電子設計結(jié)題報告-2011黑龍江省賽

加密號：學校編號：加密號：學校編號：HIT-E-36加密號：學校名稱：哈爾濱工業(yè)大學隊員姓名：張清文黃曉毅張曉輝賽點負責人:王立欣教務處章2008本文設計了一種基于單片機實現(xiàn)的24V交流單相在線式UPS系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件單元包括整流電路、逆變電路、輔助電源電路、蓄電池供電電路和ARM微控制器電路。采用了單相全橋逆變電路，效率高，驅(qū)動電路的設計也具有可靠性高，速度快等特點。選擇了UC3906設計了蓄電池的充電電路，能夠滿足題目的不過充，充電電流等方面的要求。PWM波由ARM芯片控制產(chǎn)生，波形可靠，穩(wěn)定。實驗表明，在36VAC和36VDC兩種情況下，輸出電壓能穩(wěn)定于24V，且電壓調(diào)整率，負載調(diào)整率高，輸出波形失真度小，具有過流和欠壓保護功能，效率較高。關鍵詞：32位微處理器；IR2110；SPWM1設計任務本題要求設計并制作輸出電壓為24VAC在線式不間斷電源，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖11.1基本要求（1）在交流供電U1=36VAC和直流供電U3=36VDC兩種情況下，保證輸出電壓U2=24VAC，且保證其頻率為50±1Hz，額定輸出功率80W；（2）切斷交流電源后，在輸出滿載情況下工作時間不少于2分鐘；（3）交流供電時，電源達到以下要求：電壓調(diào)整率：滿載條件下，U1從29VAC增加至43VAC，U2變化不超過5%；負載調(diào)整率：U1=36VAC、U2=24VAC，從空載到滿載，U2變化不超過5%；（4）直流供電時，滿載條件下，效率不低于65%（）；（5）具有輸出短路保護功能。1.2發(fā)揮部分（1）交流供電時，將電壓調(diào)整率和電壓調(diào)整率提高至2%，條件同基本部分；（2）直流供電時，在滿載條件下，將效率提高至80%；（3）滿載條件下，輸出正弦波失真度不大于5%；（4）具有給蓄電池充電功能，充電電流不小于0.1A，充電電路對蓄電池不能過充；（5）具有欠壓保護功能：當蓄電池的放電電壓≤29V時整機自動保護停止工作；（6）其他。2方案論證和比較2.1功率開關器件的選擇方案一：采用絕緣柵雙極晶體管IGBT。方案二：采用單極型電壓驅(qū)動器件電力MOSFET。IGBT雖集合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，具有多種良好的特性，但在本文的設計中，功率要求不高，MOSFET已足夠，且成本低。此外，MOSFET的開關速度較IGBT高，開關損耗低，故本文選擇了MOSFET。2.2MOSFET的驅(qū)動部分方案一：自行搭接驅(qū)動電路。前級為推挽式，后級采用隔離變壓器進行控制電路與主電路之間的隔離。方案二：采用專為驅(qū)動MOSFET設計的集成驅(qū)動電路。方案一原理簡單，但在實際的設計過程中可靠性不高，輸出波形不好，不能保證器件的可靠導通和關斷，并且逆變采用全橋時需要4個同樣的驅(qū)動電路，設計累贅，布線復雜，調(diào)試難度加大。脈沖變壓器雖然有原副邊絕緣強度高，共模干擾抑制能力強的優(yōu)點，但信號的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，信號的頂部不易傳輸，且最大占空比受到限制，體積較大，加工復雜。方案二采用集成的驅(qū)動芯片優(yōu)點是輸出波形較好，可靠性高，易于調(diào)試，電路設計較簡單，效率較高。本文采用了驅(qū)動半橋的IR2110，它兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離的優(yōu)點（速度快），且自舉電路的設計減少了驅(qū)動電源的數(shù)目。綜合以上因素考慮，方案二較好。2.3逆變電路的設計方案一：采用半橋逆變電路。方案二：采用全橋逆變電路。選擇半橋電路設計簡單，易于實現(xiàn)，且采用驅(qū)動芯片IR2110的經(jīng)典電路就可完成，但它的突出缺點是效率不高，而題目對效率的要求較高，故本文選擇由2個IR2110驅(qū)動的全橋逆變電路，效率高，設計也較簡單，易于調(diào)試。2.4輔助電源芯片的選擇方案一：采用7805；方案二：采用LM2575；7805是最常用的一種穩(wěn)壓芯片，但它的功耗很大，輸出電壓不穩(wěn)定，可靠性不高。實測過，在輸入15V時，輸出為6.4V，這在本文的設計過程中是不允許的。而LM2575內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只需極少外圍器件就可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路，保護電路完善，功耗小。