多課程融合的數字電源系統設計綜合案例

蔡逢煌，林建新,，俞 珊，藍麗金，王 武

(1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108；2.福州大學 至誠學院，福建 福州 350002)

0 引言

當前高等教育的目標是要培養具有創新能力、實踐能力和創業精神的新時代大學生。要實現這一目標，培養模式和教學方法是關鍵。目前，高校在培養人才方面比較擅長理論研究的培養，而在實踐能力的培養方面還是一個短板。在此背景下，國內教育界不斷探索新的教學模式，其中案例教學法為首選。案例教學法(case-based teaching)是一種以案例為基礎的教學法，案例本質上是提出一種教境，沒有特定的解決之道，而教師從中扮演著設計者和激勵者的角色，鼓勵學生積極參與討論，不像傳統的教學方法，教師是一位很有學問的人，扮演著傳授知識的角色[1]。

案例庫以福州大學電氣類專業的應用型人才培養模式改革為背景，探討案例教學法在本科教學中的具體應用。該專業的核心課程有：“模擬電子技術”“數字電子技術”“自動控制原理”“單片機原理及應用”“電力電子技術”“系統建模與仿真技術”等。盡管各個課程有相關的實驗或課程設計，但是各課程之間缺少有機聯系，導致各個“知識孤島”。由于缺少綜合鍛煉，學生在畢業設計或論文階段，對各學科的知識難以進行融會貫通，畢業論文的質量受到較大影響。本文是對電氣類專業應用型本科人才培養模式改革的探討，通過對一個綜合案例的剖析，學生可以不斷加深對理論知識的認識和理解，同時做到舉一反三，最終達到主動學習的目的以及提高解決問題的能力。

1 綜合案例背景

根據電氣類專業的特點，綜合案例以數字逆變電源為對象，以開發流程為線索，以開發要素為內容，結合單片機系統開發的方法，全面掌握數字化電源的設計與測試[2-4]。開發要素主要包括：數字化電源的原理分析；器件選型與應用；數字化電源的硬件系統設計；數字化電源的控制方法與仿真分析；數字化電源的軟件系統設計；單片機系統開發工具；系統的測試等。通過本案例的學習，培養學生以下能力：

(1)掌握數字化電源的工作原理，器件的選型與使用方法。這部分涉及到“模擬電子技術”“數字電子技術”“電力電子技術”等課程。

(2)掌握數字化電源的硬件設計。這部分涉及到“單片機原理與應用”“模擬電子技術”“數字電子技術”及“電路”等課程。

(3)掌握數字電源的基本控制理論與控制方法。這部分涉及到“電力電子技術”“自動控制原理”等課程。

(4)掌握仿真軟件的使用。利用仿真軟件對數字電源進行軟硬件和控制算法的仿真。這部分涉及到“系統建模與仿真技術”課程。

(5)掌握嵌入式軟件的開發流程，熟練應用軟件開發工具。這部分涉及“C語言”“單片機原理及應用”等課程。

(6)掌握數字電源的測試方法。

2 數字電源硬件系統設計

2.1 系統方案設計

數字逆變電源的輸入為35～40 V的直流電，輸出為50 Hz，25±0.25 V，1 A的單相正弦交流電。控制器采用TI公司的微控制器TMS320F28027。主電路采用單相全橋逆變拓撲結構。通過對逆變電路的輸出電壓進行采樣，計算出電壓有效幅度值作為反饋量，來調節調制度的大小。控制器產生的SPWM波，經過IR2302橋式驅動電路，驅動逆變電路開關管導通和關斷，實現輸出電壓恒定[5]。逆變器的硬件結構如圖1所示。

圖1 逆變器硬件結構圖

2.2 電路分析及設計

硬件電路由功率主電路、采樣電路、驅動電路、輔助電源四部分組成。其中，采樣電路采用差分放大電路，將主電路的輸出電壓信號變換為0～3.3 V的電壓信號，再經過MCU的ADC模塊采樣，轉換為0～4095的數字量，實現模擬量到數字量的轉換。驅動電路采用IR2302橋式驅動電路，MCU的ePWM模塊產生PWM信號后，經過驅動電路產生一組互補的驅動信號，驅動同一橋臂的兩個開關管導通和關斷。輔助電源為驅動芯片，采樣芯片，MCU提供3.3 V或5 V的工作電壓。

1)控制器

采用TI公司的F28027 LanchPad作為控制板。通過LanchPad可以直接使用板載的仿真器進行程序燒錄和在線調試。F28027是一款主頻可達60 MHz的32位MCU，具有12位精度的ADC模塊和8路PWM輸出的增強型PWM模塊。

