实例介绍
09年全国大学生电子设计大赛优秀作品选集。详细介绍了09年全国电赛优秀的作品。是不可多得的宝贵资料
在实际制作中,我们选用CD1046锁相环芯片,功牽WS管IRF510等性价比较高的 器件,采用基于MsP43OF169单片机的经典控制算法,较为出色地完成了各项指标要求 理论分析与参数计算 频率跟踪电路设计: Uret 鉴相器 环路滤波 压控振荡器 PLL OUT PD LF VCO 256分频 图2锁相环电路框图 利用相环C冂4046可以实现输入信号的倍频和同步,输入频率45-5H,经256 倍频后为11.52KHz-14.08KHz信号,送给单片机作为系统同步的时钟。单片机用DDS 原理产生幅度可调的正昡信号,此时钟作为D/A输出的时钟,即可追踪输入信号的相位 和频率。此正弦信号送给本设计中自闭环的DC-AC逆变器作为输入,输出电压就可以 与参考输亼Uref冋频冋相。为俫证快速锁定,需要调整R1、R2、C1的值使锁相环中心 频率稳定在5OHz。 2.MPPT最大功率点跟踪的实现 本设计采用WP130F169单片机,它有两路D/A、8路AD,可以轻松地实现连续的 电压电流采集。单片机由此数据计算出实时功率后根据MT算法自动调整,当 时通过增加系统的输入阻抗增加实际待到的输入电压U以提高功率,反之 则降低U,最终达到 的最大功率点跟踪。 3.提高效率方法 开关电源电路改计中的主要损耗包括:场效应管的导通电阻损耗和开关损耗:滤波 电路屮电感和电容的损耗。综合考虑成本和性能,本电路选用了IRF540,其导通电阻 仅为77亳欢,输入结电容为1700F。在带载额定电流1A时,全桥的静态功耗 。由于滤波电感和电容工作在高频卜,起储能释能作用 因此电感要尽减小内阻,并保留1mm磁防止饱和,电容则要选取等效串联电阻ESR 较小的高频低阻类型,以减小在电容上产生的功率损耗。本作品中所用的电感线圈为多 股漆包线并绕以减小高频下导线集肤敚应带来的损耗,并使用铁氧体材料的伭芯以减小 其磁滞损耗。电窣则选用聚丙烯电窣,它具有较好的高频特性、稳定性和较小的损耗。 4.滤波参数设计: 滤波电感使用直径36m磁罐,加1mm磁隙,用0.4mm漆包线5股并绕20匝,实测 电感为200u左右;为减小通带衰减,取截止频率为5kHz,百百倍于基频,得C=4.7uF 为进一步减小止弦波谐波分量,又用60u铁粉环电感与0.68uF电容进行了二次滤波, 最终效果比较理想。 二、电路与程序设计 DCAC电路 LL "虚短"比铰器 SPWM/浮栅驱动器 0恰半滤波 参考正弦波 功率正弦波 补偿网络 图5自振荡逆变器框图 AC逆变器由自振荡原理的D类功率放大器构成,利用负反馈的高频自激,产生 幅度较弱的髙频振涝叠加在工频信号上,经过比较器产生髙频SF硎开关信号通过浮栅 驱动器驱动MOS管半桥。 R5 4.7K +|+H1 CTAO VCC HO 12 HO1 Q IN VS ll VS1C4 I(ul IOJuh 正弦入45-51z 10uF VSS COM A6 7 LOI Q2 33K 图6DC-AC逆变器电路图 由于负反馈在工频上是稳定的,因此输出的信号的放大倍数由R2与R4的分压比决 定,而自振荡〔产生的SPw)频率可通过微调补偿网络屮的电阻、电容值来调整,实际 中综合考虑损耗和滤波电路的设计,选定频率约为28KHz左右,保证输出电压在功率电 源HDC范围内,比例放人系数选为12。 这神逆变器自身闭环,整个电路只使用个比较器,可以根据负载的变化自动调整SPW 的占空比,使输入输出电压始终成比例关系 在木设计中,使用两个上述的自振荡逆变器构成平衡桥式 ( Balanced transformer loss)DC-^C变换器,以LM393作逆变的比较器,配合自带 死区的IR21094浮栅驱动器驱动IRF540功率№os管,获得了较高的效率和极低的失真 度 2.