2017年全国大学生电子设计竞赛微电网模拟系统

2017年全国大学生电子设计竞赛微电网模拟系统（A题）2017年年年08月月月12日日日摘要逆变电源的发展与和电力电子器件的发展息息相关，可以说电力电子器件器件的发展引导着逆变电源的发展。本文主要从系统分析、硬件电路、程序设计和实验测试等方面阐述“三相SPWM逆变电路的设计”。主要以STC15F2K60S2单片机为核心，采用SPWM控制方式对电路进行调制，首先选取以双极性调制方案驱动电压型三相全桥逆变闭环电路，然后使用IR2104驱动芯片以及IRF540场效应管，结合单片机通过自然数查表法控制内部的3路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，再输出经LC低通滤波器滤波，最后经电容、电感过滤且在负载上得到稳定的正弦波交流电。其正弦波输出频率由单片机内部程序控制调节。另外本系统外接按键，按键程序中主要是控制机器的逆变H桥的工作的使能。关关关键键键词词词:双极性调制；SPWM；电压型三相逆变；-I-目目目录录录一一一、、、系系系统统统方方方案案案-1-1.逆变电路论证与选择-1-2.控制系统的论证与选择-1-二二二、、、理理理论论论分分分析析析与与与计计计算算算-2-1.逆变器提高效率的方法-2-2.两台逆变器同时运行模式控制策略-2-2.核心参数计算-2-三三三、、、电电电路路路与与与程程程序序序设设设计计计-3-1.电路设计-3-2.程序设计-4-四四四、、、系系系统统统测测测试试试及及及结结结果果果分分分析析析-6-1.测试方法-6-2.测试仪器-6-五五五、、、实实实验验验数数数据据据分分分析析析与与与结结结论论论-6-六六六、、、参参参考考考文文文献献献-6-附附附录录录-6--II-微电网模拟系统（A题）【本科组】一一一、、、系系系统统统方方方案案案本设计主要通过IR2104和IRF540构成三相桥式逆变闭环电路（逆变1，逆变2），并通过STC15F2K60S2为核心的控制电路通过自然数查表法控制内部的三路硬件PWM模块生成SPWM脉冲信号，采用双极性调制方案驱动三相全桥逆变电路，输出经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电。以下为相关论证与选择。1.逆逆逆变变变电电电路路路的的的论论论证证证与与与选选选择择择方案一：采用电流型三相桥式逆变电路。在电流型逆变电路中，直流输入是交流整流后，由大电感滤波后形成的电流源。此电流源的交流内阻抗近似于无穷大，它是吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电流是幅值等于输入电流的方波电流。适合单机传动，加、减速频繁运行或需要经常反向的场合。方案二：采用电压型三相桥式逆变电路。在电压型逆变电路中，直流电源是交流整流后，由大电容滤波后形成的电压源。此电压源的交流内阻抗近似为零，它吸收负载端的谐波无功功率。逆变电路工作时，输出电压幅值等于输入电压的方波电压。适合于向多机供电、不可逆传动或稳速系统以及对快速性要求不高的场合。综合以上二种方案，选择方案二。2.控控控制制制系系系统统统的的的论论论证证证与与与选选选择择择方案一：采用传统8051芯片为控制核心。51单片机作为经典，其操作简单，价格低廉，但性能不佳，对于题目而言无法高效的完成要求。方案二：采用以MSP430为核心的控制系统。TI公司的MSP430系列的单片机是一个16位的单片机，虽然比51单片机在性能方面有很大的提高但工作电压偏低，1.8V-3.6V，对于很多5V的系统来说接口电路颇为麻烦。并且I/O无保护，过压过流会立即击穿。方案三：采用STC15F2K60S2为控制核心，它能使系统的到充分的实现，内部自带高精度（0.4%）内部振荡器，它还拥有38个I/O口，有8路10位ADC模数转换、每个I/O能设置成输入输出模式，并且具有具有3路PWM输出，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。并且在本次的设计中，能有效的实现功能。综合以上三种方案，选择方案三。-1-二二二、、、理理理论论论分分分析析析与与与计计计算算算1.逆逆逆变变变器器器提提提高高高效效效率率率的的的方方方法法法使用IR2104和IRF540构成三相桥式逆变闭环电路，设计中采用双极性调制方案和SPWM控制方式对电路进行调制后输出经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电压。然而逆变器提高效率，首先是元器件的内阻因素，会影响效率，或是降低开关管的开关损耗，根据电路参数选择合适的开关管或者用软开关技术来减少开关管的开关损耗，最后就是采用高级的拓扑结构和驱动的控制方式来提高效率。2.两两两台台台逆逆逆变变变器器器同同同时时时运运运行行行模模模式式式控控控制制制策策策略略略使用IR2104和IRF540构成三相桥式逆变闭环电路，采用双极性调制方案和SPWM控制方式对电路进行调制后输出经LC低通滤波器滤波，最后在负载上得到稳定的正弦波交流电压。两台逆变器同时独立运行中，用单片机直接控制电路，使得整个电路更有效率。3.电电电路路路计计计算算算分分分析析析题目中，给定输入线电压24V，因此应提供电源电压为：UI=p324V=41.568V。总功率为：Po=p324V2A=83.136W。驱动电路损耗能量为：解得PD=12.423W,意味着驱动电路损耗的能量应低于12.423W。效率计算（真实测量）：表1效率计算组别线电流（A）输入电压（V）输入电流(A)效率第一组2.0141.62.387.32第二组2.0241.62.291.75第三组2.0241.72.387.55-2-三三三、、、电电电路路路与与与程程程序序序设设设计计计1.电电电路路路的的的设设设计计计（1）系统总体框图图1:系统总体框图（2）逆变器主电路和元器件选择图2:逆变电路1由于逆变电路2（见附录）与逆变电路1（图2）主要器件吻合，故意不作详解。1场效应管的选择：IRF540场效应管本设计选用拥有足够大耐压值的场效应管IRF540场效应管即33A,100V,内阻40moHm的场效应管（降低热量，保证效率），这种场效应管无论是从耐压方面考虑还是从通断时间方面考虑都能满足设计的要求。