2021年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽E題設(shè)計(jì)報(bào)告(一等獎(jiǎng))

1、 5/52021年江蘇省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽E題設(shè)計(jì)報(bào)告(一等獎(jiǎng)) 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） 1. 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

2、 2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I 1 = 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I 1 = 2A ，要求直流電源輸出功率P d 越小越好。 （35分） （5）其他。 （10分） （6）設(shè)計(jì)報(bào)告 （20分） +_U 1 3說(shuō)明 （1）圖1所示的

3、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 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

4、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)單性能可靠并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 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%。 （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

5、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并與續(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

6、的電流，達(dá)到閉環(huán)控制輸出電流的目的。 1.3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20100Hz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，其采用單片機(jī)控制的BOOST電路，閉環(huán)控制其電流輸出。 圖 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1.4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

7、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) 2.1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?圖 2逆變部分電路圖 2.2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%。 注：連接部分可使用導(dǎo)線直接相連，使

8、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。 2.3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。 圖 3整流電路 （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）I 有關(guān)。r 的大小應(yīng)該

9、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。 C I I r 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)洹］斎腚妷篤in 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。i V 為輸入電壓、O V 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，D V 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 得到電感。 對(duì)于BOOST 電路， 根據(jù)伏秒法則， 得到占空比D ， 最后得到電感L 為 計(jì)算得

10、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、Up-p 為輸出紋波電壓，T 為PWM 一個(gè)周期的時(shí)間。 T U I C p p o *2-?= 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），其結(jié)果為： F K V C 2127hz 471 *01.0*21= 遵循經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，1A 用1000uF 電容，這里使用2顆1000uF 的高頻電容并聯(lián)，以達(dá)到降低紋波電壓的目的。 （3）升壓部分電路 圖 4升壓部分電路圖 （3）整流部分總電路 圖 5整流部分總電路圖 3

11、、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一樣效果的雖不等寬但等幅的矩陣脈沖波形，方法是單極性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)算脈寬并確定最大值。在SPWM輸出程序中,特殊功能寄存器進(jìn)行設(shè)置并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,開(kāi)始輸出SPWM波。 開(kāi)始 端口初始化 PWM,ADC 初始化 總中斷開(kāi) 顯示“welcome!” 延時(shí)100ms 清屏 計(jì)算并顯示輸入電壓， 輸出電壓， 顯示設(shè)置的輸出電流 按鍵檢測(cè) 圖6 逆變流程圖圖7 整流升壓流程圖 3.2整流

12、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，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 4.1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 整個(gè)過(guò)程中，首先分模塊搭建硬件電路并分別測(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。 4.2 測(cè)試儀器 1.設(shè)計(jì)分析軟件環(huán)境 AD9電路繪制軟件，KEIL4等編程軟件。 2.儀器設(shè)備硬件平臺(tái) 穩(wěn)壓電源，示波器，萬(wàn)用表等。 3.配套加工安裝條件 電烙鐵、電鉆等。 5、作品成效總結(jié)分析 5.1測(cè)試結(jié)果 （1