电子设计结题报告-2011黑龙江省赛

加密号：学校编号：加密号：学校编号：HIT-E-36加密号：学校名称：哈尔滨工业大学队员姓名：张清文黄晓毅张晓辉赛点负责人:王立欣教务处章2008本文设计了一种基于单片机实现的24V交流单相在线式UPS系统。该系统的硬件单元包括整流电路、逆变电路、辅助电源电路、蓄电池供电电路和ARM微控制器电路。采用了单相全桥逆变电路，效率高，驱动电路的设计也具有可靠性高，速度快等特点。选择了UC3906设计了蓄电池的充电电路，能够满足题目的不过充，充电电流等方面的要求。PWM波由ARM芯片控制产生，波形可靠，稳定。实验表明，在36VAC和36VDC两种情况下，输出电压能稳定于24V，且电压调整率，负载调整率高，输出波形失真度小，具有过流和欠压保护功能，效率较高。关键词：32位微处理器；IR2110；SPWM1设计任务本题要求设计并制作输出电压为24VAC在线式不间断电源，结构框图如图1所示。图11.1基本要求（1）在交流供电U1=36VAC和直流供电U3=36VDC两种情况下，保证输出电压U2=24VAC，且保证其频率为50±1Hz，额定输出功率80W；（2）切断交流电源后，在输出满载情况下工作时间不少于2分钟；（3）交流供电时，电源达到以下要求：电压调整率：满载条件下，U1从29VAC增加至43VAC，U2变化不超过5%；负载调整率：U1=36VAC、U2=24VAC，从空载到满载，U2变化不超过5%；（4）直流供电时，满载条件下，效率不低于65%（）；（5）具有输出短路保护功能。1.2发挥部分（1）交流供电时，将电压调整率和电压调整率提高至2%，条件同基本部分；（2）直流供电时，在满载条件下，将效率提高至80%；（3）满载条件下，输出正弦波失真度不大于5%；（4）具有给蓄电池充电功能，充电电流不小于0.1A，充电电路对蓄电池不能过充；（5）具有欠压保护功能：当蓄电池的放电电压≤29V时整机自动保护停止工作；（6）其他。2方案论证和比较2.1功率开关器件的选择方案一：采用绝缘栅双极晶体管IGBT。方案二：采用单极型电压驱动器件电力MOSFET。IGBT虽集合了GTR和MOSFET的优点，具有多种良好的特性，但在本文的设计中，功率要求不高，MOSFET已足够，且成本低。此外，MOSFET的开关速度较IGBT高，开关损耗低，故本文选择了MOSFET。2.2MOSFET的驱动部分方案一：自行搭接驱动电路。前级为推挽式，后级采用隔离变压器进行控制电路与主电路之间的隔离。方案二：采用专为驱动MOSFET设计的集成驱动电路。方案一原理简单，但在实际的设计过程中可靠性不高，输出波形不好，不能保证器件的可靠导通和关断，并且逆变采用全桥时需要4个同样的驱动电路，设计累赘，布线复杂，调试难度加大。脉冲变压器虽然有原副边绝缘强度高，共模干扰抑制能力强的优点，但信号的最大传输宽度受磁饱和特性的限制，信号的顶部不易传输，且最大占空比受到限制，体积较大，加工复杂。方案二采用集成的驱动芯片优点是输出波形较好，可靠性高，易于调试，电路设计较简单，效率较高。本文采用了驱动半桥的IR2110，它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离的优点（速度快），且自举电路的设计减少了驱动电源的数目。综合以上因素考虑，方案二较好。2.3逆变电路的设计方案一：采用半桥逆变电路。方案二：采用全桥逆变电路。选择半桥电路设计简单，易于实现，且采用驱动芯片IR2110的经典电路就可完成，但它的突出缺点是效率不高，而题目对效率的要求较高，故本文选择由2个IR2110驱动的全桥逆变电路，效率高，设计也较简单，易于调试。2.4辅助电源芯片的选择方案一：采用7805；方案二：采用LM2575；7805是最常用的一种稳压芯片，但它的功耗很大，输出电压不稳定，可靠性不高。实测过，在输入15V时，输出为6.4V，这在本文的设计过程中是不允许的。而LM2575内部集成了一个固定的振荡器，只需极少外围器件就可构成高效的稳压电路，保护电路完善，功耗小。