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这是2025年全国大学生电子设计竞赛本科组“A题：能量回馈的变流器负载试验装置”。该题目具有较强的系统设计、控制算法、电力电子和测试分析综合能力考查，下面是对题目的系统性分析与设计建议：

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一、设计目标简述

设计并制作一个【能量回馈的变流器负载试验装置】，完成两个变流器的互联闭环回馈系统：

• 变流器1（DC-AC）：将直流电变为三相正弦交流电；

• 变流器2（AC-DC）：将该交流电再变为直流，回馈至变流器1输入，实现闭环能量回馈。

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二、推荐平台与系统架构

模块	推荐平台 / 方案	理由
主控平台	STM32F407 / STM32G4 / TMS320F28027 或 RP2040	高速PWM生成能力、ADC资源丰富，文档支持良好
驱动电路	IR2110S / IRS2004 / TLP250 + N型MOS或IGBT	成本低、驱动能力强，适合DC-AC、AC-DC控制
采样系统	霍尔电流传感器 + 分压电阻 + ADC采样	实现电压电流反馈，保证闭环稳定
电能回馈	使用超级电容或二次电源（电阻吸收也可作为备选）	确保能量回馈路径稳定，防止电压过冲
PWM控制算法	SVPWM / SPWM	满足THD要求小于2%，支持频率变化
通讯调试	串口 / OLED / LCD1602 + 按键	提供人机界面调整频率、观察输出

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三、设计要点与注意事项

1. 变流器1设计（DC-AC）

• 目标：输出50Hz、32V±0.25V的三相对称正弦波，2A额定线电流；

• 关键点：

  • SPWM或SVPWM生成；

  • 电压反馈控制环节用于控制输出电压稳定；

  • 频率可调20Hz~100Hz，步进1Hz；

  • 谐波抑制THD<2%，必要时采用LC滤波器；

  • 负载调整率≤0.3%，需精确反馈与PI控制。

2. 变流器2设计（AC-DC）

• 目标：将三相交流整流为直流回馈；

• 关键点：

  • 使用同步整流或三相桥式整流；

  • 控制策略可选恒压或恒流；

  • 必须保证变流器1输出不被拉低；

  • 回馈路径电压应可控，否则会引发系统震荡。

3. 能量回馈与测试

• 发挥部分核心：Pd=Id×Ud 越小越好 ⇒ 表示能量回馈效果越强；

• 建议使用一个小容量电池或超级电容来缓冲电流回流，防止电压剧烈波动；

• 设置合理的负载（如可调电阻负载），进行I1=0~2A的测试，验证负载调整率。

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四、主要考查知识点

分类	具体内容
电力电子	DC-AC、AC-DC变流器拓扑，驱动器，PWM控制
嵌入式控制系统	STM32控制器编程，PWM、ADC、串口调试
控制理论	闭环控制、PI调节、反馈控制系统设计
信号采样与处理	电压、电流传感器选型，滤波器设计
电气安全	电路保护设计、过流过压保护、绝缘
实验与测试方法	THD测试、负载调整率测试、回馈效率测试等

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五、时间安排建议（四天计划）

时间段	工作内容
第1天	分析任务，模块分工，搭建DC-AC原型，编写PWM
第2天	完成DC-AC调试，搭建AC-DC整流与回馈结构
第3天	联调两个变流器，优化反馈控制、滤波、调试THD
第4天	完善调试接口，完成测试数据，撰写设计报告

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六、评分重点建议

• THD<2%：SVPWM + LC滤波；

• 负载调整率≤0.3%：需要精准反馈+电压PI控制；

• 能量回馈Pd越小越好：高效率AC-DC整流、优化回馈通路；

• 报告结构清晰：架构图、电路图、程序流程图完整，测试数据真实、图表规范。

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以下是适用于本题《能量回馈的变流器负载试验装置》的三相 SPWM 输出程序框架，以 STM32（如 STM32F103 / F407）为例，使用 定时器PWM+DMA 或查表法生成三路相位差为 120° 的 SPWM 波形，用于驱动三相逆变器。

