電子設(shè)計(jì)結(jié)題報(bào)告-2011黑龍江省賽

加密號(hào)：學(xué)校編號(hào)：加密號(hào)：學(xué)校編號(hào)：HIT-E-36加密號(hào)：學(xué)校名稱(chēng)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)隊(duì)員姓名：張清文黃曉毅張曉輝賽點(diǎn)負(fù)責(zé)人:王立欣教務(wù)處章2008本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的24V交流單相在線(xiàn)式UPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件單元包括整流電路、逆變電路、輔助電源電路、蓄電池供電電路和ARM微控制器電路。采用了單相全橋逆變電路，效率高，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)也具有可靠性高，速度快等特點(diǎn)。選擇了UC3906設(shè)計(jì)了蓄電池的充電電路，能夠滿(mǎn)足題目的不過(guò)充，充電電流等方面的要求。PWM波由ARM芯片控制產(chǎn)生，波形可靠，穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，在36VAC和36VDC兩種情況下，輸出電壓能穩(wěn)定于24V，且電壓調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率高，輸出波形失真度小，具有過(guò)流和欠壓保護(hù)功能，效率較高。關(guān)鍵詞：32位微處理器；IR2110；SPWM1設(shè)計(jì)任務(wù)本題要求設(shè)計(jì)并制作輸出電壓為24VAC在線(xiàn)式不間斷電源，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖11.1基本要求（1）在交流供電U1=36VAC和直流供電U3=36VDC兩種情況下，保證輸出電壓U2=24VAC，且保證其頻率為50±1Hz，額定輸出功率80W；（2）切斷交流電源后，在輸出滿(mǎn)載情況下工作時(shí)間不少于2分鐘；（3）交流供電時(shí)，電源達(dá)到以下要求：電壓調(diào)整率：滿(mǎn)載條件下，U1從29VAC增加至43VAC，U2變化不超過(guò)5%；負(fù)載調(diào)整率：U1=36VAC、U2=24VAC，從空載到滿(mǎn)載，U2變化不超過(guò)5%；（4）直流供電時(shí)，滿(mǎn)載條件下，效率不低于65%（）；（5）具有輸出短路保護(hù)功能。1.2發(fā)揮部分（1）交流供電時(shí)，將電壓調(diào)整率和電壓調(diào)整率提高至2%，條件同基本部分；（2）直流供電時(shí)，在滿(mǎn)載條件下，將效率提高至80%；（3）滿(mǎn)載條件下，輸出正弦波失真度不大于5%；（4）具有給蓄電池充電功能，充電電流不小于0.1A，充電電路對(duì)蓄電池不能過(guò)充；（5）具有欠壓保護(hù)功能：當(dāng)蓄電池的放電電壓≤29V時(shí)整機(jī)自動(dòng)保護(hù)停止工作；（6）其他。2方案論證和比較2.1功率開(kāi)關(guān)器件的選擇方案一：采用絕緣柵雙極晶體管IGBT。方案二：采用單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件電力MOSFET。IGBT雖集合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有多種良好的特性，但在本文的設(shè)計(jì)中，功率要求不高，MOSFET已足夠，且成本低。此外，MOSFET的開(kāi)關(guān)速度較IGBT高，開(kāi)關(guān)損耗低，故本文選擇了MOSFET。2.2MOSFET的驅(qū)動(dòng)部分方案一：自行搭接驅(qū)動(dòng)電路。前級(jí)為推挽式，后級(jí)采用隔離變壓器進(jìn)行控制電路與主電路之間的隔離。方案二：采用專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)MOSFET設(shè)計(jì)的集成驅(qū)動(dòng)電路。方案一原理簡(jiǎn)單，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中可靠性不高，輸出波形不好，不能保證器件的可靠導(dǎo)通和關(guān)斷，并且逆變采用全橋時(shí)需要4個(gè)同樣的驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)累贅，布線(xiàn)復(fù)雜，調(diào)試難度加大。