2018年江苏省大学生电子设计竞赛E题设计报告(一等奖).pdf

1:1 的工频变压器，但是实际使用
中有铜损和铁损，最后测出变压器效率为 96%。
注：连接部分可使用导线直接相连，使转化效率达到 设备（如三角插座示波器）测量。 2.3 整流升压部分电路
100% ，若如此则不能使用接地的
(1) 整流部分
用整流桥进行全波整流，同一时刻必然有
2 个二极管在导通，将产生 1.4V 左右的电压
的占空比、 f 为开关电源频率。 Vi 为输入电压、 VO为输出电压、由于使用同步整流方案，所
以没有续流二极管， VD 为肖特基二极管的电压降（这里设置为
根据电流公式
0）。 Io 为输出电流。
得到电感。 对于 BOOST 电路，
根据伏秒法则，
得到占空比 D ， 最后得到电感 L 为
计算得到 190uH 电感，这里采用这个数值附近的 220uH 的功率电感。
一样效果的虽不等宽但等幅的矩阵脉冲波形，方法是单极性
SPWM 调制 H 桥输出正弦波。
在系统初始化过后首先通过键盘设置输出频率
,进入 SPWM 脉宽计算程序 ,根据所设置频率
选择调制比，计算脉宽并确定最大值。在 SPWM 输出程序中 ,特殊功能寄存器进行设置并启
动计数器 ,开始输出 SPWM 波。
主程序 开始
就能够在电容的两端获得高于输入的电压。把迅速进行通断的晶体管置在输入和输出之间， 单片机的 ADC 检测其输出电流的实时情况， 经过与设定电流的比较， 实时调节通断比例 （占
空比），从而闭环控制输出的电流，达到闭环控制输出电流的目的。 1.3 系统结构工作原理
本系统通过采用 C51 单片机为主控的变流器负载试验中的能量回馈装置。 将输入的 38V
+
_
U1
图 1 变流器负载试验中的能量回馈装置
2． 要求
（1）变流器 1 输出端 c、 d 仅连接电阻性负载，变流器 1 能输出 50Hz 、 25V 0.25V 、2A 的单相正弦交流电。 （ 20 分）
（2）在要求（1 ）的条件下，变流器 1 输出交流电的频率范围可设定为 20Hz~ 100Hz ，步进 1Hz 。 （ 15 分）
2 核心部分电路设计
2.1 逆变电路 逆变电路通过单片机控制驱动芯片的通断控制
滤波之后变为正弦波。
H 桥逆变电路输出 SPWM 波，经过 LC
图 2 逆变部分电路图
2.2 变压器部分
为了避免变频器和 BOOST 电路直接连，地线耦合，无法识别高电位和低电位，电流就
不会起作用。所以这里必须要电气隔离。变压器这里采用
降（单个肖特基压降为 0.7V ）。于此同时，电路中变压器输出平均电流 1.5A ，考虑滤波电路
带来的峰值电流，这里选取 3 倍余量，选取大于 5A 的整流桥。
图 3 整流电路
（ 2） LC 滤波部分
电流纹波比 r 是开关电源最基本的设计参数之一。将 r 值设定为 0.4 左右，是考虑了电 源各应力参考后得到的最佳值。根据定义， r 值与电感电流平均值（斜坡中点值或直流分量
芯片驱动开关实现正弦逆变。 STM32 做为系统控制核心 ,配合 12 位高精度 D/A 模块精确控
制输出电压。系统具有良好的过流保护功能并可智能检测负载情况
,以控制系统工作状态。
方案二： 采用 STC12C5A60S2 ，能输出两路 PWM 波形控制驱动芯片驱动开关实现正弦 逆变。TC12C5A60S2 拥有 36 个 I/O 口并且具有两路 PWM 输出、 8 路 10 位 ADC 模数转换、
例如按键检测， 和显示电压电流状况， 此中 50 个数据，继而取平均值，使得到的数据
更加接近真实状况，抗干扰能力得到很大的提升。
4、竞赛工作环境条件
4.1 测试方案 采用先分别调试再整体调试， 且硬件测试与软件测试结合的方法， 以提高调试效率。 具
体测试方案如下： (1 ）硬件测试 整个过程中， 首先分模块搭建硬件电路并分别测试成功， 然后将分立的模块搭建在一起
（6）设计报告 （ 20 分）
项目
主要内容
满分
方案论证
比较与选择，方案描述
3
理论分析与计算
系统相关参数设计
5
电路与程序设计
系统原理框图与各部分的电路图， 系统软件流 5
程图
测试方案合理，测试结果完整性，测试结果分
测试方案与测试结果
5
析
设计报告结构及规范
摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。
2
性
总分
2018 年江苏省大学生电子设计竞赛设计报告（一等奖）
竞赛选题： E 题 变流器负载试验中的能量回馈装置（本科） 1. 任务
设计并制作一个变流器及负载试验时的能量回馈装置，其结构如图 1 所示。 变流器进行负载试验时， 需在其输出端接负载。 通常情况下， 输出电能消耗 在该负载上。为了节能，应进行能量回馈。负载试验时，变流器 1（逆变器）将 直流电变为交流电，其输出通过连接单元与变流器 2（整流器）相连，变流器 2 将交流电转换成直流电， 并回馈至变流器 1 的输入端， 与直流电源一起共同给变 流器 1 供电，从而实现了节能。
0 摘要
本设计是一种采用 STC12C5A60S2 单片机为主控的变流器负载试验中的能量回馈装 置。其逆变板单片机采用查表法， 输出 SPWM 到 H 桥，将输入的 38v 直流电压， 逆变到 25v 交流电输出，通过按键能控制其输出 20~100Hz 的正弦波， 1Hz 步进。经过工频变压器隔离 后，输入给回馈装置，其采用单片机控制的 BOOST 电路，闭环控制其电流输出，由于在特 定电流下， 电路效率基本是恒定的， 故能控制环路中逆变部分的输出交流电流。 通过按键能 步进调节其电流大小。整体设计符合题目要求。
20
3．说明
（1）图 1 所示的变流器 1 及能量回馈装置仅由直流电源供电， 直流电源可采 用实验室的直流稳压电源。
（2）图 1 中的“连接单元”可根据变流器2 的实际情况自行确定。 （3）电路制作时应考虑测试方便，合理设置测试点。 （4）能量回馈装置中不得另加耗能器件。 （5）图 1 中， a、b 与 c、 d 端应能够测试， a、c 端应能够测量电流； c、d 端应能够断开，另接其他阻性负载。
端口初始化
PWM,ADC
初始化
总中 断 开 显 示 “welcome!”
