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参赛作品《交直流电子负载 & 电源模拟器》-----完结篇
pcs3
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发表于Thu Jun 22 22:37:00 CST 2017   |  只看该作者 1# 电梯直达
  • 【报名阶段需要填写的内容】


1. 参赛者姓名(必填项):pcs3


2. 单位或学校名称(必填项):泡瓦科技淘宝店

3. 当前职务或职称(必填项):店长


4. 参赛作品的名字(必填项):电源-负载一体模拟器


5. 简要陈述您的idea和作品(必填项):

 

设计一款既能当作数控电源也能当作电子负载使用的设备,实现电能从负载到电网双向流动;可以用于电池充放电循环测试或者电源的老化;

使电源具备负载功能,减少用户重复投资。能量回馈,降低设备体积、重量;

 

作品构想图:

 点击查看大图

 


6. 拟用到的立创商城在售物料(必填项):

STM32F051C8T6

MP2451DT-LF-Z
ICL7660AIBAZA-T

74HC164D

TL084N

……

7. 拟用到的非立创商城物料或其它补充(必填项):

LM5101

 


【作品正式发表(报名成功后进入设计阶段)需要填写的内容】


一、作品简介

例如,可以包括但不局限于以下内容:

1.作品的整机外观图片或焊接组装好的PCBA图片;

  点击查看大图    

                                              裸板  

    

                                                      完成装机

 下次一定用激光去雕外壳几个样品,挖那几个洞搞了一下午,NND现在打字手都在抖。真是吃力不讨好,几个孔还搞歪了(┬_┬)

 

2.作品的研究背景、目的和功能、市场应用前景;

背景:在电源测试领域,有着大量的老化需求。传统方法是水泥电阻或者是能耗式电子负载进行放电测试,消耗大量电能不说,引起的环境发热极度的影响了人们工作场所的舒适性。

市场上现有的能量回馈式负载仅限于大功率场合,要么电压非常高,要么电流非常大。对于这种几十瓦以内的测试需求没法覆盖到。而这种小功率场景却又是最常见的。因此有必要开发一款这种设备。实现节能环保,环境友好的电源测试。

考虑到电池测试的需求,因此要求测试设备既能输出又能输入功率。这就是本案例设计的初衷。

 

研究目的:设计实现一台四象限工作的双向变流器,实现电源和负载功能的模拟。正向能量传输模拟电源,反向能量传输模拟负载。也就是说该设备既可以工作在电源模式给设备供电,也可以工作在电子负载模式给电源放电。源和载的功能通过面板按钮的设置切换或者通信指令切换,实现一机两用,减少设备重复投资。同时作为电子负载放电的过程是节能回馈式的,可以减少发热,实现设备的小型化,大量节省用户的电费。

 

功能:恒压恒流电源 + 恒压恒流放电能馈式电子负载一体机  简称:电子负载/电源模拟器

 

市场应用前景:

以某移动电源生产厂家为例,一共建有10K点充放电测试端口。每端口功率10~20W,取平均值15W。总的放电功率150KW。

平均电费按照0.85元计算,每端口工作时间16小时/天,一年300天计算。总的电费在150*16*300*0.85=61.2万元。

按照节能回馈率85%计算,直接经济效益52万元左右。减少空调制冷费用还未包含在内。

 

同样的案例也可以应用在电源适配器厂家等等~

 

 

3.作品在创新性、趣味性、实用性甚至公益性方面,有哪些亮点可体现?

创新性:电源和负载的集成设计

趣味性:测试工具,貌似也不好玩。工具控例外。

公益性:节能减排,减少二氧化碳排放

 

二、系统构架图

用流程图或思维导图等形式,描述您的作品的组成构架,即方案图。

系统构成:

 点击查看大图

系统详细框图

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 工作原理

整个系统有三大单元构成:PWM整流器+双向DC/DC变换器+有源差模滤波器单元

PWM整流器电路是整个系统的核心,实现功率的交流功率到直流功率的双向流动。并可以模拟负载特性,实现与并网电流与电网电压的超前、滞后、整流、逆变等状态的切换。

双向DC/DC变换器作为直流伺服电源提供有源滤波器想获得的工作电压,正向时工作在BUCK状态,反向时工作在BOOST状态。控制目标是使得后级的有源滤波MOSFET的直流压降尽可能的小,降低这个器件的发热。相比传统的线性稳压电路,这里这个调整管因为压降非常低(0.3V左右),所以损耗很小,发热也很小。这就是为什么这个电源功率大,而基本不用加散热器的原因。

