“2013年全国职业院校技能大赛”高职组电子产品设计及制作赛项下发资料例题1

2013 年全国职业院校技能大赛（高职组） “电子产品设计及制作（电力电子技术应用）”项目竞赛样 题 题目:交流变频器的设计与制作 一、竞赛任务 按赛题要求，利用所发的技术资料、元器件及器材完成交流变频器的设计、装调和技术 文件撰写任务；进行 MSP430F5438A 的软件设计，完成交流变频器的设计及制作。 1. 根据所给资料分析交流变频器的工作原理和功能要求； 2 根据赛题所给的交流变频器原理图和印刷线路板约束条件，利用 Altium Designer 软件绘制交流变频器的印刷线路板图； 3完成赛项提供的印刷线路板焊接任务； 4利用赛项提供的机箱及套件完成简单的结构设计，包括开关、电路板、插座的安装 及箱内走线的规划； 5完成交流变频器的安装与调试，使其达到规定的技术指标，实现交流变频器的正常 工作； 6完成 MSP430F5438A 单片机软件的编程设计，使其达到规定的功能要求； 7编写设计文件：包括电路原理图、印刷线路板图、系统框图、程序流程图和程序清 单； 8编写工艺文件：包括工艺流程图、元器件清单、电气安装连接图(表)、调试工作单 和仪器仪表明细表； 9编写产品使用说明书； 10依据赛项所给电子产品设计及制作赛项竞赛工作报告撰写基本要求，编写电 子产品设计及制作赛项竞赛工作报告 （简称竞赛工作报告 ） 。 二、竞赛时间 竞赛时间为 8：0018：00，总计 10 小时，含指导教师和选手交流时间、选手用餐时 间。 三、功能要求与技术指标 1原理说明 变频器是利用电力半导体器件的通 断作用将工频电源变换为另一种频率的 电能控制装置，能实现对交流异步电机 的软启动、变频调速、提高运转精度等 功能。实际应用最广泛的是交-直-交变频 器（简称 VVVF 电源） ，交-直-交变频器 是由 AC-DC、DC-AC 两类基本的变流 电路组合形成，先将交流电整流为直流 电，再将直流电逆变为交流电。交流变 频器的设计采用 MSP430F5438A 为 图一 交流变频器装置机箱参考图形 CPU，由 MSP430 产生 6 路 SPWM 波形，经过 IPM 模块电路来实现对三相交流电机的开环 控制。 2功能实现 交流变频器要求实现对三相交流电机速度的开环控制。 交流变频器由 MSP430 单片机电路、数码管显示和键盘电路、二极管整流电路、二极管 整流保护电路、IPM 模块电路等几部分组成。MSP430 控制部分采用 TI 公司的 MSP430F5438A 为主控芯片；数码管显示和键盘由 MSP430 直接控制；220V 整流由二极管 整流电路及二极管整流保护电路控制；IPM 模块电路由 MSP430 直接产生多路 SPWM 脉冲 来控制，实现对三相交流电机的有效控制。 印刷线路板绘制 根据赛题所给的交流变频器的原理图和印刷线路板外形要求，利用 Altium Designer 软 件绘制交流变频器的印刷线路板图，线路板设计须采用双层板，线路板分为主控板及人机接 口两块板。 线路板约束规则要求：最小间距 8mil，最小线宽 10mil，过孔最小孔径 15mil，过孔最 小直径 30mil。 印刷线路板外形约束条件、交流变频器原理图及原理图中各元器件封装库文件在所发的 光盘中，设计文件在“交流变频器 PCB 设计文件（Altium） ”文件夹中。 交流变频器的装调 交流变频器的装调工作要求在如图一所示的同规格机箱中完成。