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【2023电赛】基于CW32全国电赛A题省一等奖（EG8025方案）
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简介
本项目基于EG8025和CW32，实现对直流电的逆变，湖南省一等奖。
简介：本项目基于EG8025和CW32，实现对直流电的逆变，湖南省一等奖。开源协议
：GPL 3.0
(未经作者授权，禁止转载)创建时间：2023-04-17 10:46:27更新时间：2023-10-23 11:45:43
描述
基于CW32的单相逆变器并机系统设计
全国大学生电子设计竞赛简介
全国大学生电子设计竞赛（National Undergraduate Electronics Design Contest，简称TI杯）是教育部和工信部共同发起的大学生学科竞赛之一，该竞赛面向大学生群众性科技活动，目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容改革。竞赛的特点是与高等学校相关专业的课程体系和课程内容改革密切结合，以推动课程教学、教学改革和实验室建设工作。
全国大学生电子设计竞赛从1997年开始每二年举办一届，竞赛时间定于竞赛举办年度的9月份，赛期四天。全国大学生电子设计竞赛每逢单数年的9月份举办，赛期四天三夜（具体日期届时通知）。在双数的非竞赛年份，根据实际需要由全国竞赛组委会和有关赛区组织开展全国的专题性竞赛，同时积极鼓励各赛区和学校根据自身条件适时组织开展赛区和学校一级的大学生电子设计竞赛。
一般赛题主要有以下几大类型：
1、电源类：简易数控直流电源、直流稳压电源；
2、信号源类：实用信号源的设计和制作、波形发生器、电压控制LC振荡器等；
3、高频无线电类：简易无线电遥控系统、调幅广播收音机、短波调频接收机、调频收音机等；
4、放大器类：实用低频功率放大器、高效率音频功率放大器、宽带放大器等；
5、仪器仪表类：简易电阻、电容和电感测试仪、简易数字频率计、频率特性测试仪、数字式工频有效值多用表、简易数字存储示波器、低频数字式相位测量仪、简易逻辑分析仪；
6、数据采集与处理类：多路数据采集系统、数字化语音存储与回放系统、数据采集与传输系统；
7、控制类：水温控制系统、自动往返电动小汽车、简易智能电动车、液体点滴速度监控装置。
2023年全国大学生电子设计竞赛A题题目及要求
一、任务
设计并制作由 2 个单相逆变器组成的并联系统，系统框图如图 1 所示，逆变器并联后可为电阻负载 RL供电，也可通过变压器 T 并入 220V 电网
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%。A - 2 / 3
（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%
三、说明
（1）制作时须考虑测试方便，合理设置测试点，测试过程中不得重新接线。
（2）可使用功率分析仪等测试逆变器的效率、THD 等。
（3）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。
（4）本题定义：1）负载调整率 SI1=| 𝑈o2 U − o1 𝑈o1|，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。
（5）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。
（6）发挥部分（3）中的相对误差绝对值 δ = | 𝐾设定−𝐾实测 𝐾设定 ，其中 K 设定为设定的 数值，K 实测为实测出的数值。
（7）逆变器 1 与逆变器 2 各自独立，不得共用一个控制器。
（8）本题的直流电源 1 和直流电源 2 自备。
（9）逆变器并网时，应满足并网条件，确保人员及设备安全。
2.系统总体设计方案
2.1 系统框架
2.2 交流过零相位信号追踪方案论证
方案一：软件过零点检测。单片机过零检测交流电程序的实现主要基于 ADC 采样和比较器比较的原理。通过外部电路采样交流电波形，将采样数据输入到 ADC 获取其电压值，并与参考电压进行比较得出输入电压的正负性。当输入电压经过零点时，正负性会发生变化，这时比较器会检测到信号变化，从而触发单片机过 零检测的程序。
方案二：硬件过零点比较。采用逻辑芯片搭建比较电路，捕捉到外部信号的过零点生成方波，使用 MCU 的输入捕获功能可以记录对这个方波上升沿和下降沿之间的时间，通过计算可得到相位值。 基于尽量简化硬件，为后续软件调试提供充足时间的思路，经过综合比较， 本设计选取方案二。
2.3 主控方案论证
