大學生電子設計競賽E題設計報告(變流器負載試驗中的能量回饋裝置)

....2018年江蘇省大學生電子設計競賽設計報告（一等獎）競賽選題：E題變流器負載試驗中的能量回饋裝置（本科）任務1在該負載上。為了節(jié)能，應進行能量回饋。負載試驗時，變流器逆變器）2（整流器）211要求

圖1變流器負載試驗中的能量回饋裝置（1）變流器1輸出端c、d僅連接電阻性負載，變流器1能輸出50Hz、25V0.25V、2A的單相正弦交流電。（20分）1100Hz1Hz。（15分）111I1

=1A。（20分）111I1

=2A，Pd

越小越好。+_+_U1其他。（10分）設計報告（20分）項目項目方案論證理論分析與計算主要內(nèi)容比較與選擇，方案描述系統(tǒng)相關參數(shù)設計系統(tǒng)原理框圖與各部分的電路圖，系統(tǒng)軟件流程圖測試方案合理，測試結(jié)果完整性，測試結(jié)果分析滿分35電路與程序設計5測試方案與測試結(jié)果5設計報告結(jié)構(gòu)及規(guī)范性總分摘要，正文結(jié)構(gòu)規(guī)范，圖表的完整與準確性。220說明1112電路制作時應考慮測試方便，合理設置測試點。能量回饋裝置中不得另加耗能器件。1a、bc、da、cc、端應能夠斷開，另接其他阻性負載。摘要本設計是一種采用STC12C5A60S2單片機為主控的變流器負載試驗中的能量回饋裝SPWM到H38v25v交流電輸出，通過按鍵能控制其輸出20~100Hz步進。經(jīng)過工頻變壓器隔離后，輸入給回饋裝置，其采用單片機控制的BOOST設計方案工作原理預期實現(xiàn)目標定位試驗時，變流器1（逆變器）將直流電變?yōu)榻涣麟?，其輸出通過連接單元與變流器2（整流器2將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，并回饋至變流器11供電，從而實現(xiàn)了節(jié)能。本系統(tǒng)設計要求：①變流器1輸出端c、d僅連接電阻性負載，變流器1能輸出50Hz、25V 0.25V2A的單相正弦交流電。②在要求的條件下，變流器1輸出交流電的頻率范圍1Hz111輸出電流I=1A11所示連接，變1流器1輸出電流I1