2驱动芯片的选择：采用IR2104作为它的驱动芯片，根据一定的规则进行计算分析;并在电路实验时进行调整,使电路工作处于最佳状态。该芯片的优点是结构简单性能可靠并且能即大的提升电路的稳定性且降低了设计难度。-3-3电容的选择：自举电容1uf，在VB、VS间的自举电容上的电荷，由于开通时需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷,为保证自举电容有足够的电荷，以满足栅极所需要的电荷量再加上功率器件稳态导通时漏电流所失去的电荷量.因此,从最窄导通时间为最小值考虑,自举电容应足够小。4二极管的选择：采用1N4148，因为二极管是一个重要的自举器件,应能阻断直流干线上的高压,其承受的电流是栅极电荷与开关频率之积,为了减少电荷损失,因此应选择反向漏电流小的快恢复二极管。（3）电源及保护电路图3:过压保护电路输入电压由开关电源供电，故不作详述。2.程程程序序序设设设计计计（1）程序功能描述1按键程序：按键程序中主要是控制机器的逆变H桥的工作的使能，按第一下，H桥工作，再按下后取反，H桥停止工作。2SPWM算法设计：在定时器中断程序中，通过查表（见附录）的方式，得到一个单极性SPWM波形。具体而言，是设定好50HZ输出正弦波输出频率，一个正弦波分辨率为300，这300个数据对应的是一个正弦波中的SPWM的占空比。那么每个占空比保持的时间是：(1/50/160)125us使得其输出三个相位，相移120o的正弦波形的话，那么三个波形的起始位就是0，100，200。设置为每66.666us进入一次中断循环就得到一个3个完整，相移120o的SPWM波形。经过LC滤波器后，就得到3个完美的正弦波。主要程序截图（详细见附录）：-4-图4:关键代码截图（2）程序流程图图5:中断程序流程图四四四、、、系系系统统统测测测试试试及及及结结结果果果分分分析析析1.测测测试试试方方方法法法-5-图6:测试方法示意图2.测测测试试试仪仪仪器器器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。系统测试主要使用的仪器：（1）示波器：SDS1102CNL/100MHz/1GSa/s（2）万用表：VICTOR数字万用表VC890C+（3）可调开关电源：（供电）开关电源（S-250-24）*2五五五、、、实实实验验验数数数据据据分分分析析析与与与结结结论论论在基础要求上（已完成）：（1）满足有效电流I0时，线电压有效值Uo=24V，频率为fo为50Hz。（2）交流母线电压总谐波畸变率（THD）不大于3%。（3）逆变器1的效率h大于87%。在发挥部分上（已完成）：（1）当逆变器1和逆变器2共同向负载输出频率时候，使其负载线电流有效值Io达到3A，频率Io为50。（2）负载线电流有效值Io变化在1到3A间变化时，逆变器1和逆变器2保持1:1分配。（3）完成有其它显示部分（直流电压源显示、以及LED通断显示）。结论：本电路结构简单，功能基本完成，性能优良，除个别指标外均已到达并超过了题目的要求。保护电路完善，使用更加安全。由于时间紧张，本电路有尚不足知足，比如负载调整率的实现，这些都是我们以后努力和改进的方向。六六六、、、参参参考考考文文文献献献[2]王兆安.刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社,2009.[3]刘平.STC15单片机实战指南（C语言版）[M].清华大学出版社,2016.-6-七七七、、、附附附录录录源程序及原理图/****************晶振：24MHz****************/]includeSTC15F2K60S2.H]includeintrins.h/*usenop()function*/]defineucharunsignedchar]defineuintunsignedint]defineADCFLAG0X10]defineCCPS00x10//PSW1.4]defineCCPS10x20//PSW1.5ucharcodepwm[]=f127,124,122,119,116,114,111,108,106,103,100,98,95,93,90,87,85,82,80,77,75,73,70,68,65,63,61,58,56,54,52,50,47,45,43,41,39,37,36,34,32,30,28,27,25,23,22,20,19,18,16,15,14,12,11,10,9,8,7,6,5,4,4,3,2,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,2,3,4,4,5,4,7,8,9,10,11,12,14,15,16,18,19,20,22,23,25,27,28,30,32,34,36,37,39,41,43,45,47,50,52,54,56,58,61,63,65,68,70,73,75,77,80,82,85,9,87,90,93,95,098,100,103,106,108,111,114,116,119,122,124,127,130,132,135,138,140,143,146,148,151,154,156,159,161,164,167,169,172,174,177,179,181,184,186,189,191,193,196,198,200,202,204,207,209,211,213,215,217,218,220,222,224,226,227,229,231,232,234,235,236,238,239,240,243,244,245,246,247,248,249,250,250,251,252,252,253,253,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255,254,254,254,253,253,252,252,251,250,250,249,248,247,246,245,244,243,242,240