2023年电赛A题——国奖开源分享

时间： 2023-12-26 来源：武汉芯源（CW32生态社区）

技术问答

题目要求

一、任务

二、要求

1.基本要求

（1）断开 S2，闭合 S1，仅用逆变器 1 向 RL 供电。输出电压有效值 Uo为24V±0.2V，频率 fo 为 50Hz±0.2Hz 时，输出电流有效值 Io 为 2A。

（2）在基本要求（1）的工作条件下，输出交流电压总谐波畸变率（THD）不大于 2%。

（3）在基本要求（1）的工作条件下，逆变器 1 的效率 ƞ 不低于 88%。

（4）断开 S2，闭合 S1，仅用逆变器 1 向负载供电，Io 在 0A~2A 间变化时，负载调整率 SI1≤0.2%。

2.发挥部分

（1）断开 S2，闭合 S1，逆变器 1 和逆变器 2 并联，共同向 RL供电，Uo=24V，fo=50Hz 时，Io=4A。

（2）断开 S1，闭合 S2，逆变器 1 与逆变器 2 并联且能并网，能在 2A~4A 范围内按数字设定输出电流 Io，其误差绝对值应小于设定值的 6%。

（3）断开S1，闭合S2，逆变器1与逆变器2并联且并网，Io在1A~3A间变化时，逆变器1及逆变器2的输出电流比值K=Io1: Io2可在指定范围（0.5~2）内按数字设定自动分配，其相对误差的绝对值不大于5%。

（4）其他。

三、说明
制作时须考虑测试方便，合理设置测试点，测试过程不得重新接线。

可使用功率分析仪等测试逆变器的效率、THD 等。

逆变器 1（含直流辅助电源）仅由直流电源 1 供电，逆变器 2（含直流辅助电源）仅由直流电源 2 供电。进行基本要求（3）测试时，直流辅助电源的耗能应计入效率 ƞ 计算中。

本题定义：1）负载调整率，其中 Uo1 为 Io=0A 时的输出电压，Uo2 为 Io=2A 时的输出电压；2）逆变器 1 的效率 ƞ 为逆变器 1 输出功率除以直流电源 1 的输出功率。

进行基本要求（1）（3）（4）测试时，Io应达到 2A，低于 1.8A 不得分；进行发挥部分（1）测试时，Io应达到 4A，低于 3.8A 时，该电流项目不得分。

发挥部分（3）中的相对误差绝对值，其中 K 设定为设定的数值，K 实测为实测出的数值。

逆变器 1 与逆变器 2 各自独立，不得共用一个控制器。

本题的直流电源 1 和直流电源 2 自备。

逆变器并网时，应满足并网条件，确保人员及设备安全。

1.设计摘要
根据题目要求，本项目拟设计制作一个单相逆变器并联运行系统，本系统以CW32F030C8T6 核心板为控制核心，由直流电源、隔离变压器、全桥逆变电路、采集电路、驱动电路、LC低通滤波电路和辅助电源组成。从机采用DQ锁相环进行相位追踪，通过生成双极性SPWM波对全桥逆变电路调制，产生正弦交流电。利用PID算法进行电流、电压闭环控制，逆变器实现稳流，稳压来实现并联，并网运行。

本小组已完成任务基本要求及发挥一部分，该系统离网状态下，在输出电压为24±0.2V,频率为50±0.2Hz,输出电流有效值为2A的条件下，THD不大于2%，效率不低于89%，输出电流在0A到2A间变化时负载调整率小于0.1%。两路逆变器并联后，在输出电压为24V，频率为50Hz时，输出电流可达4A。

2.设计摘要
2.1 任务概述2.1 任务概述

根据题目要求，本项目拟设计制作一个单相逆变器并联运行系统，本系统以CW32F030C8T6核心板为控制核心，由直流电源、隔离变压器、全桥逆变电路、采集电路、驱动电路、LC低通滤波电路和辅助电源组成。从机采用DQ锁相环进行相位追踪，通过生成双极性SPWM波对全桥逆变电路调制，产生正弦交流电。利用PID算法进行电流、电压闭环控制，逆变器实现稳流，稳压来实现并联，并网运行。

2.2 总体设计方案与论证2.1 任务概述2.2.1 系统总体设计

本系统由两路独立的单项逆变控制系统并联而成，组成系统如图1所示。每一路由辅助电源、单片机、包含驱动电路在内的全桥逆变电路、采集电路和LCL滤波组成。

2.2.2 控制方案的比较与选择

方案一：C51单片机

C51单片机是8位微控制器，其处理能力相对较低。它的处理速度和存储容量有限，且内存容量较小，不适合处理复杂的计算和大规模数据处理任务。与32位微控制器相比，C51单片机的一些现代特性和功能较为有限。它不能满足该工程的开发。