=2A，要求直流電源輸出功率Pd

越小越好。技術方案分析比較控制系統(tǒng)選擇STM32F407ZGT6單片機為控制核心，通過輸出互補SPWM波控制驅(qū)動STM3212D/A模塊精確控,以控制系統(tǒng)工作狀態(tài)。PWM波形控制驅(qū)動芯片驅(qū)動開關實現(xiàn)正弦TC12C5A60S236I/O口并且具有兩路PWM810位ADC每個I/O能設置成弱上拉、強上拉、高阻、開漏模式，該單片機內(nèi)置上電復位電路，性價比高，抗靜電，抗干擾，低功耗，低成本。綜合考慮性價比、成本、面積、功耗等因素軟硬件設計，采用方案二。驅(qū)動電路選擇方案一：半橋式驅(qū)動電路是兩個三極管或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)動電路，橋電路是四個三極管或MOS管組成的振蕩。全橋電路不容易產(chǎn)生瀉流，采用IR2104電路的穩(wěn)定性且降低了設計難度。綜合考慮設計完成難度，采用方案二。連接部分電路1:1銅損和鐵損，最后測出變壓器效率為96%。單相橋式整流電路橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只二極管導通，得到正弦波的正半周；輸入正弦波的負半周時，另兩只管導通，由于是反接的，所以輸出依然得到正弦波的正半周。經(jīng)過橋式整流器利用四個二極管，兩兩對接。輸入正弦波的正半部分是兩只二極管導通，得到正弦波的正半周；輸入正弦波的負半周時，另兩只管導通，由于是反接的，所以輸出依然得到正弦波的正半周。經(jīng)過RCBOOSTMOSLC把流經(jīng)的電感L的那一部分電流轉(zhuǎn)變成為電荷來進行貯存。在MOS管關掉的時間里，電L會產(chǎn)生反向電動勢疊加在電源上，輸送給負載R并與續(xù)流二極管D組成回路，同時電容C將電荷轉(zhuǎn)換成電流向負載供電。若是這個進行通斷的過程是不斷進行反復的，那么就能夠的ADC（占空比，從而閉環(huán)控制輸出的電流，達到閉環(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)通過采用C51單片機為主控的變流器負載試驗中的能量回饋裝置38V25v20~100HzBOOST電路，閉環(huán)控制其電流輸出。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能指標實現(xiàn)方法根據(jù)題目任務，有如下系統(tǒng)設計：12中，只要直流電源DC電壓是穩(wěn)定的，同負載下，輸出的AC是穩(wěn)定的，從而逆變部分可以采用開環(huán)設計。1:112共地問題，降低系統(tǒng)設計和調(diào)試難度。11的輸出電流的目的。核心部分電路設計逆變電路逆變電路通過單片機控制驅(qū)動芯片的通斷控制HSPWMLC濾波之后變?yōu)檎也?。圖2逆變部分電路圖變壓器部分為了避免變頻器和BOOST1:1的工頻變壓器，但是實際使用中有銅損和鐵損，最后測出變壓器效率為96%。注：連接部分可使用導線直接相連，使轉(zhuǎn)化效率達到100%，若如此則不能使用接地的設備（如三角插座示波器）測量。整流升壓部分電路(1)整流部分圖3整流電路用整流橋進行全波整流，同一時刻必然有21.4V左右的電壓降（單個肖特基壓降為0.71.53圖3整流電路LCr是開關電源最基本的設計參數(shù)之一。將r0.4左右，是考慮了電值與電感電流平均值（斜坡中點值或直流分量值）和電感電流總擺幅（交流紋波r值講解表示出電感L的數(shù)值?！鱅rIC目前最通用的電感設計規(guī)則是基于r的基礎公式，首先設置r=0.4,Vin是25V3438V此中D為PWMfVV為輸出電壓、由于使用同步整流方案，所i OVD為肖特基二極管的電壓降（這里設置為。Io根據(jù)電流公式得到電感。對于BOOST電路，根據(jù)伏秒法則，D，計算得到190uH電感，這里采用這個數(shù)值附近的220uH的功率電感。按照串連型開關電源的電容的推導公式，此中CIo△Up-p為PWM一個周期的時間。IC o *T2Up假定紋波的電壓是0.01把各個參數(shù)代入式子2-）得式2-，其結(jié)果為：C 1 * 1 2127F2*47Khz1000uF21000uF波電壓的目的。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、系統(tǒng)軟件設計分析逆變部分SPWM逆變器采用的是等效原理實現(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,進入SPWM根據(jù)所設置頻率SPWM特殊功能寄存器進行設置并啟開始輸出SPWM波。主程序開始主程序開始端口初始化PWM,ADC 初始化總中斷開顯示“welcome!”延時100ms清屏計算并顯示輸入電壓，輸出電壓，顯示設置的輸出電流按鍵檢測圖6逆變流程圖 圖7整流升壓流程圖整流升壓部分50更加接近真實狀況，抗干擾能力得到很大的提升。4、競賽工作環(huán)境條件測試方案體測試方案如下：(1）硬件測試(2）軟件仿真測試軟件測試我們選擇在搭好的硬件上直接測試，并借助串口調(diào)試窗口查看并分析運行數(shù)據(jù)，結(jié)果正常。測試儀器設計分析軟件環(huán)境AD9電路繪制軟件，KEIL4等編程軟件。儀器