2)采樣電路

電壓采樣電路的原理圖如圖2所示，采用OPA2335運算放大器。設計逆變器的輸出電壓范圍為-40～40 V，單片機的允許輸入電壓為0～3.3 V，所以必須進行電壓信號的調理。OPA2335芯片存在A和B兩個運算放大器，B運算放大器組成一個電壓跟隨器，A運算放大器組成一個差分放大電路。其中，運放B的輸出電壓UB7滿足下式：

圖2 采樣電路原理圖

(1)

當R29=R30=100 kΩ時，輸出電壓UB7為2.5 V，形成一個2.5 V的直流偏置電源。

當R24=R26=16 kΩ，R23=R28=1 kΩ時，運放A的輸出電壓UA1滿足下式：

ΔV=Vout1-Vout2

(2)

(3)

當ΔVmax=40 V時，UA1max=5 V。

當R27=3.3 kΩ，R25=1.6 kΩ時，MCU的ADC接口輸入端電壓VADCINB1滿足：

(4)

當UA1max=5 V，UADCINB1=3.367 V，實際電路的輸出電壓小于40 V，所以可以實現將逆變器輸出電壓轉化為ADC模塊允許的輸入電壓范圍。

3)驅動電路

由于MCU的PWM輸出高電平為3.3 V，功率管的驅動電壓為5 V，所以要進行驅動信號的放大。驅動電路采用的芯片為IR2302，其中一個橋臂的電路原理如圖3所示。圖中PWM_1A，PWM_2A，TOA分別連接開關管的柵極G1，G2及橋臂中點。通過自舉電路實現對一路橋臂兩個開關管的控制。

圖3 驅動電路原理圖

4)輔助電源

輔助電源從220 V市電經過灌封變壓器和整流橋整流為10 V的直流電壓后，再經過LM317三端穩壓芯片后輸出5 V，最后通過AMS1117穩壓芯片輸出3.3 V電壓，給實驗板上的芯片供電。

2.3 主回路器件參數選型

主電路交流側接LC低通濾波器，其目的是濾除逆變輸出電流中含有的開關頻率及其鄰近頻帶的諧波。采用歸一化的巴特沃思型濾波器設計方法設計輸出LC濾波器[7]。

設計截止頻率為fc=2 000 Hz，特征阻抗為36 Ω的低通濾波器。

(5)

(6)

上式中，Pf、K為歸一化系數。已知：歸一化的基準電感Lold=1，基準電容Cold=1，Lnew為待設計的濾波電感，Cnew為待設計的濾波電容。選型時選擇3 mH的鐵硅鋁環形電感，2.2 μF的CBB電容。

(7)

(8)

全橋逆變電路的四個功率開關管電壓、電流指標應滿足：Umax>40 V，Imax>2 A。開關管S1～S4選擇AOS公司的MOSFET管AOD2610，其導通閾值電壓為2.5 V，漏源電壓為60 V，漏極電流為10 A，滿足設計要求。

2.4 硬件系統的仿真

采用PSIM軟件對主電路進行仿真，仿真選取LC濾波電感為3 mH，濾波電容2.2 μF。采用單極性SPWM調制，在輸入電壓為38 V，負載為25 Ω，調制度為0.94時，仿真控制圖和仿真結果如圖4所示，輸出電壓為25 V，輸出電流為1 A，仿真結果表明本案例采用的電路拓撲及參數滿足要求。

(a)主回路

2.5 硬件測試

電路焊接完成后，先進行電路板測試。將板子接入220 V市電，如果輔助電源工作正常，輔助電路中LM317穩壓芯片輸出電壓為5 V，AMS1117輸出電壓為3.3 V，板上的電源指示燈亮。

3 數字電源軟件系統設計

3.1 軟件架構

為了便于學生快速入門，掌握MCU的使用，實現數字電源的軟件開發，軟件工程采用四層軟件架構模型[1]，分別是：main，應用層，用戶模塊層，驅動函數層。其中，驅動函數層實現對MCU外設模塊寄存器的操作，提供應用接口函數訪問；用戶模塊層具有特定功能的模塊，封裝某些外設模塊和外部電路以及元件，可以提供API函數訪問；應用程序層主要是中斷程序和應用程序，對用戶模塊進行邏輯設計，完成更復雜的功能；main函數實現對各模塊函數的調用，完成模塊的初始化和特定功能的邏輯時序實現。

基于該軟件架構，學生可以通過調用函數的方式完成項目的程序設計，不僅加快了軟件開發的速度，也對軟件的標準化和模塊化設計有了較好的理解。

3.2 軟件流程圖

根據上述軟件架構，結合本案例，程序可以分為兩大部分，初始化程序和控制程序。初始化程序包括系統時鐘、ePWM模塊、ADC模塊的初始化配置程序、正弦表生成程序等。初始化程序在main函數中進入主循環之前完成。控制程序在中斷服務程序中實現，包括ADC采樣程序、PI閉環控制程序、PWM占空比更新程序等。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

