào)制（PWM）。二、理論分析與計(jì)算1.逆變器的工作原理正弦波逆變器的電路構(gòu)成如下:如圖2.1所示，本電路由兩部分組成，整流部分采用不可控的二極管將交流變成直流。然后用電容進(jìn)行濾波，整個(gè)過(guò)程無(wú)論是從結(jié)構(gòu)上還是性能上都能滿足設(shè)計(jì)要求。最后直流變交流的部分為逆變部分，LC濾波是為了濾除高次諧波，得到正弦波。而逆變器因?yàn)樗敵龅碾妷汉皖l率與輸入的交流電源無(wú)關(guān)所以為稱為無(wú)源逆變器，它是正弦波逆變電路的核心。因此，本系統(tǒng)采用三相橋式逆變電路，用PWM控制調(diào)節(jié)輸出電壓及頻率的大小。PWM波形獲取PWM波形可通過(guò)計(jì)算獲得或通過(guò)調(diào)制獲得，前者根據(jù)正弦波的系列數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算得出每個(gè)脈沖的寬度每個(gè)脈沖及間的間隔，以此來(lái)操控開(kāi)關(guān)器件的通斷來(lái)得到PWM波形；后者把調(diào)制信號(hào)比作想要輸出的波形，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制來(lái)得到想要的PWM波形。電路原理圖從圖2.2中可以得知，直流電輸入后，先通過(guò)2個(gè)電容串聯(lián)構(gòu)成的濾波電路，得到輸入電壓的一半作為中點(diǎn)電位，作為三相輸出的參考地。在逆變的部分采用了6個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體管（即MOS管）組成了一個(gè)三相橋式逆變電路，最后使用雙極性的調(diào)制方式進(jìn)行調(diào)制，輸出的SPWM波形過(guò)經(jīng)電感、電容組成的LC濾波器濾除高次諧波，最后在負(fù)載就能獲得三相的純正弦波交流電壓輸出。2.2主回路原理圖2.2主回路原理圖母線檢測(cè)電阻由于在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況，如果電網(wǎng)低于某個(gè)數(shù)值時(shí)，可能會(huì)損壞正在運(yùn)行的用電器，所以需要對(duì)母線電壓進(jìn)行檢測(cè)，由于ulM=12V，而單片機(jī)的采樣電壓最高位5V，故采樣電阻比例R+R~^R5.一.、 一 一 5本系統(tǒng)取R+R~^R5.一.、 一 一 5本系統(tǒng)取R1和R5是470K和4.7K100+101011當(dāng)311V輸入時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到的電壓是，Vout4=12x10100+101.09V⑴(2)⑶驅(qū)動(dòng)電路的選擇半橋式驅(qū)動(dòng)電路，本全橋驅(qū)動(dòng)電路采用IR2104作為它的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能可靠并且能即大的提升電路的穩(wěn)定性且降低了設(shè)計(jì)難度。該芯片采用被動(dòng)式泵荷升壓原理。上電時(shí)，電源流過(guò)快恢復(fù)二極管D向電容C充電，C上的端電壓很快升至接近Vcc，這時(shí)如果下管導(dǎo)通，C負(fù)級(jí)被拉低，形成充電回路，會(huì)很快充電至接近Vcc，當(dāng)PWM波形翻轉(zhuǎn)時(shí)，芯片輸出反向電平，下管截止，上管導(dǎo)通，C負(fù)極電位被抬高到接近電源電壓，水漲船高，C正極電位這時(shí)已超過(guò)Vcc電源電壓。因有D的存在，該電壓不會(huì)向電源倒流，C此時(shí)開(kāi)始向芯片內(nèi)部的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電，C上的端電壓被充至高于電源高壓的Vcc，只要上下管一直輪流導(dǎo)通和截止，C就會(huì)不斷向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路供電，使上管打開(kāi)的時(shí)候，高壓側(cè)懸浮驅(qū)動(dòng)電路電壓一直大于上管的S極。采用該芯片降低了整體電路的設(shè)計(jì)難道，只要電容C選擇恰當(dāng)，該電路運(yùn)行穩(wěn)定。故滿足本設(shè)計(jì)要求的簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的電路。