安装套件包括机箱、前 面板、后面板、固定底板、DCP-200-A （MSP430F5438A 核心板） 、DCP-202-A （ 数码管显 示和键盘电路） 、MCLMK-226-A-1（二极管 26-A-1（二极管整流电路） 、MCLMK-226-A- 2（二极管整流保护电路） 、MCLMK-229-A（IPM 模块电路）均采用参赛队自带的线路板， DCP-202-A （数码管显示和键盘电路板）为散件，需参赛队自己焊接，焊接板 13:00 上交 统一评分，评分后返还。参赛队员需自行完成交流变整流电路） 、MCLMK-226-A-2 （二极管 整流保护电路） 、MCLMK-229-A（IPM 模块电路） 、以及必需的电气附件。 其中 DCP-200-A（核心板） 、MCLMK-2 频器机箱内的结构设计和装调工作。 交流变频器的前面板需安装训练板 DCP-202-A（ 数码管显示和键盘电路板） 。安装可参 考下发光盘文件的实物照片。交流变频器前面板的布置如图二所示： 图二 交流变频器装置前面板示意图 交流变频器的后面板需安装一个电源开关、一个带保险丝电源插座、电机驱动线插座及 3 一个+12V 电源插座，其中 +12V 电源用于核心板、显示键盘板和二极管整流保护电路板，电 机驱动线插座用于三相交流电机。后面板的布置如图三所示： 图三 交流变频器装置后面板示意图 交流变频器程序功能要求 交流变频器可通过 DCP-202-A（ 数码管显示和键盘电路）左下角的四个按键 （SW1SW4 ）设置相关参数，可以实现交流变频器对三相交流电机速度的控制。 SW1 和 SW2 为启动与停止按键，分别用于电机启动和停止的控制；SW3 为设定增加按 键；SW4 为设定减小按键。具体要求实现如下功能： 1 设定功能 按上升“”键或下降“”键可以设定交流变频器载波频率，范围在 5.0KHZ50.0KHZ， 设定值在左边四个数码管的后面三个显示，单位 KHZ；右边四个数码管后面三个为正弦波 调制信号频率，单位 HZ；如果载波频率改变了，调制信号频率也会相应的改变。 2 起停功能 按起动功能键可实现交流变频器的起动功能，按停止功能键可实现交流变频器的停止功 能，在开机时控制器要处于停止状态，载波频率和调制信号频率均显示“00.0” 。启动前后 均可设定交流变频器的频率，启动之后频率越高，电机旋转越快。 人机交互要求 要求前面板数码管显示清晰，稳定，无阴影，频率最高位消隐；根据功能要求显示不同 的数值。按键去抖，避免按键错误判断。 3功能的分步实现 本赛题包含印刷线路板设计、交流变频器系统装调、技术文件编写和交流变频器软件编 写几方面内容，参赛队在设计及制作时可分步完成各项内容。 在 MSP430F5438A 软件设计时，可以采用训练板先行搭建交流变频器系统，实现赛题 规定的功能要求，功能要求也应分别实现参数的设定和控制。 在参赛队自己焊接的 DCP-202-A（ 数码管显示和键盘电路板）不能正常工作时，可以 采用参赛队自带的成品训练板代替，但会影响参赛队的得分。 四、技术文件要求 要求技术文件的对象是参赛队装调的交流变频器。 技术文件包括设计文件（系统框图、电路原理图、印刷线路板图、程序流程图和程序清 单） ；工艺文件（包括工艺流程图、元器件清单、电气安装连接图(表)、调试工作单和仪器 仪表明细表）以及产品使用说明书。 五、上交方式（光盘共两份） （1）要求各参赛队把 PCB 电子文档刻录到自带的 CD 光碟之中（参赛队自带的电脑需有 刻录 CD 光碟功能） ，提交的截止时间为竞赛当天下午 15:00。 （2）要求各参赛队把技术文件刻录到自带的 CD 光碟之中，提交的截止时间为竞赛结束 时。 六、评分标准 一级指标 比例 二级指标 比例 PCB 设计赛项 25% 按赛题约束条件