輸入電壓范圍大（0-63V），輸出電壓可調(diào)，在本文的設計中，由2575提供穩(wěn)定的15V和5V電源電壓供ARM芯片等部分使用，足可保證穩(wěn)定性的要求。故采用輔助電源芯片選擇LM2575。2.5單片機的選擇常用的微處理器基本都可實現(xiàn)本文的設計要求，但仍有各自的特點，各項功能如表1所示：表1微處理器類型處理速度開發(fā)周期價格應用場合普通8位單片機慢短適中低端ARM適中適中適中低端和高端DSP快長較貴高端表1可以看出，普通單片機運行速度慢，而DSP開發(fā)周期長，價格較高，故本文選擇ARM芯片，型號為“STM32F103x”，它是基于CortexTM-M3內(nèi)核的32位微處理器，最高工作頻率可達72MHz，內(nèi)部集成了2個16通道的12位AD轉(zhuǎn)換器，3個16位定時器，多達6路PWM輸出，性能高，且價格便宜。2.6死區(qū)的設計方案一：軟件編程控制。方案二：硬件實現(xiàn)。顯然，硬件實現(xiàn)的穩(wěn)定性高，調(diào)試簡單，且軟件編程較復雜，實施起來麻煩。故選擇硬件實現(xiàn)死區(qū)的控制。2.7正弦脈寬調(diào)制SPWM的產(chǎn)生方案一：可采用模擬和數(shù)字電路等硬件電路產(chǎn)生SPWM。方案二：利用微控制器來實現(xiàn)SPWM的數(shù)字控制。比較這兩種方案，前者控制電路復雜，抗干擾能力差。后者控制電路簡單，運算速度快，精度高，抗干擾能力強。本系統(tǒng)采用后者來實現(xiàn)SPWM。3系統(tǒng)設計3.1總體設計方案描述綜合上述方案的分析，整體設計方案如下：市電（220VAC）經(jīng)降壓后為（36VAC）,采用電容濾波的單相不可控整流電路后，可輸出波形較好的直流電壓，再經(jīng)過由MOSFET組成的全橋逆變電路，負載輸出為2個（24V，40W）的燈泡，電路設計成閉環(huán)，可滿足題目要求的負載調(diào)整率，以及電壓調(diào)整率。采樣放大器芯片采用了單電源供電的LM358，且用電壓互感器做隔離，采樣較好。市電和蓄電池的切換部分設計在整流濾波后，由ARM控制繼電器的吸合來完成，且可靠性高。蓄電池的充電電路采用了專為蓄電池充電的芯片UC3906，電路設計簡單，充電電流滿足題目要求，且不會過充。此外，由ARM芯片進行了過流保護以及欠壓保護控制，同時實現(xiàn)了SPWM的數(shù)字控制。3.2系統(tǒng)總體框圖圖24硬件部分分析與計算4.1整流濾波整流電路按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。基于本題小功率單相交流輸入的這一特點，采用電容濾波的單相不可控整流電路。電路設計如下：整流電路整流電路圖3由理論分析可知，輸出電壓滿足關系式：Ud≈1.2Uc（4-1）由負載功率可知，輸出電流有效值大約為3.33A，故采用的二極管最大整流電流為10A，濾波電容為470uF、500V的電解電容。由式（4-1）可知，在輸入為29V-43V時，整流后輸出電壓大約為34.8V-51.6V，此部分的電壓即為逆變電路的直流干線電壓。4.2驅(qū)動、逆變電路MOSFET選用的型號為“IRFP460”，它的IDmax=20電路圖如下所示：圖4MOSFET柵源反并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管作用是保證柵極電壓不會過高，以防止燒壞MOS管。1K電阻的作用也是為了保證MOS管不會直通，因為MOS管在無驅(qū)動信號的時候，默認DS是連通的。MOS管后反并聯(lián)的二極管選擇的是快恢復FR107，一是為了續(xù)流，而是為了使MOS管快速導通。與之并聯(lián)的吸收電容為高壓電容，作用是穩(wěn)定電壓，同時可保證IR2110不會因電壓過高而擊穿損壞。全橋逆變電路由兩個相同的半橋組合而成。4.2.1自舉的原理在電路圖中，C14和D9分別為自舉電容和二極管。C32為VCC的濾波電容。當HIN為高電平時，自舉電容通過內(nèi)部的MOS管以及柵極電阻，為上橋臂的MOSFET的柵極電容充電，此時自舉電容相當于一個電壓源。當LIN為高電平時，下橋臂導通，VCC通過自舉二極管給自舉電容充電，自舉電容電壓≈VCC，當HIN的高電平到來時，C14放電，如此往復循環(huán)。為使快速充電，自舉二極管選擇的是快恢復二極管FR107，速度快。4.2.2自舉電容的選擇MOS管在開通時，需要在極短的時間內(nèi)向門極提供足夠的柵電荷，假定在器件開通后，自居電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓（10V，高壓側(cè)鎖定電壓為8.7V）要高，再假定在自舉電容充電路徑上有1.5V壓降，再減去由泄露電流引起電壓降，自舉電容的選擇公式為:C>2Qg/(VCC-10-1.5)(4-2)查表可知，IRFP460充分導通時所需要的柵電荷為120nC，VCC=15V，故自舉電容選擇為475。