输入电压范围大（0-63V），输出电压可调，在本文的设计中，由2575提供稳定的15V和5V电源电压供ARM芯片等部分使用，足可保证稳定性的要求。故采用辅助电源芯片选择LM2575。2.5单片机的选择常用的微处理器基本都可实现本文的设计要求，但仍有各自的特点，各项功能如表1所示：表1微处理器类型处理速度开发周期价格应用场合普通8位单片机慢短适中低端ARM适中适中适中低端和高端DSP快长较贵高端表1可以看出，普通单片机运行速度慢，而DSP开发周期长，价格较高，故本文选择ARM芯片，型号为“STM32F103x”，它是基于CortexTM-M3内核的32位微处理器，最高工作频率可达72MHz，内部集成了2个16通道的12位AD转换器，3个16位定时器，多达6路PWM输出，性能高，且价格便宜。2.6死区的设计方案一：软件编程控制。方案二：硬件实现。显然，硬件实现的稳定性高，调试简单，且软件编程较复杂，实施起来麻烦。故选择硬件实现死区的控制。2.7正弦脉宽调制SPWM的产生方案一：可采用模拟和数字电路等硬件电路产生SPWM。方案二：利用微控制器来实现SPWM的数字控制。比较这两种方案，前者控制电路复杂，抗干扰能力差。后者控制电路简单，运算速度快，精度高，抗干扰能力强。本系统采用后者来实现SPWM。3系统设计3.1总体设计方案描述综合上述方案的分析，整体设计方案如下：市电（220VAC）经降压后为（36VAC）,采用电容滤波的单相不可控整流电路后，可输出波形较好的直流电压，再经过由MOSFET组成的全桥逆变电路，负载输出为2个（24V，40W）的灯泡，电路设计成闭环，可满足题目要求的负载调整率，以及电压调整率。采样放大器芯片采用了单电源供电的LM358，且用电压互感器做隔离，采样较好。市电和蓄电池的切换部分设计在整流滤波后，由ARM控制继电器的吸合来完成，且可靠性高。蓄电池的充电电路采用了专为蓄电池充电的芯片UC3906，电路设计简单，充电电流满足题目要求，且不会过充。此外，由ARM芯片进行了过流保护以及欠压保护控制，同时实现了SPWM的数字控制。3.2系统总体框图图24硬件部分分析与计算4.1整流滤波整流电路按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。基于本题小功率单相交流输入的这一特点，采用电容滤波的单相不可控整流电路。电路设计如下：整流电路整流电路图3由理论分析可知，输出电压满足关系式：Ud≈1.2Uc（4-1）由负载功率可知，输出电流有效值大约为3.33A，故采用的二极管最大整流电流为10A，滤波电容为470uF、500V的电解电容。由式（4-1）可知，在输入为29V-43V时，整流后输出电压大约为34.8V-51.6V，此部分的电压即为逆变电路的直流干线电压。4.2驱动、逆变电路MOSFET选用的型号为“IRFP460”，它的IDmax=20电路图如下所示：图4MOSFET栅源反并联的稳压二极管作用是保证栅极电压不会过高，以防止烧坏MOS管。1K电阻的作用也是为了保证MOS管不会直通，因为MOS管在无驱动信号的时候，默认DS是连通的。MOS管后反并联的二极管选择的是快恢复FR107，一是为了续流，而是为了使MOS管快速导通。与之并联的吸收电容为高压电容，作用是稳定电压，同时可保证IR2110不会因电压过高而击穿损坏。全桥逆变电路由两个相同的半桥组合而成。4.2.1自举的原理在电路图中，C14和D9分别为自举电容和二极管。C32为VCC的滤波电容。当HIN为高电平时，自举电容通过内部的MOS管以及栅极电阻，为上桥臂的MOSFET的栅极电容充电，此时自举电容相当于一个电压源。当LIN为高电平时，下桥臂导通，VCC通过自举二极管给自举电容充电，自举电容电压≈VCC，当HIN的高电平到来时，C14放电，如此往复循环。为使快速充电，自举二极管选择的是快恢复二极管FR107，速度快。4.2.2自举电容的选择MOS管在开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷，假定在器件开通后，自居电容两端电压比器件充分导通所需要的电压（10V，高压侧锁定电压为8.7V）要高，再假定在自举电容充电路径上有1.5V压降，再减去由泄露电流引起电压降，自举电容的选择公式为:C>2Qg/(VCC-10-1.5)(4-2)查表可知，IRFP460充分导通时所需要的栅电荷为120nC，VCC=15V，故自举电容选择为475。