有源滤波单元将获得的电压进一步滤波处理。这里准确的讲其实是混合模式滤波,很高频的噪声利用小的差模电感和电容来滤掉,而中低频的噪声由串联MOSFET滤波。好处是获得很小的纹波噪声,同时因为无源器件的感量、容值都较小,电源的动态响应也很快。这样解决了电源动态和纹波之间的矛盾。

整个系统由两片MCU独立控制,两个单片机之间通过通讯建立联系,交换彼此的工作状态,协调工作。实现并网和逆变的平滑切换。

 

三、硬件部分的描述

1.附上原理图&PCB实物图的图片或者源文件(官方建议大家尽量用源文件上传),如果是图片,请确保图片是清晰可辨的;

 

主功率拓扑

  点击查看大图

 MOSFET驱动电路

 

驱动保护逻辑

 

信号调理电路1

 

信号调理电路2

 

信号调理电路3

 

信号调理电路4

 

 

信号调理电路5

 

按键显示及编码器电路

 

 

单片机外围电路1PWM整流器控制)

 

 

单片机外围电路2DC/DC及输入输出控制)

 

辅助供电电源1

  

辅助供电电源2

 

2.用文字把该作品的实现原理、系统的工作过程大致讲解一下。

作为实验电源的应用:

 如图,电网黄色电压波形与红色电流波形同相位时,即工作在电源模式。此时从电网抽取能量供给负载。这时相当与传统的稳压直流电源,具备恒压恒流输出的特性。

从图中红色电流波形可以看出,在电源模式运行时,该电源具备PFC(功率因素矫正)功能。

  

     相关性能指标如下:

     交流侧输入:     AC 220V ±20%

     直流输出:       0~25V     步进值 10mV

     输出电流:       0~3A        步进值 1mA

     电压显示分辨率: 10mV

     电流显示分辨率:  1mA

     电压控制精度:   10mV

     电流控制精度:    1mA

     典型输出纹波:    小于2mV rms10mv pp

   电源模式满功率50W输出

 

 作为能量回馈式电子负载:

如图,电网黄色电压波形与红色电流波形反相位时,即工作在负载模式。此时从将能量从被测电源供给电网。

这时相当于一台光伏并网逆变器,同时输入端口具备恒压恒流输入的特性。从图中红色电流波形可以看出,在负载模式运行时,该电源具备功率因数为-1的特性。

 

 

指标典型值:

交流侧输入:     AC 220V ±20%

直流输入:      1.0~25V    步进值 10mV

输入电流:       0~3A        步进值 1mA

电压显示分辨率: 10mV

电流显示分辨率:  1mA

电压控制精度:   10mV

电流控制精度:    1mA

负载模式达到60W的测试功率

典型输出纹波:    小于2mV rms10mv pp

 

作为交流电子负载:

通过两台这样的设备级联,可以构成一台交流电子负载,用于交流UPS、恒频发电机的加载测试等等;因为时间关系,只调试制作了一台该设备,未模拟交流电子负载的状态运行。

此外随着电动汽车的流行,将来报废下来的电池用来做储能,利用这样一台设备就可以帮助电网实现调峰。赚取电费差价,是不是有点小超前?想想都有点小激动啊。当然上述只是一种设想,当前最有价值的应当是应当是电源的老化测试或者电池组的充放电自动化测试。

 


四、材料清单(BOM列表)

列出您这个作品所用到的主要器件(关键器件即可),比如单片机&ARM芯片、专用集成芯片(ASIC)、传感器、功能模块等。

如果所列出的芯片是来自我们立创商城上的,最好能写出该器件的商品编号或附上对应购买链接。

核心器件:

     ST(意法半导体)/STM32F051c8t6     http://www.szlcsc.com/product/details_10395.html

     负压IC  ICL7660    http://www.szlcsc.com/product/details_8358.html

     TL084CDT           http://www.szlcsc.com/product/details_11677.html

     光电耦合器          http://www.szlcsc.com/product/details_7114.html

     逻辑器件            http://www.szlcsc.com/product/details_6044.html

     DC-DC芯片/MP2451DT        http://www.szlcsc.com/product/details_14780.html


 

五、软件部分的描述(选填)

如果您的作品涉及到软件,请列出作品对应的软件工作流程图,及关键部分的例程、源码(如果您想开源的话请上传全部源码)。

省略


 

六、作品演示

请上传您的作品的功能演示到腾讯视频,并编辑到本楼(或附上视频链接)。按要求上传视频可获得5分,具体详见活动规则。

 