脈沖變壓器雖然有原副邊絕緣強(qiáng)度高，共模干擾抑制能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但信號(hào)的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，信號(hào)的頂部不易傳輸，且最大占空比受到限制，體積較大，加工復(fù)雜。方案二采用集成的驅(qū)動(dòng)芯片優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好，可靠性高，易于調(diào)試，電路設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，效率較高。本文采用了驅(qū)動(dòng)半橋的IR2110，它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x的優(yōu)點(diǎn)（速度快），且自舉電路的設(shè)計(jì)減少了驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目。綜合以上因素考慮，方案二較好。2.3逆變電路的設(shè)計(jì)方案一：采用半橋逆變電路。方案二：采用全橋逆變電路。選擇半橋電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110的經(jīng)典電路就可完成，但它的突出缺點(diǎn)是效率不高，而題目對(duì)效率的要求較高，故本文選擇由2個(gè)IR2110驅(qū)動(dòng)的全橋逆變電路，效率高，設(shè)計(jì)也較簡(jiǎn)單，易于調(diào)試。2.4輔助電源芯片的選擇方案一：采用7805；方案二：采用LM2575；7805是最常用的一種穩(wěn)壓芯片，但它的功耗很大，輸出電壓不穩(wěn)定，可靠性不高。實(shí)測(cè)過(guò)，在輸入15V時(shí)，輸出為6.4V，這在本文的設(shè)計(jì)過(guò)程中是不允許的。而LM2575內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只需極少外圍器件就可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路，保護(hù)電路完善，功耗小。輸入電壓范圍大（0-63V），輸出電壓可調(diào)，在本文的設(shè)計(jì)中，由2575提供穩(wěn)定的15V和5V電源電壓供ARM芯片等部分使用，足可保證穩(wěn)定性的要求。故采用輔助電源芯片選擇LM2575。2.5單片機(jī)的選擇常用的微處理器基本都可實(shí)現(xiàn)本文的設(shè)計(jì)要求，但仍有各自的特點(diǎn)，各項(xiàng)功能如表1所示：表1微處理器類(lèi)型處理速度開(kāi)發(fā)周期價(jià)格應(yīng)用場(chǎng)合普通8位單片機(jī)慢短適中低端ARM適中適中適中低端和高端DSP快長(zhǎng)較貴高端表1可以看出，普通單片機(jī)運(yùn)行速度慢，而DSP開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，價(jià)格較高，故本文選擇ARM芯片，型號(hào)為“STM32F103x”，它是基于CortexTM-M3內(nèi)核的32位微處理器，最高工作頻率可達(dá)72MHz，內(nèi)部集成了2個(gè)16通道的12位AD轉(zhuǎn)換器，3個(gè)16位定時(shí)器，多達(dá)6路PWM輸出，性能高，且價(jià)格便宜。2.6死區(qū)的設(shè)計(jì)方案一：軟件編程控制。方案二：硬件實(shí)現(xiàn)。顯然，硬件實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定性高，調(diào)試簡(jiǎn)單，且軟件編程較復(fù)雜，實(shí)施起來(lái)麻煩。故選擇硬件實(shí)現(xiàn)死區(qū)的控制。2.7正弦脈寬調(diào)制SPWM的產(chǎn)生方案一：可采用模擬和數(shù)字電路等硬件電路產(chǎn)生SPWM。方案二：利用微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM的數(shù)字控制。比較這兩種方案，前者控制電路復(fù)雜，抗干擾能力差。后者控制電路簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，精度高，抗干擾能力強(qiáng)。本系統(tǒng)采用后者來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)方案描述綜合上述方案的分析，整體設(shè)計(jì)方案如下：市電（220VAC）經(jīng)降壓后為（36VAC）,采用電容濾波的單相不可控整流電路后，可輸出波形較好的直流電壓，再經(jīng)過(guò)由MOSFET組成的全橋逆變電路，負(fù)載輸出為2個(gè)（24V，40W）的燈泡，電路設(shè)計(jì)成閉環(huán)，可滿(mǎn)足題目要求的負(fù)載調(diào)整率，以及電壓調(diào)整率。