方案一：采用 FPGA 作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能， 规模大，密度高。但由于本设计对数据处理速度要求不高，FPGA 的高速处理的优 势得不到充分体现，且其成本偏高，芯片引脚较多，硬件电路板布线复杂，将加 重电路设计和实际焊接的工作。
方案二：采用 CW32F103 系列 32 位单片机作为系统控制器。CW32F103 系列 单片机通过时钟倍频，主频高达 72MHz，且单片机片内集成了多通道 12 位 ADC， 2方便用户设计数模混合系统。
方案三：采用 TI 的 MSP430 系列单片机作为系统控制器。该款单片机是一款 通过模块智能化运行管理 CPU 状态的 32 位超低功耗单片机，工作电压 1.8V~3.6V。 定时器、I/O、A/D 转换等各个模块均可在 CPU 休眠状态下独立运行，在 CPU 需 要工作时，均可通过中断唤醒 CPU，从而使系统以最低功耗运行。 考虑到所使用核心控制器的计算能力有限，使用 STM32F103 方案对系统来说更节省资源，经过综合比较，本设计选取方案二。
2.4 逆变控制方案论证
方案一：基于 DSP 双闭环控制的单相逆变电源设计与实现：该方案可以保证逆变电源输出的稳定，并有良好的动态性能，成本低，但是软件算法较为复杂， 整体系统难度较高。
方案二：EG8025：采用电流模式、中心对齐 PWM 调制方式，能带感性和容性负载，集成同步过零信号输出及可设置的 0 度/120 度相位跟踪，通过级联方式实现单相逆变器功能，支持多机应用，中心对齐 PWM 调制方式和内置两路 600V半桥高压 MOS 驱动器等一体的数模结合芯片，EG8025 通常适用于小功率的单相逆变器设计。 结合实际情况考虑到 EG8025 逆变方案具有成本低、易于实现和调试的优势， 适用于小功率的逆变器应用。因此，在设计过程中，根据具体需求选择方案二。
2.5 理论分析与计算
由于电网与逆变器的输出不是同步的，所以会有相位差，如果强行并网，会导致电网电压窜入逆变器烧毁元器件，所以同相位是非常关键的点。采用相位追踪是一个非常好的方法，根据交流电有正半周期，通过光耦隔离，得到正弦波的零点，再通过软件算法进行同步，而光耦会造成相位偏差，这个时候就需要 RC 低通滤波来补偿相位点，通过 RC 充放电公式可知：改变 RC 值可以提前相位，减小RC 值可以滞后相位。
通过软件算法得到相位差，再去补偿。RC 串并联选频网络的相位角取决于电路中的电阻和电容值以及输入信号的频率。对于串联 RC 电路，相位角（φ）可用以下公式计算：φ = atan(-ωRC) 其中，ω是输入信号的圆频率，R 是电路中的电阻值，C 是电路中的电容值。 对于并联 RC 电路，相位角（φ）可用以下公式计算：φ = atan(1/ωRC)其中，ω、R 和 C 的含义与上述相同。
3. 装置硬件组成
H桥电路由四个场效应管组成，两个场效应管为一组，一共两组场效应管，由于每组场效应管为串联结构，所以上管需要增加自举电路，同时由于场效应管管有栅极电容，所以需要泄放电阻，同时每路场效应管带有采样电阻采集电流，经过SPWM调制后的信号经过后级LCL滤波，将高频调制信号滤除，得到50Hz纯正弦波。，其电路图如图2所示。。
3.1 H桥逆变电路
3.2 主控电路
主控电路由CW32F030组成，CW主控采用CW32F030C8T6最小系统开发板，最高主频64MHz， 64K 字节FLASH，数据保持25年，8K 字节RAM，支持奇偶校验128字节OTP存储器，五通道DMA控制器，完全超越STM32，在航天航空以及国防军事方面有广泛的应用，
性价比超高，同时可以免费申请开发板。2021年是CW成立20周年，也是芯源半导体加速高质量发展的一年，更是实现上市公司从代理分销转型为芯片设计与代理分销并举的双核心战略重大转折的一年。未来，公司将继续稳健前行，在芯片研发领域做专做强，积极响应和落实国家对芯片行业国产替代的伟大战略。
3.3 逆变芯片电路
逆变芯片为EG8025，EG8025的优点有：
【1】采用电流模式、中心对齐 PWM 调制方式，能带感性和容性负载。
【2】SPWM 载波频率 20KHz，适合大功率 MOS 管和 IGBT 管的应用。
【3】集成了两路 600V 半桥高压 MOS 管驱动器，驱动能力为±2A。
【4】集成四路独立的 MOS 管峰值电流保护电路及内置四路 200mV 基准源的比较器供用户设定保护值。
【5】集成了四路高速运放及一路高速比较器，两路运放用于交流电流放大器，一路运放用于交流输出电压。
反馈，一路运放用于短路保护和一路比较器用于限流保护。
【6】输出电压和输出电流是每个 PWM 周期实时处理，能实现精确跟踪。
【7】 集成同步过零信号输出及可设置的 0 度/120 度相位跟踪，通过级联方式实现组三相逆变器功能.
