2017年全国大学生电子设计竞赛 微电网模拟系统(A题)

{
float Ud,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]
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
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 达到3A，频率 为50Hz±0.2Hz。即要求通向负载输出恒流，可以不考虑逆变器输出电压。则只需检测电流，通过具体的单片机的控制使输出达到设计要求。
float Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times)
{
float temp_val=0;
u8 t;
for(t=0;t<times;t++)
{
temp_val+=Get_Adc(ch);
}
temp_val=(temp_val/times)*(3.3/4096);
return temp_val;
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。
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。
通过比较，我们选择制信号驱动开关管，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。
（
程序流程图如图8所示。
图8程序流程图
四、测试方案与测试结果
1
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：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。
+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：
图5DC-DC模块
2
（
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
（
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。
2017年全国大学生电子设计竞赛
微电网模拟系统（A题）
2017年8月12日
摘
本设计以逆变电路为主拓扑结构，以单片机最小系统板为控制核心，协调各个模块工作以实现题设功能。电路分为逆变器主电路模块、控制模块、直流电源模块、电压电流采样模块。主电路采用逆变电路；控制模块使用单片机STM32F103RCT6的PWM输出端口产生PWM信号，通过其内部A/D端口采集电压、电流信号，通过程序PID算法进行控制；电压信号经分压采样送入单片机，电流采样模块通过滤波差分放大芯片OP07A将电流信号转换为电压信号，处理之后送与单片机，实现负载线电流电压有效值控制功能。
}
附录
附录
三、电路与程序设计
1
（
图2系统总体框图
（
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
（
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。
（
逆变器的供电电路采用DC-DC模块，如图5所示。
二、系统理论分析与计算
1
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。
关键词：STM32F103RCT6；SPWM控制；PWM控制；逆变电路；DC-DC
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
根据要求，初步得到以下两种可行的逆变器主电路方案。
[4]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012.
附录
附录
附录
PID算法：
float pidCoefficients[3];
float Ui[2],controlOutput;
float ERR[2];
void pidbegin(float kp,float ki,float kd)
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。
（
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.
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
（
根据测试，可以得出以下结论：
1、负载线电流有效值 为2A时，线电压有效值 为24V±0.2V，频率 为50Hz±0.2Hz。
2、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 达到3A，频率 为50Hz±0.2Hz。
{
Ui[0]=0;
Ui[1]=0;
ERR[0]=0;
ERR[1]=0;
controlOutput=0;
pidCoefficients[0]=kp;
pidCoefficients[1]=ki;
pidCoefficients[2]=kd;
}
void pid( float referenceInput,float measuredOutput)