过流保护及自恢复电路 [104 UTB R23 R2 2K 510R N5819 [7A 334 R24 LM358 R38 7.5K 91k <MCU_SD 104 R34 R30 30K 过流门限 放大,Gain=10 图7过流保护电路 电流I在采样电阻上产生的电压经过L358放大10倍后与参考电压比较,超过则 输出低电平,C7绎过二极管迅速放电,使#SD信号被拉低,泙栅驭动器输出被关闭,向 单片机报警。同时I变小,运放⊥脚(如图7)输出高电平,+5V经过R7对C7充电, 经过一段时间达到浮栅驱动器的高电平门限时,再次打开场效应管。这样可以侏证过流 时迅速关断输出,关闭一段时间后自行试探,在故障消除后可自动恢复。 3.欠压报警指示,实时显示当前入口处电压 欠压时MPT算法将自动使输出为零,功率最小。单片机实时采集电压后在液品上显 示,小于25V时报警 4.控制电路与控制程序 在功率电源入口处用470K:20K金属膜电阻分压到合适电压后进行电压采样,电流则 由40毫欧电阻高端采样后经隔离差动放大器HCPL7800放大后再由仪表放大器AD620转换成 羊端电压,送给AD采样,其中HCPL7800和AD620带有48倍的增益,将电压放大到2左 右,保证采样电流有足够的精度。 功率最大时有 ,可得 令 则当 时认 为达到最人功率点。 开始 检测端电压及 线路电流 dU=U(k-U(k-1) △U=cUIk) MI=dI-U(k) AF=AL? Uret uret UretUref-C UrefUref-+c 输出rcf空制有功输出 图8经典控制算法流程 测试仪器 数字小波器TDS1002;4位半数字万用表VC9807A+;20M数字信号源 RIGOL DG1022 路可跟踪直流稳定电源HY1711; 四、测试方法与数据、结果分析 测试框图: RS]申流表1 电流表2 60VDC[电压表1 电压表2 主电路 电压表3 图9测试流程 测试方法: 1.最大功率点跟踪功能:在60v输入电压情况下,根据衣1改变与(3036欧), 记录电压表2与电压表1的小数。 2.频率相位跟踪功能:根据表2改变输入信号Uref从45Hz至5H步进,从示波器观 察频率跟踪的速度和输出电压的频率,以及两者的相位差,记录在表2中。 3.效率:额定 30欧时,记录电压表1、2,电流表1、2的示数,效率 4.失貞度:用示波器H观察显示波形,记录基波和各次谐波的幅度 测试数据: 表1最大功率点跟踪 2、 相差(度 44.99 0.9 0.9 0.9 0 表2频率相位跟踪 30.12 13.81 表3DCAC变换器效率 计算效率得: 4、输岀过流保护和自恢复功能:将输岀短跻,电跤进入过流保护,指示灯亮,液品 屏显示报警,除去短路后报警消失,电路恢复正常。 5、输入欠压保护和自恢复功能:调节输入电压Us,当电压表2显示电压低于25V 时液品屏显示报簦。再提高电源电压,报消失,电路重新正常工作 五、总结 本设计采用更少元件、更低成本的模拟方案实现频率相伩跟踪、DC-AC逆变、欠压、过 流自恢复保护等功能,通过精巧的模拟电路设计,在频相跟踪、波形失真度、变换效率等方 血远远超过指标要求,并且大大缓解了数字部分的逻辑负担。设计中所选的器件均具有相当 高的性价比,如MSP430F169微控制器,IRF540功率管,IR21094浮栅驱动器,对比传统的 DSP光伏逆变方案,本作品更经济简洁,实用性更强。 参考文献 [IL赵争鸣,刘建政等.太阳能光伏发电及其应用.北京:科学出版社,2008 2孙肖子,邓建国,陈南等.电子设计指南.北京:高等教育出版社,2006 [3ˉ谢楷,赵建.MSP430系列单片机系统τ程设计与实践.北京:机械下业出版社,2009. 