2017年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽-微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)(A題)

微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)（A題）【本科組】一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由逆變模塊、控制模塊、檢測模塊、電源模塊組成，下面對(duì)逆變器主電路方案和PWM控制信號(hào)方案進(jìn)行論證。圖1微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1、逆變器主電路方案根據(jù)要求，初步得到以下兩種可行的逆變器主電路方案。方案一：晶體管三相橋式逆變器逆變器采用120°導(dǎo)通型的工作方式對(duì)換流的安全有利，但晶體管的利用率較低，用于控制120°導(dǎo)通型逆變器的導(dǎo)通角控制電路可采用硬件方式自動(dòng)產(chǎn)生控制信號(hào)；也可采用微處理器的并行接口通過軟件方式產(chǎn)生控制信號(hào)。方案二：晶閘管構(gòu)成的三相橋式逆變器180°導(dǎo)通型逆變器正常工作的必要條件是可靠的換流，由于逆變器的輸入是直流電源，一般晶閘管不能通過控制門極電壓將它關(guān)斷換流，因此必須采用強(qiáng)迫換流的方法。通過比較，我們選擇方案一。2、PWM控制信號(hào)產(chǎn)生方案逆變器需要SPWM和PWM作為控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，并通過調(diào)節(jié)其的輸出達(dá)到控制電路功能的目的。通過討論，共得到兩種產(chǎn)生方案。方案一：硬件調(diào)制產(chǎn)生可使用開關(guān)電源控制芯片產(chǎn)生PWM作為控制信號(hào)，只需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行采樣反饋，與基準(zhǔn)源比較，產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，調(diào)制信號(hào)與鋸齒波比較，產(chǎn)生PWM對(duì)主電路進(jìn)行控制。這種方案控制電路的邏輯單一，單個(gè)控制芯片難以同時(shí)作為恒流源和恒壓源的控制核心。方案二：數(shù)字控制產(chǎn)生直接數(shù)字控制產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的方案，通過單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過軟件的方法實(shí)現(xiàn)，便于提高PWM信號(hào)的質(zhì)量，易于進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)由于PWM信號(hào)的調(diào)制和產(chǎn)生在單片機(jī)內(nèi)部通過軟件實(shí)現(xiàn)，硬件電路得到簡化。同時(shí)，單片機(jī)能進(jìn)行更復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，可較為翻遍地實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。通過比較上述兩種方案，我們采用第二種方案，來方便、快捷的產(chǎn)生PWM信號(hào)。它沒有模擬電路的溫漂，干擾等問題，通過軟件控制可以實(shí)現(xiàn)較高的精度，同時(shí)系統(tǒng)的升級(jí)改造也很簡單，便于擴(kuò)展。二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算1、逆變器提高效率的方法本系統(tǒng)的損耗主要在開關(guān)器件的損耗，以及濾波電感電容損耗。因此提高效率的重點(diǎn)在于減小這兩處器件的損耗。在設(shè)計(jì)中采取了以下措施來提高效率，使得最終測試的逆變器器的效率達(dá)到90%以上。使用MOSFET管來替代續(xù)流二極管，三路SPWM同時(shí)控制六個(gè)MOS管開通關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)續(xù)流的功能，開關(guān)器件選用低通態(tài)電阻的MOSFET，減小通態(tài)損耗。軟開關(guān)通過在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，就可以消除開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，降低它們的變化率，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗。同時(shí)的，諧振過程限制了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，這使得開關(guān)噪聲也顯著減小。濾波電感采用4股0.5mm的銅線繞制，降低電流密度以減小銅損耗。工作磁通設(shè)置到較低的值，減小磁芯的渦流和磁滯損耗。2、兩臺(tái)逆變器同時(shí)運(yùn)行模式控制策略當(dāng)兩臺(tái)逆變器同時(shí)運(yùn)行時(shí)，要求逆變器1和逆變器2能共同向負(fù)載輸出功率，使負(fù)載線電流有效值I0達(dá)到3A，頻率f0三、電路與程序設(shè)計(jì)1、逆變器主電路與器件選擇（1）系統(tǒng)總體框圖DC-DC電源逆變器負(fù)載DC-DC電源逆變器負(fù)載PWM電流電壓檢測SPWMPWM電流電壓檢測SPWMSTM32STM32圖2系統(tǒng)總體框圖（2）逆變器主電路 逆變模塊的逆變器采用晶體管三相橋式逆變器，如圖3所示。