采樣放大器芯片采用了單電源供電的LM358，且用電壓互感器做隔離，采樣較好。市電和蓄電池的切換部分設(shè)計(jì)在整流濾波后，由ARM控制繼電器的吸合來(lái)完成，且可靠性高。蓄電池的充電電路采用了專(zhuān)為蓄電池充電的芯片UC3906，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，充電電流滿(mǎn)足題目要求，且不會(huì)過(guò)充。此外，由ARM芯片進(jìn)行了過(guò)流保護(hù)以及欠壓保護(hù)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了SPWM的數(shù)字控制。3.2系統(tǒng)總體框圖圖24硬件部分分析與計(jì)算4.1整流濾波整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種?；诒绢}小功率單相交流輸入的這一特點(diǎn)，采用電容濾波的單相不可控整流電路。電路設(shè)計(jì)如下：整流電路整流電路圖3由理論分析可知，輸出電壓滿(mǎn)足關(guān)系式：Ud≈1.2Uc（4-1）由負(fù)載功率可知，輸出電流有效值大約為3.33A，故采用的二極管最大整流電流為10A，濾波電容為470uF、500V的電解電容。由式（4-1）可知，在輸入為29V-43V時(shí)，整流后輸出電壓大約為34.8V-51.6V，此部分的電壓即為逆變電路的直流干線(xiàn)電壓。4.2驅(qū)動(dòng)、逆變電路MOSFET選用的型號(hào)為“IRFP460”，它的IDmax=20電路圖如下所示：圖4MOSFET柵源反并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管作用是保證柵極電壓不會(huì)過(guò)高，以防止燒壞MOS管。1K電阻的作用也是為了保證MOS管不會(huì)直通，因?yàn)镸OS管在無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，默認(rèn)DS是連通的。MOS管后反并聯(lián)的二極管選擇的是快恢復(fù)FR107，一是為了續(xù)流，而是為了使MOS管快速導(dǎo)通。與之并聯(lián)的吸收電容為高壓電容，作用是穩(wěn)定電壓，同時(shí)可保證IR2110不會(huì)因電壓過(guò)高而擊穿損壞。全橋逆變電路由兩個(gè)相同的半橋組合而成。4.2.1自舉的原理在電路圖中，C14和D9分別為自舉電容和二極管。C32為VCC的濾波電容。當(dāng)HIN為高電平時(shí)，自舉電容通過(guò)內(nèi)部的MOS管以及柵極電阻，為上橋臂的MOSFET的柵極電容充電，此時(shí)自舉電容相當(dāng)于一個(gè)電壓源。當(dāng)LIN為高電平時(shí)，下橋臂導(dǎo)通，VCC通過(guò)自舉二極管給自舉電容充電，自舉電容電壓≈VCC，當(dāng)HIN的高電平到來(lái)時(shí)，C14放電，如此往復(fù)循環(huán)。為使快速充電，自舉二極管選擇的是快恢復(fù)二極管FR107，速度快。4.2.2自舉電容的選擇MOS管在開(kāi)通時(shí)，需要在極短的時(shí)間內(nèi)向門(mén)極提供足夠的柵電荷，假定在器件開(kāi)通后，自居電容兩端電壓比器件充分導(dǎo)通所需要的電壓（10V，高壓側(cè)鎖定電壓為8.7V）要高，再假定在自舉電容充電路徑上有1.5V壓降，再減去由泄露電流引起電壓降，自舉電容的選擇公式為:C>2Qg/(VCC-10-1.5)(4-2)查表可知，IRFP460充分導(dǎo)通時(shí)所需要的柵電荷為120nC，VCC=15V，故自舉電容選擇為475。4.3死區(qū)電路設(shè)計(jì)采用74HC04組成的死區(qū)電路圖如下所示：圖5輸入為ARM產(chǎn)生的PWM波，輸出為互補(bǔ)的兩個(gè)PWM波，與控制全橋?qū)ǖ?個(gè)驅(qū)動(dòng)連接。（見(jiàn)附錄）輸入為方波時(shí)，死區(qū)的輸出波形調(diào)至如下圖所示：圖64.4輔助電源電路采用的是LM2575。這個(gè)芯片具有只需很少的外圍電路就可輸出穩(wěn)定電壓的特點(diǎn)，輸入電壓0-60V可調(diào)。由4.1整流電路的分析計(jì)算可知，整流后的電壓最高位50多伏，故此芯片的優(yōu)勢(shì)可見(jiàn)一斑。具體電路如下所示：圖7可調(diào)節(jié)R5，輸出電壓可變。在此需要輸出穩(wěn)定的15V和5V電壓。4.5充電電路的設(shè)計(jì)根據(jù)發(fā)揮部分的要求，充電電流不得小于0.1A，不能過(guò)充。故采用UC3906的兩種充電狀態(tài)的快充電電路。