MCU的時鐘頻率為60 MHz。ePWM模塊的計數方式為增計數模式，取開關頻率為25 KHz，調制波頻率為50 Hz，可得載波比為500。ADC模塊采用ePWM觸發采樣，在中斷服務程序讀取采樣結果，因而在一個工頻周期內采樣點共有500個。

3.3 系統開環測試

在完成輔助電源的測試后，進行MCU軟件系統的開環測試和硬件驅動電路的測試。使用示波器測量開關管的驅動波形，如果波形上下管子互補，則表明開環控制的程序正常，且驅動電路正常工作。

4 數字電源的控制算法與仿真

4.1 控制算法分析

為了實現逆變器輸出電壓恒定為25 V，采用輸出電壓有效值單閉環PI控制方式。其原理為：計算一個周期內ADC模塊采樣得到的500個電壓瞬時值的均方根值，得到輸出正弦波的有效值。將給定的正弦電壓有效值與計算出的反饋值相減，得到偏差值，進行數字PI調節，得出調制度的大小，來實現輸出電壓有效值恒定。

PI控制采用經典的抗積分飽和的PI控制，其控制框圖如圖6所示。其中KC為積分校正系數，upresat為限幅之前的控制器輸出。

圖6 抗積分飽和PI控制框圖

PI控制器的比例項up和積分項ui分別為：

up(k)=KPe(k)

(9)

(10)

進入限幅器之前的控制器輸出upresat為:

upresat(k)=up(k)+ui(k-1)

(11)

4.2 控制算法仿真

采用PSIM軟件進行逆變器閉環控制算法仿真，采用試湊法進行PI參數整定。當Kp=0.006，Ti=0.01，Kc=0.01，系統實現較好的控制效果。仿真結果如圖7所示，在t=0.05 s時切載，逆變器的輸出電壓仍然能保持25 V恒定。

圖7 控制算法仿真

5 數字電源的實驗測試

5.1 實驗測試步驟

在進行閉環實驗之前，先進行電路的開環實驗，驗證電路的可靠性。進行開環實驗時，先連接好直流電源，功率電阻，以及輔助電源的220 V電源，其次依次打開輔助電源開關，直流電源開關，然后緩慢增加直流電源電壓，如果電路正常工作，可以在負載端看到輸出50 Hz的正弦波，且電壓波形逐漸變大。

完成開環實驗后，對ADC采樣值進行校準，得出采樣值與輸出電壓的關系，再進行閉環實驗，實驗步驟與開環實驗相同。

5.2 測試數據與波形

閉環測試時，逆變輸出電壓基本穩定在25 V，輸出隨著輸入直流電壓的增加而增加。實驗測試波形如圖8所示。

圖8 實驗測試結果

6 綜合案例在教學中的實踐

該案例已經在課程“電源設計創新實踐”中進行了實踐，取得了較好的教學效果。學生反饋說以前學完一門課不知道具體要用到哪里，怎么用，通過案例的實踐明白了各個課程之間的有機聯系。以下是在案例實踐過程中的具體安排和考核點。

(1)數字電源的硬件系統。包括主回路、輔助電源。考核點：理解逆變器的工作原理和功率管調制方法；理解輔助電源設計方法。

(2)控制電路設計。考核點：驅動回路和采樣電路的原理分析；采樣電路的數學模型。

(3)器件參數設計。考核點：器件選型。

(4)硬件電路仿真。考核點：仿真軟件的使用；電路的原理性驗證。

(5)電源系統開環測試。考核點：單片機軟件平臺的使用；單片機軟件設計；SPWM算法；PWM驅動測試；儀表的使用。

(6)電源系統閉環測試。考核點：反饋電路測試與數據校準；PI控制算法；單片機軟件調試；

(7)拓展：本案例逆變器采用的是單級性調制方法，學生熟悉后可以采用雙極性調制方法。另外，在控制算法上可以結合自動控制原理的理論進行控制器參數的設計。

由于案例項目涉及的課程分布在三個學年，時間跨度長，如果等全部課程結束后再來做這個案例，難以達到最佳訓練效果。我們將結合教學改革進程，把案例的實訓融入到各門課程中，學到哪用到哪，相關課程都學完后，案例的訓練也完成，然后在此基礎上就可以進行更多創新性的實踐。

7 結語

數字電源系統設計綜合案例融合了電氣類專業的多門專業課程，最大化接近實際的工程開發應用。通過該案例的學習，學生可以對專業課程進行融會貫通，為今后從事相關的研發工作打下堅實的理論和實踐基礎。該案例教學也與工程認證中解決復雜工程問題的能力這一培養目標相吻合，能較好地培養學生的實踐能力和創新能力。