如下视频演示的是随着输入/输出功率的调整,并网电流的瞬态响应效果。

软件中实现了电网相位跟踪和幅值调整的配合。所以能看到这两者(红色波形大小和相位)的变化。

 

 

视频链接:

https://v.qq.com/x/page/x0536coaueq.html 
 

七、总结

例如您在完成该作品过程中的一些体会、碰到的技术问题或调试经验、作品的未来规划,及对我们主办方的建议和意见等。

 

主办方的建议和意见

嘉立创是一个很好的平台,拉近了技术与需求的距离。

去年第一年抱着试一试的心态的参赛居然斩获一个三等奖,这里顺便也感谢下袁总将之前那个方案推荐为开发案例,让我收获了很多的合作机会。将来会一如既往的支持嘉立创,希望嘉立创以后的路越走越远!

 

调试心得体会

从方案设计、仿真、计算、画板、写软件,调试,忙了几个月。当然方案的思考和论证持续了好多年~

当年还是学生的时候,老师出的一个题目,毕业论文做了一台效果不满意,拆了。工作好几年了,今天才算是勉强交了答卷。虽然已经不是学生,但还是可以自娱自乐下,赫赫~

1、被驱动芯片异常误导一次,驱动芯片损坏不严重时,会导致偶尔发波异常,时序出错,再好的控制策略都没法执行。

2、数学建模很重要,瞎调参数不如仔细建模算一算。

3STM32单片机ADC输入阻抗很小,所以采样电阻最好不要大于10K欧姆。

4、卡在一个环节很久时,不如停下来,隔段时间再想一想。一直不停的调,会陷入死循环,费时费力,无助于解决问题。

5M3确实比M0快不少,M0环路只能到13KHzM3可以到近50KHz。贵有贵的道理。不过这里M0勉强也够用了。

6STM32单片机的串口TXRX是可以交换的,板子做错了,还好软件可以改。

7PCB板布线很关键,特别是开关电源。地分割及接地点选择非常重要。

8、数控电源的校准很麻烦,参数多,费时费力,后续可以考虑搞个自动校准。

9、升压模式,转换效率和电感关系很大。感量大,电感纹波电流小,效率高。

10、并网调试时需要做好保护措施,尤其是直流母线电压钳位保护,不然很有可能爆掉电容。

 

 

该帖子已被pcs3于Mon Aug 14 22:06:57 CST 2017编辑过
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立创商城赵...
【官方工作人员】
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发表于Fri Jun 23 11:13:06 CST 2017   |  只看该作者 2#

欢迎楼主再次参与! 期待楼主的佳作!

您已经报名成功!

您现在就可以开始进行设计工作了,后期相关内容请在一楼编辑进行完善。

当前所有参赛选手分值统计表及活动详细介绍见:  http://www.szlcsc.com/go/17523dej


请楼主再接再厉!    

我们记得去年您的获奖作品是这个:“低纹波(1mV rms)恒压恒流电源”

http://club.szlcsc.com/article/details_610_1.html

《立创快报》总编辑、立创电子公共实验室建设者,企业QQ:2355740879
立创君
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发表于Fri Jun 23 19:17:30 CST 2017   |  只看该作者 3#

>楼主已完成主动传播,恭喜再获5分。

>参赛选手分值统计表及活动详细介绍见:http://www.szlcsc.com/go/17523dej

>报名成功后只需在朋友圈发布特定的图文内容即视为主动传播,这就是传说中的“送分题”,详询立创君微信号:LCSCSZ

立创商城(WWW.SZLCSC.COM),在线订单成交量全国领先的一站式元器件采购自营商城。
TANK
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发表于Mon Aug 07 16:16:04 CST 2017   |  只看该作者 4#
即是交直流电子负载又是电源模拟器,这个想法真不错。等弄好了,买一台用用。支持!
pcs3
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发表于Fri Aug 11 17:26:36 CST 2017   |  只看该作者 5#
辛苦了半天上传,自己顶个贴。就差个视频审核了
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多维空间
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发表于Fri Aug 11 17:42:19 CST 2017   |  只看该作者 6#
并网?
自由 平等 互助 共享
風火流云
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发表于Fri Aug 11 18:00:39 CST 2017   |  只看该作者 7#

楼主确定是完结篇了吗,还差了视频哦。要是因为这几分中了大奖不用谢我,来个红包就好了


pcs3
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发表于Fri Aug 11 20:43:00 CST 2017   |  只看该作者 8#
風火流云 发表于 Fri Aug 11 18:00:39 CST 2017  7# 楼主确定是完结篇了吗,还差了视频哦。要是因为这几分中了大奖...
呵呵    视频上传了,审核需要时间。刚刚附上链接了
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pcs3
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发表于Fri Aug 11 20:45:43 CST 2017   |  只看该作者 9#
多维空间 发表于 Fri Aug 11 17:42:19 CST 2017  6# 并网?
是的,功率因数可以任意调节的并网


