2017电子竞赛重庆赛区

报告沿此线装订 折 叠 线 2017年全国大学生电子设计竞赛（重庆赛区“TI杯”）设计报告学校：重庆工程学院参赛队员：陈敬穆、李桃桃、陈宁佳参赛编号：260所选题目：微电网模拟系统（A题） 此处由赛区组委会统一粘贴 （此页为正面）注：本页格式不能修改（此页为背面）设计报告摘要本文设计的微电网模拟系统是一种以PIC16F1937单片机为核心的，PWM逆变电源，单片机通过自然数查表法控制内部的两路硬件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。其正弦波输出频率由单片机内部程序控制调节。此外本系统外接按键及液晶屏，按键能设定电源开始与停止，液晶屏能实时显示输入电压及输出电流，输出正弦波的频率，使系统的安全及稳定得到了很大提升。经过实测，本设计达到了赛题基本部分和发挥部分的全部指标，并在部分指标上超过赛题的要求。关键词：SPWM，双极性调制，三相逆变，PIC单片机AbstractsInthispaper,designofmicrogridsimulationsystemisakindofPIC16F1937single-chipmicrocomputerasthecoreofSPWMinverterpowersupply,microcomputercontrolledbynaturalNumberslook-uptablemethodwithinthetwohardwarePWMmoduletogenerateSPWMpulsesignals,drivenbydualpolaritymodulationschemethree-phasefullbridgeinvertercircuit,theoutputbytheLClowpassfilterfilter,finallygetsteadysinusoidalalternatingcurrent(ac)ontheload.Thefrequencyofthesinusoidalwaveoutputiscontrolledbythemicrocontrollerinternalprocedure.InadditionthesystemexternalbuttonsandLCDscreen,cansetupthepowerstartandstopbuttons,LCDscreencanreal-timedisplaytheinputvoltageandoutputcurrent,outputsinewavefrequency,makegreatlyimproveditssecurityandstabilityofthesystem.Afterthetest,thedesignachievesthebasicpartofthegameandthefullmeasureofthepart,andexceedstherequirementofthetestonsomeindexes.Keywords:SPWM,bipolarmodulation,three-phaseinverter,PICsingle-chipmicrocomputer、方案设计与论证1.逆变器的设计方案一：电流型逆变器。其中间部分利用的是大电感进行滤波，导致输入电流的特点是阻抗大电流平，类似电流源。但该方案电压利用率较低。方案二：电压型逆变器。其中间部分利用大电容进行滤波，导致输入电压阻抗小且电压平直，类似电压源。其特点是由电压型直流电源供电的逆变电路，具有结构简单、谐波含量少、定转子功率因数可调等优异特点。为了更加适应竞赛题目要求，满足稳定三相对称交流电输出以及交流母线电压总谐波畸变率更小，经综合考虑本设计选取方案二。2.逆变器调压设计方案一：可控整流器调压。通过负载对电压的要求，使用可控的整流器来完成对逆变器输出电压的调节。方案二：直流斩波器调压。在确定逆变器的电源侧有较高功率的情况下，通过不可控整流器可以在直流环节中通过设置改变直流斩波器来进行对电压的调节。方案三：逆变器自身调压。采用不可控整流器的前提下逆变器能用自身的电子开关进行斩波控制以得到脉冲序列，通过改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，完成对输出的电压的调节，该方法又被称为脉冲宽带调制（PWM）。可控整流器调压方式与直流斩波器调压方式能够完成逆变器输出电压的调节，但PWM调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，且PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。综上所述，本组采用方案三脉冲宽带调制（PWM）。二、理论分析与计算1.逆变器的工作原理正弦波逆变器的电路构成如下:如图2.1所示，本电路由两部分组成，整流部分采用不可控的二极管将交流变成直流。然后用电容进行滤波，整个过程无论是从结构上还是性能上都能满足设计要求。最后直流变交流的部分为逆变部分，LC滤波是为了滤除高次谐波，得到正弦波。而逆变器因为它输出的电压和频率与输入的交流电源无关所以为称为无源逆变器，它是正弦波逆变电路的核心。