方案二：CW32芯片

CW32F030X6/X8 是由武汉芯源半导体推出的一款国产32位微控制器，基于 eFlash ，集成了主频高达 64MHz 的 ARM® Cortex®-M0+ 内核、高速嵌入式存储器（多至 64K 字节 FLASH 和多至 8K 字节 SRAM）以及一系列全面的增强型外设和 I/O 口。所有型号都提供全套的通信接口（三路 UART、两路 SPI 和两路 I2C）、12 位高速 ADC、七组通用和基本定时器以及一组高级控制 PWM 定时器。CW32F030x6/x8 可以在 -40° C 到 105° C 的温度范围内工作，供电电压宽达 1.65V ~ 5.5V。支持 Sleep 和DeepSleep 两种低功耗工作模式。

综上所述，CW32F030C8T6能够满足该任务设计需求，且成本较低，适合本项目设计的简单嵌入式系统。根据设计需求及资源，本项目中选择CW32芯片作为主控MCU。

2.2.3逆变主电路的比较与选择

方案一：半桥逆变电路

该电路通过控制上下两个mos管的开关实现直流变交流，结构简单，使用器件少，但其输出的交流电压的幅值仅为直流电压的一半，直流电压利用率低，且直流侧需要两个电容器串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡。

方案二：推挽式逆变电路

该电路通过控制上下两个mos管和带中心抽头的变压器实现直流变交流，因为带中心抽头变压器的存在，导致系统的体积较大，同时增加了制作成本，而且对外产生的漏磁干扰很大。

方案三：全桥逆变电路

该电路主要由4个可控开关管组成，如图2所示。全桥逆变电路中的Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组。其中每个可控开关管反并联了一个二极管，为感性负载提供回路。通过控制两组开关器件的交替导通，实现把直流电DC转换成交流电AC。此电路采用谐振技术，可减小开关损耗，提高效率，且输出输出电压等于直流电压，直流电压的利用率高。

由于全桥逆变电路输出电压等于直流电压，直流电压的利用率高，符合本系统对高效率的需求，因此本系统选择方案3。

2.2.4采集电路方案的比较与选择

方案一：霍尔传感器

方案二：互感器

利用互感原理，即当一个线圈通过交变电流时，会在另一个线圈中产生一个感应电动势，来测量高电压或大电流的变化情况。互感器只能测量工频50Hz的交流电流，不需要外接电源，输出信号一般是AC1A或AC5A。结构简单、绝缘性能好、使用寿命长。

经过对比，互感器具备隔离功能，结构较为简单，可在保证准确性的前提下提高安全性、优化电路结构，故选用方案2。

3.理论分析与计算
3.1 逆变器提升效率的方法2.1 任务概述

提升逆变器效率的最有效的方式是减少电路损耗，该损耗主要来自线路损耗、MOSFET开关损耗和导通损耗，本系统中采用以下方式提升逆变器效率：

（1）适当减小MOSFET的开关频率，过高的开关频率会加大MOSFET的导通损耗。

（2）采用导通内阻小的MOSFET。

（3）合理的设置LC滤波器的截止滤波，有效滤除正弦波的载波。

3.2 逆变器并联运行模式控制策略2.1 任务概

逆变器1和逆变器2并联的控制方法为将逆变器1视为24V恒压源，逆变器2视为2A恒流源，即逆变器1保持恒压模式，逆变器2保持恒流状态。逆变器2通过dq锁相环来跟踪逆变器1的相位，始终保证逆变器2与逆变器1处于同频同相的状态，进而可以实现逆变器的并联模式。

3.3 并网控制2.1 任务概

并网的控制方法是采用主从控制方法，逆变器1为主逆变器，逆变器2为从逆变器。逆变器1、2都被视为恒流源，对逆变器1进行键盘输入，可以控制两个逆变器并联之后的输出电流Io，同时对逆变器1、2输入总输出电流Io和比例K,来达到设置输出电流Io以及输出电流比值K的目的，逆变器1、2通过锁相环来追踪电网的相位，实现并网功能。（该功能未实现）

3.4 锁相环原理2.1 任务概

逆变电路一和逆变电路二进行并联以及并网时，需要进行锁定电网的相位。因此我们引进了DQ锁相环，通过SOGI生成一个αβ坐标轴，从而可以获得电网的相位。

将实际电压分解在α轴上,然后在将静止坐标系的两相电量转换为旋转坐标系dqo下的单一直流量.经过等幅值CLARK变换后可表示为:

4.系统硬件分析
4.1 逆变器主电路设计2.1 任务概

本系统以全桥逆变电路作为核心部分，通过SPWM波控制上下管的交替导通，以实现直流电转化为正弦交流电。其电路如图3所示。

4.2 控制方案与电路设计2.1 任务概

用单片机内部比较器产生所需要的SPWM波形控制IR2104，以驱动全桥逆变电路工作产生正弦波。IR2104驱动电路如图4所示。

4.3 测量电路设计2.1 任务概

电流采样电路如图5所示，采用INA282+电流互感器，电流互感器对交流电流进行采集，然后通过INA282进行放大50倍，并且抬升1.65V。

电压采样电路如图6所示，采用INA282+电压互感器，电压互感器对交流电压进行采集，然后通过INA282进行放大50倍，并且抬升1.65V。

5.系统软件设计说明
本系统使用CW32F030C8T6作为主控芯片，对逆变器的相关参数进行ADC采集分析，实现pid闭环控制，产生SPWM波，其中逆变器1、2的程序框图分别如图7、8所示。