延 时 100ms 清屏
计 算 并 显示 输 入 电 压 ， 输出电压，
显 示 设 置 的输 出 电 流
按键 检 测
图 6 逆变流程图
图 7 整流升压流程图
3.2 整流升压部分
主程序主要处理对时间要求不敏感的数据， 显示这些数据时刻采用数字平均滤波算法，采集
（ 5） BOOST稳压分析
在 MOS 管导通的时间里， 电感 L 会把流经的电流转变成为磁能来完成能量的贮存，
电
容 C 把流经的电感 L 的那一部分电流转变成为电荷来进行贮存。在
MOS 管关掉的时间里，
电感 L 会产生反向电动势叠加在电源上，输送给负载
R 并与续流二极管 D 组成回路，同时
电容 C 将电荷转换成电流向负载供电。若是这个进行通断的过程是不断进行反复的，那么
按照串连型开关电源的电容的推导公式，此中
C 是电容的容量、 Io 为一个模块个输出
电压、 △Up-p 为输出纹波电压， T 为 PWM 一个周期的时间。
C
Io V,把各个参数代入式子（ 2-8）得式（ 2-9），其结果为：
1
1
C
*
2127 F
2 * 0 . 01V 47 Khz
测试整体功能，然后进行联合测试。经测试， 我们的电量检测电路、 偏移电路和单片机控制
电路均工作正常。 (2 ）软件仿真测试 软件测试我们选择在搭好的硬件上直接测试，并借助串口调试窗口查看并分析运行数
据，结果正常。 4.2 测试仪器
1. 设计分析软件环境 AD9 电路绘制软件， KEIL4 等编程软件。 2. 仪器设备硬件平台 稳压电源，示波器，万用表等。 3. 配套加工安装条件 电烙铁、电钻等。
值）和电感电流总摆幅（交流纹波） △I 有关。 r 的大小应该在变换器设计初期确定，因为它
影响所有其他参数的选择，对于给定的开关频率，
r 值讲解表示出电感 L 的数值。
△I r
IC
目前最通用的电感设计规则是基于 r 的基础公式，首先设置 r=0.4,这适用于任何频率和 拓扑。输入电压 Vin 是 25V 交流整流后的电压， 大概是 34V ，输出电压为 38V 此中 D 为 PWM
方案二：全桥式驱动电路，桥电路是四个三极管或
MOS 管组成的振荡。全桥电路不容
易产生泻流，采用 IR2104 作为它的驱动芯片，该芯片结构简单性能可靠并且能极大地提升
电路的稳定性且降低了设计难度。
综合考虑设计完成难度，采用方案二。
（ 3）连接部分电路
为了避免变频器和升压电路直接相连， 地线耦合在一起， 无法识别高电位和低电位， 电
直流电压， 逆变到 25v 交流电输出， 通过按键能控制其输出 20~100Hz 的正弦波， 1Hz 步进。
经过工频变压器隔离后，输入给回馈装置，其采用单片机控制的
BOOST 电路，闭环控制其
电流输出。
图 1 系统结构
1.4 功能指标实现方法 根据题目任务，有如下系统设计： （ 1）要求 1 和 2 中，只要直流电源 DC 电压是稳定的，同负载下，输出的 AC 电压就
是稳定的，从而逆变部分可以采用开环设计。 （ 2）通过 1:1 的变压器隔离后，便于逆变器 1 和变流器 2 的单元设计，系统无需考虑
共地问题，降低系统设计和调试难度。 （ 3）由于在工作中，在特定电流下，电路效率基本是恒定的。所以本回馈电部分可闭
环稳定采集馈能流回变流器 1 的电流，去达到环路中变流器 1 的输出电流的目的。