4.3死區(qū)電路設計采用74HC04組成的死區(qū)電路圖如下所示：圖5輸入為ARM產(chǎn)生的PWM波，輸出為互補的兩個PWM波，與控制全橋?qū)ǖ?個驅(qū)動連接。（見附錄）輸入為方波時，死區(qū)的輸出波形調(diào)至如下圖所示：圖64.4輔助電源電路采用的是LM2575。這個芯片具有只需很少的外圍電路就可輸出穩(wěn)定電壓的特點，輸入電壓0-60V可調(diào)。由4.1整流電路的分析計算可知，整流后的電壓最高位50多伏，故此芯片的優(yōu)勢可見一斑。具體電路如下所示：圖7可調(diào)節(jié)R5，輸出電壓可變。在此需要輸出穩(wěn)定的15V和5V電壓。4.5充電電路的設計根據(jù)發(fā)揮部分的要求，充電電流不得小于0.1A，不能過充。故采用UC3906的兩種充電狀態(tài)的快充電電路。充電電路如圖所示：圖8充電輸入電源最大為40V，而根據(jù)4.1的計算結(jié)果可知，加到此處的電壓最大可達51.6V，故選擇39V的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓。為提高充電電路的工作效率，采用了PNP外接功率晶體管。計算公式如下：（4-3）（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）根據(jù)題目要求，VF=36V，設RSM=2歐，RC=51K，可由公式算出RA=747K，RD=447K，此時充電電流為0.22A。4.6采樣電路的設計由于電路中只能提供單電源，故采用了單電源供電的LM358運算放大器，并且設計了用電壓互感器進行的隔離，選擇的是型號為“HPT205NB”的互感器。電路圖見附錄A。4.7市電，蓄電池切換部分電路由繼電器控制，電路圖如下所示：圖9繼電器的吸合由ARM控制。當ARM檢測到市電斷電，輸出低電平控制繼電器的開關打到蓄電池的方向，蓄電池與繼電器的常開觸電相連，同時當蓄電池的電壓降到29V時，ARM輸出高電平，線圈上電，繼電器的開關打到市電的方向，此時整個系統(tǒng)復位，實現(xiàn)了欠壓保護。5軟件部分的分析設計5.1AD采樣AD采樣包括四部分：市電檢測，蓄電池欠壓保護，短路保護，采樣逆變電壓作為反饋量進行控制量的調(diào)節(jié)已達到穩(wěn)定輸出的目的。AD部分的軟件實現(xiàn)：利用STM32F103提供的片內(nèi)12位AD進行電壓采集，STM32F103的片內(nèi)AD是一種逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，共有18個通道可測量16個外部和兩個內(nèi)部信號源，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次，連續(xù)，掃描或間斷模式執(zhí)行，轉(zhuǎn)換時間最快可達1微秒。5.2逆變電壓采樣逆變電壓采樣：每500微秒啟動一次AD注入通道的轉(zhuǎn)換，將連續(xù)四次采樣逆變電壓值，并分別存儲在四個寄存器中，采樣結(jié)束后產(chǎn)生中斷，將所得的數(shù)據(jù)進行排序除去最大及最小值再取平均作為此時的電壓值暫存入數(shù)組，每個周期共采樣400個點并排序求得最大及最小值相減即為峰峰值，作為反饋量控制SPWM的輸出。5.3市電，蓄電池電壓，短路檢測每10毫秒進行一次規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換，順序的進行6次市電電壓的采樣，6次蓄電池電壓的檢測，四次短路電流（電壓）的檢測，并分別進行如上簡易濾波作為本次采樣值，以此來作為市電與蓄電池切換，欠壓保護，短路保護的依據(jù)。5.4反饋控制反饋控制：AD采集逆變輸出電壓的峰峰值作為反饋量，通過積分調(diào)節(jié)控制SPWM的調(diào)制度，以達到使逆變輸出穩(wěn)定的目的。5.5軟件設計流程圖106元器件清單表2名稱型號數(shù)量名稱型號數(shù)量控制芯片ST1電壓互感器HPT205NB1驅(qū)動芯片IR21102繼電器1MOSFETIRFP450474HC141負載燈泡（24V，40W）2輔助電源LM2575ADJ2蓄電池“矩陣牌”3功率電阻0.223充電芯片UC3906139V，18V穩(wěn)壓若干單電源運放LM3584常用電阻，電容若干7系統(tǒng)測試7.1測試儀器示波器一臺，PC機一臺，ST—linkII仿真器一臺，萬用表一塊7.2測試內(nèi)容根據(jù)設計要求，本系統(tǒng)需要測試以下內(nèi)容（輸出功率為80W）：（1）在交流供電U1=36VAC和直流供電U3=36VDC兩種情況下，輸出電壓U2，輸出