6.系统测试
6.1 测试方案2.1 任务概6.1.1 测试环境

功率分析仪：GPM-8213

直流稳压电源：LINI-T可编程直流源、 RIGOL DP832可编程直流源

万用表：LINI-T万用表 * 2

负载：大功率可变瓷管线绕滑动变阻器20Ω1000W

变压器：环形变压器 220V-24V(200VA)

6.1.2 测试方法

（1）基本要求

断开 S2，闭合 S1，仅用逆变器 1 向 RL 供电。通过功率分析仪测量输出电流有效值Io、输出电压有效值Uo、频率f、THD；再通过万用表测得输入电压，输入电流，求得逆变器1的效率η。使逆变器1输出开路，以及接到12Ω电阻上，获得负载调整率。

（2）发挥部分

断开 S2，闭合 S1，仅用逆变器 1 向 RL 供电，使用功率分析仪测量负载两端的电压Uo和电流Io。

6.2 测试结果及分析2.1 任务概

通过4.1.2中的测试方法所得测试数据如表1、表2所示。

（1）基本部分

表1 基本部分数据表

满足测试要求。

比赛过程及经验总结

赛前准备环节

全国大学生电子设计竞赛赛题会在比赛第一天公布，但参赛选手及团队要在比赛前做好充足的准备，具备一定的理论基础，器件资源及实践经验。

一般情况下，在正式参加电子设计大赛以前，选手应通过专业课程或自学掌握一定的电子设计相关理论知识，包括电路原理、C语言设计基础、嵌入式系统开发基础等。同时，组织好队伍并简单进行分工，保证比赛期间开展良好的合作。在正式比赛前，可以登陆“全国大学生电子设计竞赛培训网”官方网站，提前进行历年赛题的训练。组委会一般会在当年2月发布比赛通知，此后会在官网上发布一系列的电赛系列直播、电赛训练营、国赛元器件及设备清单等相关信息，参赛团队应密切关注，随时了解比赛动态信息。

在团队确定好做电源题之后，要迅速学习基础知识，积累一定基础知识后，团队就要做好分工，开始复现往年的真题。我们的三人分工是一人负责电路设计与pcb制作，一人主要负责软件代码编写，一人负责方案寻找且负责软件代码编写。在备赛过程中，pcb绘制一定要比软件快，否则负责软件的队员就会空闲下来。三人不断重复读题、找方案、画电路、执行软件、调试、改版的过程，负责硬件的队员不断画板不断优化，直到把所有类型的真题都做一遍，成功后将板子保存好，可以复制几块备用，在比赛时直接使用。在开题前一周，一定要注重整理资料，以便做题时确定方案。

比赛过程

笔者以2023年全国大学生电子设计竞赛为例，简单概述所指导团队参赛过程及注意事项，以供读者参考。

正式比赛前一天，参赛队员应合理分配时间，保证充足的休息时间以具备良好体力，比赛场地准备好零食、方便面、咖啡等，以应对四天三夜高强度工作的挑战。

第一天比赛赛题一般会在比赛第一天早上公布，在此之后，参赛队员间充分讨论各题型关键技术及可能出现的问题。迅速确定最终选题，并做好队员之间的任务分工，以保证人力资源得到充分利用。比赛初期，对题目进行详细分析，确定设计方案及技术难点，统计所需元件清单，做好元器件及耗材的选型及补充购置工作。其中，较为关键的环节是方案设计阶段，一套有效、良好的技术方案能够规避大多数可能出现的技术问题。因此，比赛第一天可以多花一些时间充分商讨，尽量确定一套前期资源充足的、符合队伍实力的、较为合理的解决方案，并开始系统搭建。由于赛前准备充足，我们在第一天就完成了基础部分。
第二天

第一天完成基础部分以后，我们团队开始着手处理发挥部分的第一题，但是还是出现很多的问题bug，而且由于第一天熬夜作战，导致第二天上班时间比较晚，从早上一直迷迷糊糊得干到晚上，终于把发挥部分的第一题给做了。

第三天

在第三天，就开始着手去完成发挥剩下来的部分，但是由于赛前关于并网的知识准备比较少，所以在调试的过程，总是有一系列的bug出现，最后整体思路也构建好，但是因为没有准备多一点的材料，为了保险起见，就只对之前完成的部分进行了优化，并没有新的突破，这也是很可惜的一个点。

第四天

比赛的最后一天，我们队伍主要对系统的稳定性进行了巩固，重新拟合了数据。随后就封箱了。

经历

我们在比赛过程中遇到的最大问题是材料没有准备充足，还有就是完整系统没有第一天就搭起来，导致在这个过程，要拟合很多次数据，做了重复性的工作。还有一个就是关于并网的理论储备也比较少，导致出现了很多本不应该出现的问题，比如并联的时候，不用同时两个系统都是电流源，否则就会出现不可预料的问题。比赛就是这样，总是会出现一些意想不到的问题。最后，本团队配合默契，斩获2023TI杯国家二等奖。

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