圖2.3基于IR2104的半橋驅(qū)動(dòng)電路電流檢測(cè)電路要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和電流的閉環(huán)控制，必須對(duì)輸出電流和電壓進(jìn)行采樣反饋。本設(shè)計(jì)采用如下圖所示的電流電壓檢測(cè)電路。為了便于MCU采集，分壓電阻產(chǎn)生的電壓經(jīng)過(guò)由LM358構(gòu)成的同相比例放大器放大后，輸入到MCU的ADC端口。R22圖2.4電流檢測(cè)電路為了使用者的安全，我們?cè)O(shè)定保護(hù)電流為2A，即電流超過(guò)2A，系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)采用電阻分壓的方式對(duì)各個(gè)開(kāi)關(guān)電源模塊的輸出電壓進(jìn)行檢測(cè)，由于采樣電壓直接輸送

給單片機(jī)10位ADC進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)所能檢測(cè)的最高電壓為5V,358由5V電壓供電，最大輸出電壓和供電電源電壓之前有1.2V壓差，所以能輸出最大電壓為：V=5V-1.2v=3.8V2A電流經(jīng)過(guò)0.025Q電阻得到的電壓為V=2Ax0.025Q=0.050V該電壓要經(jīng)過(guò)放大后才能更容易被單片機(jī)檢測(cè)到，在這個(gè)應(yīng)用中運(yùn)放的放大倍數(shù)應(yīng)該小3.8V6c2 0.050V76這里選擇R22和R20為33K和3.8V6c2 0.050V76這里選擇R22和R20為33K和1K，放大倍數(shù)為R22+R2033k+1kR201K3461=11<62=70,符合設(shè)計(jì)要求。即當(dāng)電流為2A時(shí)，運(yùn)放輸出電壓為V=0.050*34=1.70Vout(6)⑺(8)四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案測(cè)試工具：示波器、功率分析儀測(cè)試步驟：第一步：將雙通道示波器的兩個(gè)探針接在單片機(jī)輸出PWM的引腳上；第二步：記錄波形數(shù)據(jù)；第三步：改變單片機(jī)輸出SPWM的頻率，返回第一步操作，直到調(diào)出50HZ的SPWM波形測(cè)試完。4.2測(cè)試結(jié)果表1測(cè)試數(shù)據(jù)負(fù)載1負(fù)載2負(fù)載3負(fù)載4負(fù)載5負(fù)載6負(fù)載線電流有效值I02A2A2A2A2A2A線電壓有效值U024.1V23.8V24.2V23.9V24V24.1V頻率f050Hz50.1Hz49.8Hz50.2Hz49.9Hz50.1Hz由以上測(cè)試結(jié)果可知：(1)閉合S，僅用逆變器1向負(fù)載提供三相對(duì)稱交流電。負(fù)載線電流有效值Io為2A時(shí)，線電壓有效值Uo滿足24V+0.2V的要求，頻率fo滿足50Hz±0.2Hz的要求。在1的工作條件下，交流母線電壓總諧波畸變率(THD)為2.67%，滿足設(shè)計(jì)zhibiao要求。在1的工作條件下，逆變器1的效率為91%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。逆變器1給負(fù)載供電，負(fù)載線電流有效值Io在0?2A間變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI1為0.27%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。總結(jié)：經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足并超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。五、參考文獻(xiàn)[1]盧旭錦，王永強(qiáng).基于ATmega8單片機(jī)控制的正弦波逆變電源 [J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013,36(08):149-152.[2017-08-11].⑵談?chuàng)P寧,朱兆優(yōu)，王海濤.基于PICFxx單片機(jī)控制的正弦波逆變電源[J].電子元器件應(yīng)用,2009