圖3晶體管三相橋式逆變器逆變模塊的驅(qū)動(dòng)電路采用IR2104驅(qū)動(dòng)模塊，如圖4所示。圖4IR2104驅(qū)動(dòng)模塊（3）器件選擇1、晶體管的選擇：采用IRF540場效應(yīng)管。2、驅(qū)動(dòng)電路選擇：采用IR2104驅(qū)動(dòng)電路。（4）電源 逆變器的供電電路采用DC-DC模塊，如圖5所示。圖5DC-DC模塊2、控制電路與控制程序（1）控制電路電流檢測電路和電壓檢測電路分別如圖6、圖7所示。圖6電流檢測電路圖7電壓檢測電路（2）程序功能描述利用STM32內(nèi)部集成的16位高精度的ADC進(jìn)行采樣，采樣電流、電壓值。采樣得到電流、電壓值后通過PID算法控制PWM的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)DC-DC模塊的輸出電壓，使負(fù)載線電流值電壓值等達(dá)到要求。輸出三相SPWM波控制逆變器工作片開關(guān)模式。（3）程序流程圖程序流程圖如圖8所示。開始開始檢測開關(guān)狀態(tài)檢測開關(guān)狀態(tài)恒流程序恒壓程序恒流程序恒壓程序檢測電流比檢測電流比例例檢測線電壓PID算法PID算法PID算法改變占空比改變占空比改變占空比圖8程序流程圖四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方案首先，將硬件主電路分成兩個(gè)模塊分開測試，測試輸入電壓、電流與輸出電壓、電流之間的關(guān)系。經(jīng)測試各模塊符合要求后，加入控制模塊進(jìn)行測試，最后將各個(gè)模塊合并再次進(jìn)行測試，分別以此測試所要求項(xiàng)目。2、測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。3、測試結(jié)果及分析（1）測試結(jié)果根據(jù)測試，可以得出以下結(jié)論：1、負(fù)載線電流有效值I0為2A時(shí)，線電壓有效值U0為24V±0.2V，頻率f02、逆變器1和逆變器2能共同向負(fù)載輸出功率，使負(fù)載線電流有效值I0達(dá)到3A，頻率f0為3、其他參數(shù)測試分析計(jì)算后都基本符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，本設(shè)計(jì)不僅滿足了題目要求的功能，并且實(shí)現(xiàn)了幾項(xiàng)發(fā)揮功能。（2）分析總結(jié)本設(shè)計(jì)根據(jù)大賽題目功能要求，選擇逆變器作為主拓?fù)洌琒TM32F103RCT6單片機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了題目要求的各項(xiàng)功能并達(dá)到了相應(yīng)的精度。在方案確定時(shí)，隊(duì)員進(jìn)行了反復(fù)的理論分析以確保電路可以實(shí)現(xiàn)要求的所有功能。同時(shí)，通過電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序控制盡量減小測量和控制的誤差，以保證精度。并且通過硬件與軟件的設(shè)計(jì)最大的減小能量損耗，提升整體效率，使之高于題目要求的指標(biāo)。在規(guī)定的時(shí)內(nèi)，我們完成了電路的設(shè)計(jì)，調(diào)試及設(shè)計(jì)報(bào)告。在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中，我們遇到了許多的問題和困難，但最終都得以解決，得到較為理想的效果。這得益于隊(duì)員努力與合作。參考文獻(xiàn)：[1]

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譚浩強(qiáng).C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.附錄1：電路原理圖附錄2：單片機(jī)最小系統(tǒng)附錄3：源程序PID算法：floatpidCoefficients[3];floatUi[2],controlOutput;floatERR[2];voidpidbegin(floatkp,floatki,floatkd){Ui[0]=0;Ui[1]=0;ERR[0]=0;ERR[1]=0;controlOutput=0;pidCoefficients[0]=kp;pidCoefficients[1]=ki;pidCoefficients[2]=kd;}voidpid(floatreferenceInput,floatmeasuredOutput){ floatUd,regesister; ERR[0]=referenceInput-measuredOutput; Ui[0]=Ui[1]+ERR[0]*pidCoefficients[1]; Ud=(ERR[0]-ERR[1])*pidCoefficients[2]; regesister=ERR[0]*pidCoefficients[0] +Ui[0] +Ud; if(regesister>=0) { if(regesister>141) { controlOutput=141; } else { controlOutput=regesister; } } else { controlOutput=0; } Ui[1]=Ui[0]; ERR[1]=ERR[0];}ADC采樣，加濾波：floa