多課程融合的數(shù)字電源系統(tǒng)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(yǎng)具有創(chuàng)新能力、實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神的新時代大學生。要實現(xiàn)這一目標，培養(yǎng)模式和教學方法是關鍵。目前，高校在培養(yǎng)人才方面比較擅長理論研究的培養(yǎng)，而在實踐能力的培養(yǎng)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(tǒng)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(yè)的應用型人才培養(yǎng)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(yè)的核心課程有：“模擬電子技術”“數(shù)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(tǒng)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(lián)系，導致各個“知識孤島”。由于缺少綜合鍛煉，學生在畢業(yè)設計或論文階段，對各學科的知識難以進行融會貫通，畢業(yè)論文的質量受到較大影響。本文是對電氣類專業(yè)應用型本科人才培養(yǎng)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(yè)的特點，綜合案例以數(shù)字逆變電源為對象，以開發(fā)流程為線索，以開發(fā)要素為內容，結合單片機系統(tǒng)開發(fā)的方法，全面掌握數(shù)字化電源的設計與測試[2-4]。開發(fā)要素主要包括：數(shù)字化電源的原理分析；器件選型與應用；數(shù)字化電源的硬件系統(tǒng)設計；數(shù)字化電源的控制方法與仿真分析；數(shù)字化電源的軟件系統(tǒng)設計；單片機系統(tǒng)開發(fā)工具；系統(tǒng)的測試等。通過本案例的學習，培養(yǎng)學生以下能力：

(1)掌握數(shù)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(shù)字電子技術”“電力電子技術”等課程。

(2)掌握數(shù)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(shù)字電子技術”及“電路”等課程。

(3)掌握數(shù)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(shù)字電源進行軟硬件和控制算法的仿真。這部分涉及到“系統(tǒng)建模與仿真技術”課程。

(5)掌握嵌入式軟件的開發(fā)流程，熟練應用軟件開發(fā)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(shù)字電源的測試方法。

2 數(shù)字電源硬件系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)方案設計

數(shù)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?？刂破鞑捎肨I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(jié)調制度的大小?？刂破鳟a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(xiàn)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(shù)字量，實現(xiàn)模擬量到數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(wěn)壓芯片后輸出5 V，最后通過AMS1117穩(wěn)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(shù)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(shù)。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(huán)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(tǒng)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(shù)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(wěn)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(shù)字電源軟件系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)字電源的軟件開發(fā)，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(shù)層。其中，驅動函數(shù)層實現(xiàn)對MCU外設模塊寄存器的操作，提供應用接口函數(shù)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(shù)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(shù)實現(xiàn)對各模塊函數(shù)的調用，完成模塊的初始化和特定功能的邏輯時序實現(xiàn)。

基于該軟件架構，學生可以通過調用函數(shù)的方式完成項目的程序設計，不僅加快了軟件開發(fā)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(tǒng)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(shù)中進入主循環(huán)之前完成?？刂瞥绦蛟谥袛喾粘绦蛑袑崿F(xiàn)，包括ADC采樣程序、PI閉環(huán)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(shù)方式為增計數(shù)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(fā)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(tǒng)開環(huán)測試

在完成輔助電源的測試后，進行MCU軟件系統(tǒng)的開環(huán)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(huán)控制的程序正常，且驅動電路正常工作。

4 數(shù)字電源的控制算法與仿真

4.1 控制算法分析

為了實現(xiàn)逆變器輸出電壓恒定為25 V，采用輸出電壓有效值單閉環(huán)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(shù)字PI調節(jié)，得出調制度的大小，來實現(xiàn)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(shù)，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(huán)控制算法仿真，采用試湊法進行PI參數(shù)整定。當Kp=0.006，Ti=0.01，Kc=0.01，系統(tǒng)實現(xiàn)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(shù)字電源的實驗測試

5.1 實驗測試步驟

在進行閉環(huán)實驗之前，先進行電路的開環(huán)實驗，驗證電路的可靠性。進行開環(huán)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(huán)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(huán)實驗，實驗步驟與開環(huán)實驗相同。

5.2 測試數(shù)據與波形

閉環(huán)測試時，逆變輸出電壓基本穩(wěn)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(chuàng)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(lián)系。以下是在案例實踐過程中的具體安排和考核點。

(1)數(shù)字電源的硬件系統(tǒng)。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(shù)學模型。

(3)器件參數(shù)設計。考核點：器件選型。

(4)硬件電路仿真?？己它c：仿真軟件的使用；電路的原理性驗證。

(5)電源系統(tǒng)開環(huán)測試?？己它c：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(tǒng)閉環(huán)測試?？己它c：反饋電路測試與數(shù)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(shù)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(chuàng)新性的實踐。

7 結語

數(shù)字電源系統(tǒng)設計綜合案例融合了電氣類專業(yè)的多門專業(yè)課程，最大化接近實際的工程開發(fā)應用。通過該案例的學習，學生可以對專業(yè)課程進行融會貫通，為今后從事相關的研發(fā)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(yǎng)目標相吻合，能較好地培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。