2017年全国大学生电子设计竞赛-微电网模拟系统(A题)

微电网模拟系统（A题）【本科组】一、系统方案本系统主要由逆变模块、控制模块、检测模块、电源模块组成，下面对逆变器主电路方案和PWM控制信号方案进行论证。图1微电网模拟系统结构示意图1、逆变器主电路方案根据要求，初步得到以下两种可行的逆变器主电路方案。方案一：晶体管三相桥式逆变器逆变器采用120°导通型的工作方式对换流的安全有利，但晶体管的利用率较低，用于控制120°导通型逆变器的导通角控制电路可采用硬件方式自动产生控制信号；也可采用微处理器的并行接口通过软件方式产生控制信号。方案二：晶闸管构成的三相桥式逆变器180°导通型逆变器正常工作的必要条件是可靠的换流，由于逆变器的输入是直流电源，一般晶闸管不能通过控制门极电压将它关断换流，因此必须采用强迫换流的方法。通过比较，我们选择方案一。2、PWM控制信号产生方案逆变器需要SPWM和PWM作为控制信号驱动开关管，并通过调节其的输出达到控制电路功能的目的。通过讨论，共得到两种产生方案。方案一：硬件调制产生可使用开关电源控制芯片产生PWM作为控制信号，只需要对控制信号进行采样反馈，与基准源比较，产生调制信号，调制信号与锯齿波比较，产生PWM对主电路进行控制。这种方案控制电路的逻辑单一，单个控制芯片难以同时作为恒流源和恒压源的控制核心。方案二：数字控制产生直接数字控制产生PWM控制信号的方案，通过单片机直接产生PWM信号，通过软件的方法实现，便于提高PWM信号的质量，易于进行补偿。同时由于PWM信号的调制和产生在单片机内部通过软件实现，硬件电路得到简化。同时，单片机能进行更复杂的逻辑运算，可较为翻遍地实现更复杂的功能。通过比较上述两种方案，我们采用第二种方案，来方便、快捷的产生PWM信号。它没有模拟电路的温漂，干扰等问题，通过软件控制可以实现较高的精度，同时系统的升级改造也很简单，便于扩展。二、系统理论分析与计算1、逆变器提高效率的方法本系统的损耗主要在开关器件的损耗，以及滤波电感电容损耗。因此提高效率的重点在于减小这两处器件的损耗。在设计中采取了以下措施来提高效率，使得最终测试的逆变器器的效率达到90%以上。使用MOSFET管来替代续流二极管，三路SPWM同时控制六个MOS管开通关断，实现续流的功能，开关器件选用低通态电阻的MOSFET，减小通态损耗。软开关通过在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，就可以消除开关过程中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，从而大大减小甚至消除开关损耗。同时的，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。滤波电感采用4股0.5mm的铜线绕制，降低电流密度以减小铜损耗。工作磁通设置到较低的值，减小磁芯的涡流和磁滞损耗。2、两台逆变器同时运行模式控制策略当两台逆变器同时运行时，要求逆变器1和逆变器2能共同向负载输出功率，使负载线电流有效值I0达到3A，频率f0三、电路与程序设计1、逆变器主电路与器件选择（1）系统总体框图DC-DC电源逆变器负载DC-DC电源逆变器负载PWM电流电压检测SPWMPWM电流电压检测SPWMSTM32STM32图2系统总体框图（2）逆变器主电路 逆变模块的逆变器采用晶体管三相桥式逆变器，如图3所示。图3晶体管三相桥式逆变器逆变模块的驱动电路采用IR2104驱动模块，如图4所示。图4IR2104驱动模块（3）器件选择1、晶体管的选择：采用IRF540场效应管。2、驱动电路选择：采用IR2104驱动电路。（4）电源 逆变器的供电电路采用DC-DC模块，如图5所示。图5DC-DC模块2、控制电路与控制程序（1）控制电路电流检测电路和电压检测电路分别如图6、图7所示。图6电流检测电路图7电压检测电路（2）程序功能描述利用STM32内部集成的16位高精度的ADC进行采样，采样电流、电压值。采样得到电流、电压值后通过PID算法控制PWM的占空比，进而调节DC-DC模块的输出电压，使负载线电流值电压值等达到要求。输出三相SPWM波控制逆变器工作片开关模式。（3）程序流程图程序流程图如图8所示。开始开始检测开关状态检测开关状态恒流程序恒压程序恒流程序恒压程序检测电流比检测电流比例例检测线电压PID算法PID算法PID算法改变占空比改变占空比改变占空比图8程序流程图四、测试方案与测试结果1、测试方案首先，将硬件主电路分成两个模块分开测试，测试输入电压、电流与输出电压、电流之间的关系。经测试各模块符合要求后，加入控制模块进行测试，最后将各个模块合并再次进行测试，分别以此测试所要求项目。2、测试条件与仪器测试条件：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。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。3、测试结果及分析（1）测试结果根据测试，可以得出以下结论：1、负载线电流有效值I0为2A时，线电压有效值U0为24V±0.2V，频率f02、逆变器1和逆变器2能共同向负载输出功率，使负载线电流有效值I0达到3A，频率f0为3、其他参数测试分析计算后都基本符合设计要求。综上所述，本设计不仅满足了题目要求的功能，并且实现了几项发挥功能。（2）分析总结本设计根据大赛题目功能要求，选择逆变器作为主拓扑，STM32F103RCT6单片机进行控制，实现了题目要求的各项功能并达到了相应的精度。在方案确定时，队员进行了反复的理论分析以确保电路可以实现要求的所有功能。同时，通过电路的设计和单片机程序控制尽量减小测量和控制的误差，以保证精度。并且通过硬件与软件的设计最大的减小能量损耗，提升整体效率，使之高于题目要求的指标。在规定的时内，我们完成了电路的设计，调试及设计报告。在设计和调试过程中，我们遇到了许多的问题和困难，但最终都得以解决，得到较为理想的效果。这得益于队员努力与合作。参考文献：[1]

张国雄.测控电路[M].北京:机械工业出版社,2014.[2]

王兆安.电力电子技术[M].北京:

机械工业出版社,2010.[3]

童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006.[4]

谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012.附录1：电路原理图附录2：单片机最小系统附录3：源程序PID算法：floatpidCoefficients[3];floatUi[2],controlOutput;floatERR[2];voidpidbegin(floatkp,floatki,floatkd){Ui[0]=0;Ui[1]=0;ERR[0]=0;ERR[1]=0;controlOutput=0;pidCoefficients[0]=kp;pidCoefficients[1]=ki;pidCoefficients[2]=kd;}voidpid(floatreferenceInput,floatmeasuredOutput){ floatUd,regesister; ERR[0]=referenceInput-measuredOutput; Ui[0]=Ui[1]+ERR[0]*pidCoefficients[1]; Ud=(ERR[0]-ERR[1])*pidCoefficients[2]; regesister=ERR[0]*pidCoefficients[0] +Ui[0] +Ud; if(regesister>=0) { if(regesister>141) { controlOutput=141; } else { controlOutput=regesister; } } else { controlOutput=0; } Ui[1]=Ui[0]; ERR[1]=ERR[0];}ADC采样，加滤波：floa