4. 软件部分
4.1 主程序流程如图所示。
4.2 并机程序设计思路
并机供电流程如图所示。
4.3 并网程序设计思路
并网程序设计流程图如图所示。
4.4 主要程序说明
4.4.1 CRC校验初始化
CRC校验是非常重要的一个步骤，由于我们交流电对我们通信信号有干扰，所以使用CRC校验之后的数据是完全没有问题的，非常抗干扰。首先需要对CRC做一个初始化。
4.4.2 CRC数据提取
对于我们得到的CRC串口数据，我们需要提取出来，在OLED显示屏上显示
4.4.3 程序框架
程序框架放为三个主要的部分，第一个是主函数内部运行的程序，第二个是OLED显示的程序，第三个是CRC校验的函数。上电步骤为单片机先上电，逆变器再上电，单片机向逆变器发送数据，得到运行状态，再开始运行。保证整体设备的安全性，大大降低烧坏MOS的情况。比赛的时候没有烧坏一颗MOS。
5. 测试方案与测试结果
5.1 测试方案及条件
1）测试条件：万用表，示波器，直流电源，功率分析仪。（最好列表，列出型号、数量）
2）测试方案：将直流电源接入逆变器1，将万用表串联到线路中，观察电流，以及并联万用表观察电压，得到输入功率。同时在输出将万用表串联到线路中，观察电流，以及并联万用表观察电压，得到输出功率。用示波器看频率以及用功率分析仪看THD失真度。
5.2 测试结果
测试结果如表2所示。（按要求分别列表，要有误差计算）
表2 测试结果
|
编号
|
电压
|
电流
|
频率
|
THD
|
效率
|
负载调整率
|
是否合格
|
|
1
|
24.02V
|
0A
|
50.3HZ
|
1.65%
|
无
|
无
|
合格
|
|
2
|
24.03V
|
0.5A
|
50.8HZ
|
1.69%
|
96%
|
0.012%
|
合格
|
|
3
|
24.07V
|
1.03A
|
50.5HZ
|
1.72%
|
95%
|
0.015%
|
合格
|
|
4
|
24.08V
|
1.5A
|
50.2HZ
|
1.86%
|
93%
|
0.017%
|
合格
|
|
5
|
24.10V
|
2.05A
|
50.3HZ
|
1.95%
|
90%
|
0.019%
|
合格
|
5.3 结果分析
通过多次测试，设计满足题目的要求。
5.4 结论
本方案以STM32F103为核心构建了单相逆变器并联运行系统。本系统通过硬件相位过零追踪电路对并网相位的精确测量，使得并网质量提高，使用低电阻场效应管以及低阻抗电容提高整体的效率，用双极性SPWM调制提高正弦波的质量，通过软件补偿算法实现了输出电压的精确控制，具有电压精度高，电流大，整体效率高，控制响应速度快的优点。最终完全达到了题目要求的全部各项性能指标。
5.5 实物展示
5.6 演示视频
6. 参考文献
【1】邓长吉,刘向立,胡永华等.基于dq坐标变换的单相逆变器控制技术研究[J].电气传动,2015,45，(09):30-32+38.
【2】 龚旭,谢岳.基于观测器的单相逆变器控制技术研究[J].中国计量学院学报,2009,20(01):41-45+70.
【3】吴威.单相光伏并网逆变器控制系统分析与仿真研究[C]//江苏省电机工程学会城市供用电专业委员会.2017年江苏省城市供用电学术年会论文集.2017:155-159.
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