充電電路如圖所示：圖8充電輸入電源最大為40V，而根據(jù)4.1的計(jì)算結(jié)果可知，加到此處的電壓最大可達(dá)51.6V，故選擇39V的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓。為提高充電電路的工作效率，采用了PNP外接功率晶體管。計(jì)算公式如下：（4-3）（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）根據(jù)題目要求，VF=36V，設(shè)RSM=2歐，RC=51K，可由公式算出RA=747K，RD=447K，此時(shí)充電電流為0.22A。4.6采樣電路的設(shè)計(jì)由于電路中只能提供單電源，故采用了單電源供電的LM358運(yùn)算放大器，并且設(shè)計(jì)了用電壓互感器進(jìn)行的隔離，選擇的是型號(hào)為“HPT205NB”的互感器。電路圖見(jiàn)附錄A。4.7市電，蓄電池切換部分電路由繼電器控制，電路圖如下所示：圖9繼電器的吸合由ARM控制。當(dāng)ARM檢測(cè)到市電斷電，輸出低電平控制繼電器的開(kāi)關(guān)打到蓄電池的方向，蓄電池與繼電器的常開(kāi)觸電相連，同時(shí)當(dāng)蓄電池的電壓降到29V時(shí)，ARM輸出高電平，線(xiàn)圈上電，繼電器的開(kāi)關(guān)打到市電的方向，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)了欠壓保護(hù)。5軟件部分的分析設(shè)計(jì)5.1AD采樣AD采樣包括四部分：市電檢測(cè)，蓄電池欠壓保護(hù)，短路保護(hù)，采樣逆變電壓作為反饋量進(jìn)行控制量的調(diào)節(jié)已達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。AD部分的軟件實(shí)現(xiàn)：利用STM32F103提供的片內(nèi)12位AD進(jìn)行電壓采集，STM32F103的片內(nèi)AD是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，共有18個(gè)通道可測(cè)量16個(gè)外部和兩個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次，連續(xù)，掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換時(shí)間最快可達(dá)1微秒。5.2逆變電壓采樣逆變電壓采樣：每500微秒啟動(dòng)一次AD注入通道的轉(zhuǎn)換，將連續(xù)四次采樣逆變電壓值，并分別存儲(chǔ)在四個(gè)寄存器中，采樣結(jié)束后產(chǎn)生中斷，將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序除去最大及最小值再取平均作為此時(shí)的電壓值暫存入數(shù)組，每個(gè)周期共采樣400個(gè)點(diǎn)并排序求得最大及最小值相減即為峰峰值，作為反饋量控制SPWM的輸出。5.3市電，蓄電池電壓，短路檢測(cè)每10毫秒進(jìn)行一次規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換，順序的進(jìn)行6次市電電壓的采樣，6次蓄電池電壓的檢測(cè)，四次短路電流（電壓）的檢測(cè)，并分別進(jìn)行如上簡(jiǎn)易濾波作為本次采樣值，以此來(lái)作為市電與蓄電池切換，欠壓保護(hù)，短路保護(hù)的依據(jù)。5.4反饋控制反饋控制：AD采集逆變輸出電壓的峰峰值作為反饋量，通過(guò)積分調(diào)節(jié)控制SPWM的調(diào)制度，以達(dá)到使逆變輸出穩(wěn)定的目的。5.5軟件設(shè)計(jì)流程圖106元器件清單表2名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量控制芯片ST1電壓互感器HPT205NB1驅(qū)動(dòng)芯片IR21102繼電器1MOSFETIRFP450474HC141負(fù)載燈泡（24V，40W）2輔助電源LM2575ADJ2蓄電池“矩陣牌”3功率電阻0.223充電芯片UC3906139V，18V穩(wěn)壓若干單電源運(yùn)放LM3584常用電阻，電容若干7系統(tǒng)測(cè)試7.1測(cè)試儀器示波器一臺(tái)，PC機(jī)一臺(tái)，ST—linkII仿真器一臺(tái)，萬(wàn)用表一塊7.2測(cè)試內(nèi)容根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)需要測(cè)試以下內(nèi)容（輸出功率為80W）：（1）在交流供電U1=36VAC和直流供電U3=36VDC兩種情況下，輸出電壓U2，輸出