2018年江苏省大学生电子设计竞赛E题设计报告(一等奖).pdf

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
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
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
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。
（3）变流器 1 与能量回馈装置按图 1 所示连接，系统能实现能量回馈，变 流器 1 输出电流 I1 = 1A 。 （ 20 分）
（4）变流器 1 与能量回馈装置按图 1 所示连接，变流器 1 输出电流 I1 = 2A ， 要求直流电源输出功率 Pd 越小越好。 （ 35 分）
（5）其他。 （ 10 分）
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。
流不会起作用。所以这里必须要电气隔离变压器。采用
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%。
（ 4）单相桥式整流电路
桥式整流器利用四个二极管， 两两对接。 输入正弦波的正半部分是两只二极管导通， 得 到正弦波的正半周；输入正弦波的负半周时，另两只管导通，由于是反接的，所以输出依然 得到正弦波的正半周。经过 RC 滤波电路之后变成直流输出。
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。
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 * T
2 Up p
假定纹波的电压是 0.01V,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
现能量回馈，变流器 1 输出电流 I1= 1A 。 ④变流器 1 与能量回馈装置按图 1 所示连接，变 流器 1 输出电流 I1 = 2A ，要求直流电源输出功率 Pd 越小越好。 1.2 技术方案分析比较
（ 1）控制系统选择
方案一： 采用 STM32F407ZGT6 单片机为控制核心， 通过输出互补 SPWM 波控制驱动
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。
共同给变流器 1 供电，从而实现了节能。
本系统设计要求：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。②在要求的条件下，变流器
1 输出交流电的频率范围
可设定为 20Hz ～ 100Hz ，步进 1Hz。③变流器 1 与能量回馈装置按图 1 所示连接， 系统能实
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。
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
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Baidu Nhomakorabea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
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
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
（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
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。
1 设计方案工作原理
1.1 预期实现目标定位
设计并制作一个变流器及负载试验时的能量回馈装置。
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
遵循经验设计， 1A 用 1000uF 电容，这里使用 2 颗 1000uF 的高频电容并联，以达到降低纹
波电压的目的。
（ 3）升压部分电路
（ 3）整流部分总电路
图 4 升压部分电路图
图 5 整流部分总电路图
3、系统软件设计分析
3.1 逆变部分
SPWM 逆变器采用的是等效原理实现的，即让逆变器输出的波形是一系列的和正弦波
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
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
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
每个 I/O 能设置成弱上拉、强上拉、高阻、开漏模式，该单片机内置上电复位电路，性价比
高，抗静电，抗干扰，低功耗，低成本。
综合考虑性价比、成本、面积、功耗等因素软硬件设计，采用方案二。 （ 2）驱动电路选择
方案一：半桥式驱动电路是两个三极管或 MOS 管组成的振荡，振荡转换之间容易泻有 电流使波形变坏，产生干扰。成本低，电路容易形成。
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、
+
_
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）