最新江苏省大学生电子设计竞赛E题设计报告一等奖资料.docx

1、最新江苏省大学生电子设计竞赛E题设计报告一等奖资料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。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

2、c、d仅连接电阻性负载，变流器1能输出50Hz、25V0.25V、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20Hz100Hz，步进1Hz。 （15分）（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）（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

3、分的电路图，系统软件流程图5测试方案与测试结果测试方案合理，测试结果完整性，测试结果分析5设计报告结构及规范性摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性。2总分203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。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

4、。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20100Hz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。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

5、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。 本系统设计要求：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、25V0.25V、2A的单相正弦交流电。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20Hz100Hz，步进1Hz。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。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

6、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、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

7、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。 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

8、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。 （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，那么就能

9、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直流电压，逆变到25v交流电输出，通过按键能控制其输出20100Hz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

10、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。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H桥逆变电路输出SPWM波，经过LC滤波之后变为正弦波。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

11、作用。所以这里必须要电气隔离。变压器这里采用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%。 注：连接部分可使用导线直接相连，使转化效率达到100%，若如此则不能使用接地的设备（如三角插座示波器）测量。2.3整流升压部分电路(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

12、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。 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的占空比、f为开关电源频率。为输入电压、为输出电压、由于使用同步整流方案，所以没有续流二极管，为肖特基二极管的电压降（这里设置为0）。Io为输出电流。根据电流公式得到电感。对于BOOST电路，

13、根据伏秒法则，得到占空比D，手工艺品，它运用不同的材料，通过不同的方式，经过自己亲手动手制作。看着自己亲自完成的作品时，感觉很不同哦。不论是01年的丝带编织风铃，02年的管织幸运星，03年的十字绣，04年的星座手链，还是今年风靡一时的针织围巾等这些手工艺品都是陪伴女生长大的象征。为此，这些多样化的作品制作对我们这一创业项目的今后的操作具有很大的启发作用。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。 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。综上所述，DIY手工艺品市

14、场致所以受到认可、欢迎的原因就在于此。我们认为：这一市场的消费需求的容量是极大的，具有很大的发展潜力，我们的这一创业项目具有成功的前提。 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：为了解目前大学生对DIY手工艺品制作的消费情况，我们于己于人2004年3月22日下午利用下课时间在校园内进行了一次快速抽样调查。据调查本次调查人数共50人，并收回有效问卷50份。调查分析如下：如果顾客在消费中受到营业员的热情，主动而周到的服务，那就会有一种受到尊重的感觉，甚至会形成一种惠顾心理，经常会再次光顾，并为你介绍新的顾客群。而且顾客的购买动机并非全是由需求而引起的，它会

15、随环境心情而转变。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）升压部分电路年轻有活力是我们最大的本钱。我们这个自己动手做的小店，就应该与时尚打交道，要有独特的新颖性，这正是我们年轻女孩的优势。图 4升压部分电路图随着社会经济、文化的飞跃发展，人们正从温饱型步入小康型，崇尚人性和时尚，不断塑造个性和魅力的现代文化价值观念，已成为人们的追求目标。因此，顺应时代的饰品文化显示出强大的发展势头和越来越广的市场，从事饰品销售是有着广阔的市场空间。（3）整流部分总电路据介绍，经常光顾“碧芝”的都是些希望得到世界上“独一无二”饰品的年轻人，他

16、们在琳琅满目的货架上挑选，然后亲手串连，他们就是偏爱这种的方式，完全自助。图 5整流部分总电路图（2）东西全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。 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，例如按键

17、检测，和显示电压电流状况，此中显示这些数据时刻采用数字平均滤波算法，采集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（4）牌子响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：2 www。cer。net/artide/2003082213089728。shtml。 (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

18、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。5、作品成效总结分析5.1测试结果 （1）输出交流电参数为50Hz、25.04V、2.01A单相正弦交流电，波形无失真。（2）输出交流电的频率在20Hz100Hz之间可调，步进为1Hz。 （3）变流器1输出电流大于1A。（4）变流器1输出电流为2.02A，大于2A，此时电源输出电压与电流示数分别为38.6V、0.357A，计算可得电源输出功率为13.7W。5.2测试分析与结论任务功能全部实现，输出功率较低。6、参考资料