附录一 少xXX 图自振荡类放大器电路仿真原理图 示波需-XSC1 Titri 时间 更道 通道B 0,0oy 52E,645uV 24.725V 2-1 1000ns J22, 94uy 「保存 Ext. Rigger 道A 角道 比剑[100:比例0 比例 2C WDiv 边沿「 A日外部 X位置 Y位置 Y位置 电平0V M加载 AJLABCACLCD[ AC00DO0·类型[正玄标谁自动无 图2自振荡类放大器电路仿真波形 光伏并网发电模拟装置 全国一等奖 南京航空航天大学崔益军康传华张京雷 摘要该设计装置模拟光伏并网发电,主要由主屯路、控制电路、采样调理电路、驱动保扩 电路、辅助电源以及显示电路等六部分组成。逆交器控制采用混合脉宽调制( )方式, 很好地降低了开关损耗。系统的数字处理模块采用了具有髙处理速度、低功耗的芯片 TMS3202812。釆用∏控制策略进行逆变系统的控制,参数设置简单,易整定。系统能够实 现最大功率点的跟踪,具有欠压保护、过流保护以及枏位跟踪等功能,汴在过流、欠压故障 排除后能自动恢复正常状态。DC-AC变换效率高达88%,失真度只有3%。 方案论证 1.逆变器主电路拓扑结构的选择 半桥电路〔图1)结构简单,但直流电压利用率低,桥臂输出波形谐波含量大,需要髙 的廾关频率和大的滤波器,且只适用于中小容量的场合 全桥电路结构(图2)相对复杂,但控制灵活,且输岀电压是半桥电跸的两倍。开关管 所承受的电压、电流应力均相对较低,且控制方式灵活。此外全桥逆变电路由亍桥臂输山电 压存在零电压的续流状态,可实现倍频,在较低的开关频率下,可以获得更好的谐波控制。 故本设计中采用全桥逆变器的拓扑结构 图1逆变器半桥拓扑结构 佟2逆变器全桥拓扑结构 2.逆变器系统主控器的选择 为了能够实现复杂的控制策略,提髙系统抗干扰能力及可靠性,使系统具有优良的一致 性,方便系统升级等优点,逆变器呆用全数字控制方式。在数字控制处理器的选择时需要充 分的考虑处理器运算处理能力,处理器宇长、AD采样精度以及采样速度、通信接口等诸多 因素。综合考虑以上各方面因素后,逆变器数字控制器选用TMS320H2812。 3.系统总体方案 ■电路框图,如图3 模拟光伏 L DCAC主电路 钏滤波电路 隔离变压器 驱动电路 保护电路 显示 DSP 采样,调理电路 图3总体电路框图 ■软件算法包括并网算法〔采用PI调节)、ⅧPT(实现最大功率点跟踪功能)、驱动电路 算法(廾关功率放大作用),以及软件休护算法(过流、欠压保护功能)。 二、理论分析与计算 1.MPT的控制方法与参数计算 读取Uk),L) 实现最大功率点跟踪(MP)功能,使得逆变 器输入端的输入电阻等于稳压电源的内阻,即 计算当前功率 DC-AC输入端电压与直流稳压源存在如卜关 P(k=Up (k)Ip(k) 系 计算功率差△PP(k)P(k-l) 木设计采用扰动观察法实现MPT,算法流程如图 分别为第次采样的人阳能电池 <△P0? 输出电压、电流功率,为两次采样的功率差 △papY △V=△V 为广生的电压扰动量。 2.同频、同相的控制方法 Upper(k)= Uprekk-)+△Ⅴ 题目本意是将外界输入的正弦基准电压作为 电流给定,本设计对此功能做」进一步优化,叫在 输入正弦信号畸变(实际电网电压存在波形不好的 Up(k-1)=Up(k) 情况)的情况下实现同频冋相。实现方法如下:将 I(k-1)=1(k) 输入基准信号通过图电路转换为方波信号 P(k-1)=P(k) 由捕获其上升沿和下降沿,调整正弦表相位 和输入基准信号一致;通过计数法计算输入方波信 图4扰动观察法实现M流程图号的周期,调整正弦表读数频率,实现频率锁定。 【实例截图】
【核心代码】
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