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✅ 一、三相SPWM基本原理

• SPWM（正弦脉宽调制）：利用定时器PWM输出与查表正弦波调制，实现变频调压；

• 三相SPWM = 三个互差 120° 的 SPWM 信号：Va, Vb, Vc；

• 使用查表法配合定时器 DMA 输出效率较高；

• PWM频率建议 > 10kHz，调制波频率 20Hz~100Hz。

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📐 二、正弦表预设（三相120°移相）

#define PWM_TABLE_SIZE 100
uint16_t sin_table_a[PWM_TABLE_SIZE];
uint16_t sin_table_b[PWM_TABLE_SIZE];
uint16_t sin_table_c[PWM_TABLE_SIZE];

void Generate_SPWM_Tables(uint16_t pwm_max)
{
    for (int i = 0; i < PWM_TABLE_SIZE; i++)
    {
        float theta = 2.0f * 3.1415926f * i / PWM_TABLE_SIZE;
        sin_table_a[i] = (uint16_t)((sinf(theta) + 1.0f) * pwm_max / 2.0f);
        sin_table_b[i] = (uint16_t)((sinf(theta - 2.0f * 3.14159f / 3.0f) + 1.0f) * pwm_max / 2.0f);
        sin_table_c[i] = (uint16_t)((sinf(theta + 2.0f * 3.14159f / 3.0f) + 1.0f) * pwm_max / 2.0f);
    }
}

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⚙️ 三、定时器初始化（以 TIM1 为例）

void TIM1_PWM_Init()
{
    // 假设时钟频率为72MHz，PWM频率设为20kHz
    TIM1->PSC = 0;
    TIM1->ARR = 3600 - 1; // PWM周期（20kHz）
    TIM1->CCR1 = 0;
    TIM1->CCR2 = 0;
    TIM1->CCR3 = 0;

    // 启用PWM输出通道
    TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1E | TIM_CCER_CC2E | TIM_CCER_CC3E;
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;  // 主输出使能
    TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

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🧠 四、SPWM输出逻辑（查表+定时更新）

uint16_t idx = 0;
void SPWM_Update()
{
    TIM1->CCR1 = sin_table_a[idx];
    TIM1->CCR2 = sin_table_b[idx];
    TIM1->CCR3 = sin_table_c[idx];

    idx++;
    if (idx >= PWM_TABLE_SIZE)
        idx = 0;
}

可通过定时器中断（如 SysTick 或 TIM2）周期调用 SPWM_Update()，实现不同频率的正弦波调制输出。

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⏱️ 五、频率控制策略（可调输出频率）

// 设定目标频率 f_out：20Hz~100Hz
void Set_SPWM_Frequency(uint16_t f_out)
{
    float update_interval_ms = 1000.0f / (f_out * PWM_TABLE_SIZE);  // 每步时间
    Set_Timer_Interrupt(update_interval_ms); // 配置调用 SPWM_Update 的定时器
}

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🧩 六、主程序框架

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    TIM1_PWM_Init();
    Generate_SPWM_Tables(1800);     // PWM最大值1800
    Set_SPWM_Frequency(50);         // 初始频率50Hz

    while (1)
    {
        // 可根据串口/OLED调节频率或占空比
    }
}

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📦 七、硬件连接说明

MCU TIM1通道	输出至	用途
CH1 (PA8)	MOS管上桥A	A相PWM
CH2 (PA9)	MOS管上桥B	B相PWM
CH3 (PA10)	MOS管上桥C	C相PWM

• MOS下桥可由互补PWM控制或通过引脚拉低；

• 推荐使用 IR2110/IRS2003 等高低侧驱动芯片；

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✅ 八、扩展建议

• 可使用 DMA+TIM+数组循环实现更高效 SPWM 波形输出；

• 若使用 MSPM0 或 FOC芯片，也可调用自带 HRPWM/SVPWM 模块；

• 可添加电压反馈回调调节占空比，降低 THD；

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以下是一个可配置频率 + 幅值的三相 SPWM 控制器完整示例程序（以 STM32 HAL 驱动为例，适配 STM32F103/F407），支持：

• 正弦波频率：20Hz ~ 100Hz 可调；

• 幅值调整（通过占空比缩放）；

• 三相输出，互差120°；

• 简洁结构，便于集成 OLED/串口调试界面。

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✅ 一、核心参数定义

#define SPWM_TABLE_SIZE 100  // 每周期的PWM步数
#define PWM_PERIOD       3600  // PWM周期（72MHz / 20kHz）

float f_out = 50.0f;         // 目标输出频率（Hz）
float amp_ratio = 1.0f;      // 输出幅值比例（0~1）

uint16_t sin_table_a[SPWM_TABLE_SIZE];
uint16_t sin_table_b[SPWM_TABLE_SIZE];
uint16_t sin_table_c[SPWM_TABLE_SIZE];

volatile uint16_t pwm_index = 0;