4.3死区电路设计采用74HC04组成的死区电路图如下所示：图5输入为ARM产生的PWM波，输出为互补的两个PWM波，与控制全桥导通的2个驱动连接。（见附录）输入为方波时，死区的输出波形调至如下图所示：图64.4辅助电源电路采用的是LM2575。这个芯片具有只需很少的外围电路就可输出稳定电压的特点，输入电压0-60V可调。由4.1整流电路的分析计算可知，整流后的电压最高位50多伏，故此芯片的优势可见一斑。具体电路如下所示：图7可调节R5，输出电压可变。在此需要输出稳定的15V和5V电压。4.5充电电路的设计根据发挥部分的要求，充电电流不得小于0.1A，不能过充。故采用UC3906的两种充电状态的快充电电路。充电电路如图所示：图8充电输入电源最大为40V，而根据4.1的计算结果可知，加到此处的电压最大可达51.6V，故选择39V的稳压管稳压。为提高充电电路的工作效率，采用了PNP外接功率晶体管。计算公式如下：（4-3）（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）根据题目要求，VF=36V，设RSM=2欧，RC=51K，可由公式算出RA=747K，RD=447K，此时充电电流为0.22A。4.6采样电路的设计由于电路中只能提供单电源，故采用了单电源供电的LM358运算放大器，并且设计了用电压互感器进行的隔离，选择的是型号为“HPT205NB”的互感器。电路图见附录A。4.7市电，蓄电池切换部分电路由继电器控制，电路图如下所示：图9继电器的吸合由ARM控制。当ARM检测到市电断电，输出低电平控制继电器的开关打到蓄电池的方向，蓄电池与继电器的常开触电相连，同时当蓄电池的电压降到29V时，ARM输出高电平，线圈上电，继电器的开关打到市电的方向，此时整个系统复位，实现了欠压保护。5软件部分的分析设计5.1AD采样AD采样包括四部分：市电检测，蓄电池欠压保护，短路保护，采样逆变电压作为反馈量进行控制量的调节已达到稳定输出的目的。AD部分的软件实现：利用STM32F103提供的片内12位AD进行电压采集，STM32F103的片内AD是一种逐次逼近型模拟数字转换器，共有18个通道可测量16个外部和两个内部信号源，各通道的A/D转换可以单次，连续，扫描或间断模式执行，转换时间最快可达1微秒。5.2逆变电压采样逆变电压采样：每500微秒启动一次AD注入通道的转换，将连续四次采样逆变电压值，并分别存储在四个寄存器中，采样结束后产生中断，将所得的数据进行排序除去最大及最小值再取平均作为此时的电压值暂存入数组，每个周期共采样400个点并排序求得最大及最小值相减即为峰峰值，作为反馈量控制SPWM的输出。5.3市电，蓄电池电压，短路检测每10毫秒进行一次规则通道的转换，顺序的进行6次市电电压的采样，6次蓄电池电压的检测，四次短路电流（电压）的检测，并分别进行如上简易滤波作为本次采样值，以此来作为市电与蓄电池切换，欠压保护，短路保护的依据。5.4反馈控制反馈控制：AD采集逆变输出电压的峰峰值作为反馈量，通过积分调节控制SPWM的调制度，以达到使逆变输出稳定的目的。5.5软件设计流程图106元器件清单表2名称型号数量名称型号数量控制芯片ST1电压互感器HPT205NB1驱动芯片IR21102继电器1MOSFETIRFP450474HC141负载灯泡（24V，40W）2辅助电源LM2575ADJ2蓄电池“矩阵牌”3功率电阻0.223充电芯片UC3906139V，18V稳压若干单电源运放LM3584常用电阻，电容若干7系统测试7.1测试仪器示波器一台，PC机一台，ST—linkII仿真器一台，万用表一块7.2测试内容根据设计要求，本系统需要测试以下内容（输出功率为80W）：（1）在交流供电U1=36VAC和直流供电U3=36VDC两种情况下，输出电压U2，输出