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pcs3
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发表于Fri Aug 11 20:52:18 CST 2017   |  只看该作者 10#
TANK 发表于 Mon Aug 07 16:16:04 CST 2017  4# 即是交直流电子负载又是电源模拟器,这个想法真不错。等弄好了,...
涉及并网的东西,我可不敢随便卖呀?,还是先测试充分些
如果你有测试环境,也愿意当小白鼠,后面改版可以成本价搞一台给你玩
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立创君
【官方工作人员】
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发表于Sat Aug 12 00:06:02 CST 2017   |  只看该作者 11#
视频标题名不符合活动规则的加分要求哦(标题须为"第二届立创商城电子制作节参赛作品:《作品名》"),建议参考作品《高精度电源》在腾讯视频的标题并登录腾讯视频后台重新编辑下标题,改一改又能多5分![小黄人坏笑]
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DAB1968
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发表于Sat Aug 12 07:59:38 CST 2017   |  只看该作者 12#

用了三片通信?   请问楼主不用一片更多引脚芯片做控制是出于什么考虑?

还有楼主最后说的:STM32单片机的串口TXRX是可以交换的,,请问你说的可以交换式说TX RX相互交换还是说GPIO复用,用另一组串口??

另外还想请教一下:系统带宽到50KHz工作稳定吗  

DF104D
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发表于Sat Aug 12 12:01:10 CST 2017   |  只看该作者 13#
死机
pcs3
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发表于Mon Aug 14 21:50:36 CST 2017   |  只看该作者 14#
立创君 发表于 Sat Aug 12 00:06:02 CST 2017  11# 视频标题名不符合活动规则的加分要求哦(标题须为"第二届立创商...

ok,已经改了。多谢提醒

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pcs3
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发表于Mon Aug 14 21:55:46 CST 2017   |  只看该作者 15#
DF104D 发表于 Sat Aug 12 12:01:10 CST 2017  13# 死机

不明所以      

猜一下,如果指软件不可靠导致死机问题,完全没有必要。

数字控制的电源在生活中太常见,高端电源都是数字控制的,可以非常灵活的实现智能控制。这是纯模拟电源想都不敢想的事情。将来的趋势也是数字化,就连现在我们常用的手机适配器也在开始采用数字控制。

 

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pcs3
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发表于Mon Aug 14 22:05:05 CST 2017   |  只看该作者 16#
DAB1968 发表于 Sat Aug 12 07:59:38 CST 2017  12# 用了三片通信? 请问楼主不用一片更多引脚芯片做控制是出于什...

用了两片MCU+双向DC/DC控制器实现。

1、多个MCU相当于多核,一个脑袋做几件事会忙不过来。几个脑袋各自负责自己的事情,再定时交流数据,在架构上比较好,更容易做到控制的解耦。

2、TX RX相互交换是板子连线定义反了,改下软件配置就可以顺过来,不用割线。不是IO复用,实际上好多IO都空着的,用不完哈。

3、系统带宽到50KHz是指电流环,理论上单周期控制,一个控制节拍就能完成电流指令的调整。我觉得电流环的速度是越快越好,调得慢越会导致过流等问题来不及响应。

 

 

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立创小程
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发表于Sat Aug 26 15:24:30 CST 2017   |  只看该作者 17#
在这激动人心的时刻,恭喜楼主入选第二届立创商城电子制作节30强,30强&入围奖名单:http://club.szlcsc.com/article/details_8910_1.html
第三阶段投票正式开始,这不仅仅是对您自己实力的认可,更是对其他选手的肯定,还是一个继续学习的机会,为您喜爱的作品投上您那宝贵的一票,投票:http://club.szlcsc.com/article/details_8913_1.html
不断前行
长风大侠
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发表于Tue Sep 19 10:07:27 CST 2017   |  只看该作者 18#
楼主可否加我QQ 498209917想跟您请教下技术上的问题
pcs3
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发表于Fri Sep 22 21:05:15 CST 2017   |  只看该作者 19#
长风大侠 发表于 Tue Sep 19 10:07:27 CST 2017  18# 楼主可否加我QQ 498209917想跟您请教下技术上的问题
有问题直接帖子里说吧
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穷惯但乐
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发表于Sun Mar 25 20:51:41 CST 2018   |  只看该作者 20#
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