题目

四天三夜省一拿下！！！

2022年TI杯大学生电子设计竞赛

单相交流电子负载（A题）

任务

设计并制作如图1所示的单相交流电子负载，其中负载特性模拟单元可模拟电阻性、电感性、电容性负载，能量回馈单元能将尽可能多的能量以50Hz交流电回馈。

图1 单相交流电子负载原理图

要求

（1）模拟电阻性负载，电子负载输入为U1=30V， I1=2A。（15分）

（2）模拟电感性负载，电子负载输入为U1=30V，I1=2A，输入侧功率因数cosφ1能根据数字设定在0.50～1.00范围内自动调整。（25分）

（3）模拟电容性负载，电子负载输入为U1=30V，I1=2A，输入侧功率因数cosφ1能根据数字设定在0.50～1.00范围内自动调整。（25分）

（4）模拟电阻性负载，电子负载输入为U1=30V，I1=2A，测电子负载的输入功率P1和回馈功率P2，ΔP= P1- P2，要求ΔP越小越好。（25分）

（5）其他。（10分）

（6）设计报告。（20分）

	项目	主要内容	满分
设计报告	方案论证	比较与选择，方案描述	3
	理论分析与计算	不同类型负载的模拟，能量回馈的方法	6
	电路与程序设计	主回路与器件选择，控制电路与控制程序	6
	测试方案与测试结果	测试方案及测试条件，测试结果及其完整性，结果分析	3
	报告结构及规范性	摘要、设计报告正文结构、公式、图表的规范性	2
	报告总分		20

三、说明

（1）为简化题目、方便测试，电子负载回馈的能量由电阻性负载消耗。

（2）图1中的交流电源为50Hz正弦波交流电，其形式不限，但应做好隔离等措施，确保电气安全。

（3）为方便测试要求（4），交流电子负载仅由图1中的交流电源供电。

（4）题中所有交流参数均为有效值。

（5）电子负载的输入功率P1= U1I1cosφ1、输出功率P2= U2I2cosφ2，其中cosφ1为电子负载输入侧的功率因数，cosφ2为电子负载回馈侧的功率因数。

（6）电路制作时应考虑测试方便，合理设置测试点。

正题

方案介绍：交流电子负载采用桥式整流结构进行阻性变换，整体拓扑为AC-DC-AC,桥采用NMOS管进行整流或者逆变，通过单极性倍频SPWM调制实现电流与电压的相位偏差和功率因数调整。最终结构为AC-DC-AC，经过文献学习与方案讨论，最终采用电压型PWM整流拓扑，使用NMOS为开关管，采用电流互感采样与电压对地差分采样得到两者相位关系，通过闭环系统实现相位调制与能量反馈结构调整。

单相，交流电子负载，能量回馈，PWM整流

1、主控制器件的论证与选择

方案一：采用传统的51系列单片机

传统的51单片机为8位机，价格便宜，控制简单，但是运算速度慢，片内资源少，存储容量小，难以存储大体积的程序和实现快速精准的反应控制。并且受时钟限制，计时精度不高，外围电路也增加了系统的不可靠性。

方案二：采用STM32F1系列单片机

STM32F1系列基于专门要求高性能、低成本的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核构架，32位CPU。其外围接口丰富，运算速度快，功能强大。

通过比较，我们选择方案二，采用以ARM Cortex-M3内核的STM系列单片机STM32F103RCT6作为控制器。

综合以上两种方案，选择方案二。

2、负载特性模拟电路的论证与选择

方案1：采用二极管搭桥式整流，可以实现整流，但是缺点明显，效率低下并且无法实现阻抗特性变换，以及功率因素调节。

方案2：采用LT4320整流，可以实现整流，效率明显高于二极管整流，但功率因数不可控。

方案3：采用半桥驱动芯片搭出全桥整流电路，通过倍频SPWM调制信号控制MOS管驱动电路，进而利用全桥拓扑结构进行整流，实现升压输出，程序复杂度较高，理论可以完成题目所有要求。

综合以上两种方案，为了尽可能实现题目所有要求，选择方案三。

3、能量回馈驱动电路的论证与选择

方案一：不隔离型自举驱动电路，使用ir2184半桥驱动芯片驱动MOS构成全桥逆变电路，上电过流，显然不能用于PWM整流桥的控制。

方案二：经过学习TI官网的驱动控制器UCC27714以及双向AC-DC的控制方法，采用此抗干扰能力强的驱动芯片能够实现AC输入影响最小化。

综合考虑最终系统选择采用方案一。

4、主要控制方案

通过学习TI官网的控制方案，采用工频控制与单极性倍频调制控制开关管来实现输出整流电压控制与电压电流相固定控制与跟随。

电路与程序设计

5、电路的设计

（1）系统总体框图

图3 系统总体框图

子系统框图与电路原理图

A、交流整流电路子系统框图与电路原理图

图4 交流整流电路子系统框图

图5 交流整流电路图

B 驱动+逆变主拓扑电路子系统框图与电路原理图

图6 逆变器子系统原理图

6、程序设计思路

首先是定时器输出频率为50HZ的SPWM波（载波频率为40KHZ、点数为800点），然后输入捕获捕捉电压过零比较后的PWM波，每次捕捉到上升沿后将CNT置0，达到相位跟踪的效果；

通过输入捕获采集电压电流的相位差，将其输入PI控制器，让其相位差保持为0，达到功率因数为1的效果；通过按键可以该表正弦波波表的下标，每次捕获到上升沿时让正弦波在此相位输出，达到相位移动；通过ADC采集电压值，以此作为输入参数输入PI控制器与目的电压比较,修正SPWM的调制比进行闭环控制；通过ADC采集电流值，输入PI控制器，调节SPWM的调制比让其稳定在2A。

7、测试结果(数据)

容性负载测试结果如下表所示（功率因数）

感性负载测试结果如下表所示：

测试分析与结论

根据上述测试数据，容性负载、感性负载条件下，功率因数可以在一定的范围内根据设置自动调节，由此可以得出以下结论：

1、容性负载条件下，功率因数0.5~1可调

2、感性负载条件下，功率因数0.5~1可调

3、阻性负载条件下，能够满足输入30V 2A的条件

综上所述，本设计达到设计要求。

附：

我们是浙江工业大学的，因为我们也是花费了不少精力才攻克，设置了付费，望理解！

不过文中已经把主要思路分享了，大家可以一起交流，有问题的欢迎咨询，一起学习呀，加油加油！成功的路上就是不断学习，不断突破！

工程链接：

单相交流电子负载（PCB+代码工程+设计报告+文献资料+原理图）

单向交流电子负载

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