因此，本系统采用三相桥式逆变电路，用PWM控制调节输出电压及频率的大小。PWM波形获取PWM波形可通过计算获得或通过调制获得，前者根据正弦波的系列数据进行精确计算得出每个脉冲的宽度每个脉冲及间的间隔，以此来操控开关器件的通断来得到PWM波形；后者把调制信号比作想要输出的波形，通过对信号进行调制来得到想要的PWM波形。电路原理图从图2.2中可以得知，直流电输入后，先通过2个电容串联构成的滤波电路，得到输入电压的一半作为中点电位，作为三相输出的参考地。在逆变的部分采用了6个金属氧化物半导体管（即MOS管）组成了一个三相桥式逆变电路，最后使用双极性的调制方式进行调制，输出的SPWM波形过经电感、电容组成的LC滤波器滤除高次谐波，最后在负载就能获得三相的纯正弦波交流电压输出。2.2主回路原理图2.2主回路原理图母线检测电阻由于在电机运行过程中，可能会产生电网电压波动的情况，如果电网低于某个数值时，可能会损坏正在运行的用电器，所以需要对母线电压进行检测，由于ulM=12V，而单片机的采样电压最高位5V，故采样电阻比例R+R~^R5.一.、 一 一 5本系统取R+R~^R5.一.、 一 一 5本系统取R1和R5是470K和4.7K100+101011当311V输入时，单片机检测到的电压是，Vout4=12x10100+101.09V⑴(2)⑶驱动电路的选择半桥式驱动电路，本全桥驱动电路采用IR2104作为它的驱动芯片，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。该芯片采用被动式泵荷升压原理。上电时，电源流过快恢复二极管D向电容C充电，C上的端电压很快升至接近Vcc，这时如果下管导通，C负级被拉低，形成充电回路，会很快充电至接近Vcc，当PWM波形翻转时，芯片输出反向电平，下管截止，上管导通，C负极电位被抬高到接近电源电压，水涨船高，C正极电位这时已超过Vcc电源电压。因有D的存在，该电压不会向电源倒流，C此时开始向芯片内部的高压侧悬浮驱动电路供电，C上的端电压被充至高于电源高压的Vcc，只要上下管一直轮流导通和截止，C就会不断向高压侧悬浮驱动电路供电，使上管打开的时候，高压侧悬浮驱动电路电压一直大于上管的S极。采用该芯片降低了整体电路的设计难道，只要电容C选择恰当，该电路运行稳定。故满足本设计要求的简单的结构和稳定的电路。图2.3基于IR2104的半桥驱动电路电流检测电路要实现对输出电压和电流的闭环控制，必须对输出电流和电压进行采样反馈。本设计采用如下图所示的电流电压检测电路。为了便于MCU采集，分压电阻产生的电压经过由LM358构成的同相比例放大器放大后，输入到MCU的ADC端口。R22图2.4电流检测电路为了使用者的安全，我们设定保护电流为2A，即电流超过2A，系统进入保护状态。本设计采用电阻分压的方式对各个开关电源模块的输出电压进行检测，由于采样电压直接输送

给单片机10位ADC进行检测，单片机所能检测的最高电压为5V,358由5V电压供电，最大输出电压和供电电源电压之前有1.2V压差，所以能输出最大电压为：V=5V-1.2v=3.8V2A电流经过0.025Q电阻得到的电压为V=2Ax0.025Q=0.050V该电压要经过放大后才能更容易被单片机检测到，在这个应用中运放的放大倍数应该小3.8V6c2 0.050V76这里选择R22和R20为33K和3.8V6c2 0.050V76这里选择R22和R20为33K和1K，放大倍数为R22+R2033k+1kR201K3461=11<62=70,符合设计要求。即当电流为2A时，运放输出电压为V=0.050*34=1.70Vout(6)⑺(8)四、测试方案与测试结果4.1测试方案测试工具：示波器、功率分析仪测试步骤：第一步：将双通道示波器的两个探针接在单片机输出PWM的引脚上；第二步：记录波形数据；第三步：改变单片机输出SPWM的频率，返回第一步操作，直到调出50HZ的SPWM波形测试完。4.2测试结果表1测试数据负载1负载2负载3负载4负载5负载6负载线电流有效值I02A2A2A2A2A2A线电压有效值U024.1V23.8V24.2V23.9V24V24.1V频率f050Hz50.1Hz49.8Hz50.2Hz49.9Hz50.1Hz由以上测试结果可知：(1)闭合S，仅用逆变器1向负载提供三相对称交流电。负载线电流有效值Io为2A时，线电压有效值Uo满足24V+0.2V的要求，频率fo满足50Hz±0.2Hz的要求。在1的工作条件下，交流母线电压总谐波畸变率(THD)为2.67%，满足设计zhibiao要求。在1的工作条件下，逆变器1的效率为91%，满足设计指标要求。逆变器1给负载供电，负载线电流有效值Io在0〜2A间变化时，负载调整率SI1为0.27%，满足设计指标要求。总结：经测试，本设计各项指标均满足并超过设计指标要求。五、参考文献[1]卢旭锦，王永强.基于ATmega8单片机控制的正弦波逆变电源 [J].现代电子技术,2013,36(08):149-152.[2017-08-11].⑵谈扬宁,朱兆优，王海涛.基于PICFxx单片机控制的正弦波逆变电源[J].电子元器件应用,2009