2022年全国大学生电子设计大赛省赛A题 (交流电子负载)
文章目录
- 2022年全国大学生电子设计大赛省赛A题 (交流电子负载)
- 前言
- 一、总体思路
- 二、模块设计
-
- 三、主电路搭建
- 总结
前言
2022年全国大学生电子设计大赛省一第一名(受学校省特人数限制)。所有基本功能实现,有附加功能。
主电路拓扑为全桥整流+全桥逆变。本文主要介绍硬件部分。
完成效果图:
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/5f7d1fd118b7418493ad02db1823969c.png#pic_center)
一、总体思路
本题要求交流电子负载能满足模拟阻性、感性、容性负载特性,功率因数可调,且要求回馈功率以50HZ交流电返回。则总体上可视为AC-AC变换器。常见交流电子负载有直接AC-AC变换(矩阵式变换器)以及AC-DC-AC间接变换(整流+逆变)。考虑到题目对母线电压的要求,该主电路应有中间直流环节,则应采用AC-DC-AC间接变换(全桥整流+全桥逆变)方式。
主电路拓扑:
![前级为整流器,后级为逆变器](https://img-blog.csdnimg.cn/789050f3d35e41188295683032bf232f.png)
二、模块设计
1.半桥模块
将一对mosfet及其驱动集成在一块PCB上。所采用的栅极驱动器为UCC21520,拓扑如下图所示(参照Ti数据手册UCC21520):
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/6fac2627d57345cca132699784da670a.png)
PCB三维效果图
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/ad71c1a277294820b73ef64386765ac7.png)
因仓促,PCB布线有不合理的地方,望指正。
驱动芯片的选型很广泛,也可采用其他种类(如IR2110),可根据具体使用需求选择合适的。
2.测量模块
测量模块分电压、电流、直流、交流、隔离、非隔离等。具体应视题目要求。
为模拟负载特性,本题要求对输入电压、电流,直流母线电压进行实时采样。交流电压和交流电流的测量均可用TVA1421电流互感器。既可对电压进行采样,也可对电流进行采样。(参照数据手册TVA1421)
交流电压采样原理图
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/ed5403be68174169b41ce8f44bdc0a88.png)
其中运放的作用是抬高基准电压,使输出值Vout一直为正。(ADC口只能输入0-3.3V电压),改变电阻值使输出电压在合理范围内。
交流电流采样原理图
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/bdd03f73d6d94e39af27ba41709c4382.png)
与电压采样基本类似,P1为输入,该采样方式可以不破坏原有线路。具体请参照数据手册。
直流电压采样采用隔离式差分放大器AMC1200(AMC1200),该芯片的优点是可以实现输入、输出的隔离。
AD原理图:
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/05105c0b8d254b9a9b6f3458a38ec00e.png)
3.辅助电源模块
本题是高压题,辅助电源模块需要高压芯片,我们采用的是LM5164(LM5164)。主要作用是给单片机、芯片以及外设供电。
原理图如下:
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/cf5142ff51214a3fa04043a7126c79e8.png)
该芯片的输入最大值可达100V。
普通辅助电源可采用TPS54360(TPS54360)
原理图如下
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/f40aa11f2a3f4b969dab4fd50fcfaabe.png)
三、主电路搭建
主电路在洞洞板上进行焊接,提前预留模块接口和以及单片机、外设接口。在设计接口是应考虑便于更换,否则一旦模块出问题无法及时更换。
输入、输出电容采用CBB。直流母线采用CBB与电解电容并联方式。
过大电流时可采用较为粗的接口以降低损耗。
测量模块因受磁场干扰较大,在布局时应与电感的距离远一些。
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/ca4d1d91d42b4d61a280830bb239b5f9.jpeg#pic_center)
附加功能有CC(恒流)模式、CR(恒阻)模式、CP(恒功率)模式。
设计触摸屏进行显示:
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/59fb1352ba4a4104a0d9f4e0d1630d20.png)
总结
本文主要介绍了2022年全国大学生电子设计大赛A题硬件的主要思路以及做法。软件有单极倍频SPWM调制。可参照单极倍频。望指正。
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