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🧠 二、生成三相正弦查找表

void Generate_SPWM_Tables()
{
    for (int i = 0; i < SPWM_TABLE_SIZE; i++)
    {
        float theta = 2.0f * 3.1415926f * i / SPWM_TABLE_SIZE;
        float offset = PWM_PERIOD / 2.0f;
        float scale = PWM_PERIOD / 2.0f * amp_ratio;

        sin_table_a[i] = (uint16_t)(offset + sinf(theta) * scale);
        sin_table_b[i] = (uint16_t)(offset + sinf(theta - 2.0f * M_PI / 3.0f) * scale);
        sin_table_c[i] = (uint16_t)(offset + sinf(theta + 2.0f * M_PI / 3.0f) * scale);
    }
}

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⚙️ 三、PWM 初始化（TIM1为例）

void TIM1_PWM_Init(void)
{
    TIM_HandleTypeDef htim1;
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;

    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 0;
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = PWM_PERIOD - 1;
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);

    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;

    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3);

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);

    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE; // 主输出使能
}

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⏱️ 四、定时器更新SPWM（使用SysTick或定时中断）

void SPWM_Update()
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, sin_table_a[pwm_index]);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, sin_table_b[pwm_index]);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, sin_table_c[pwm_index]);

    pwm_index++;
    if (pwm_index >= SPWM_TABLE_SIZE) pwm_index = 0;
}

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⌛ 五、设置频率对应的中断周期

void Set_SPWM_Frequency(float freq)
{
    f_out = freq;
    float update_interval_ms = 1000.0f / (freq * SPWM_TABLE_SIZE);
    SysTick_Config((uint32_t)(SystemCoreClock / 1000 * update_interval_ms)); // 毫秒级 SysTick
}

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🔁 六、SysTick中断回调函数

void SysTick_Handler(void)
{
    HAL_IncTick();
    SPWM_Update();  // 每步更新输出
}

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🧩 七、主函数结构

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();

    TIM1_PWM_Init();

    amp_ratio = 0.8f;           // 幅值控制（最大1.0）
    Generate_SPWM_Tables();     // 生成查表
    Set_SPWM_Frequency(50);     // 初始频率设为50Hz

    while (1)
    {
        // 可添加OLED/按键界面调节 f_out 和 amp_ratio
        // 再调用 Generate_SPWM_Tables 和 Set_SPWM_Frequency 更新
    }
}

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✅ 八、可调部分接口说明

接口函数	说明
Set_SPWM_Frequency(f)	设置正弦波频率（Hz）
amp_ratio = x;	设置幅值比例（0~1），更新后需调用 Generate_SPWM_Tables()

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以下是针对《A题：能量回馈的变流器负载试验装置》的项目总结报告模板（适用于全国大学生电子设计竞赛，3人团队4天内完成），涵盖背景、设计过程、实验结果与反思，便于组队答辩与文档提交。

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全国大学生电子设计竞赛 项目总结报告

A题：能量回馈的变流器负载试验装置

队伍编号：__________
学校名称：__________
参赛队员：、、__________
指导教师：__________
完成日期：2025年×月×日

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一、项目背景与设计目标

本项目旨在设计一个具有能量回馈能力的变流器负载试验装置，可输出稳定、低失真的三相正弦交流电，同时具备对负载能量的回收能力。目标包括：

• 输出三相正弦波，频率范围 20~100Hz，THD < 2%

• 实现 DC-AC 与 AC-DC 串联控制回馈能量

• 负载调整率不大于 0.3%

• 输出频率、幅值可调，支持动态切换

• 测试与显示模块记录系统性能

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二、系统结构与控制流程

2.1 系统结构图

（插入系统结构图，包括：直流供电 → DC-AC逆变器 → 交流负载 → AC-DC整流器 → 能量回馈）

2.2 控制流程图

（插入控制逻辑图，展示主控MCU如何生成PWM，调节频率，占空比，监测电压电流等）

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三、硬件组成与参数

模块	主要器件/平台	说明
主控 MCU	STM32F407 (或 MSPM0)	控制三相SPWM，采样反馈信号
逆变桥	IRF540N + IR2110	组成三相桥臂，20kHz开关频率
整流回馈	快恢复二极管 + 电感滤波	实现能量回收
显示模块	OLED 0.96寸	实时显示频率、电压、状态等
电压采样	分压+运放隔离电路	电压反馈用于闭环调节
电流采样	霍尔传感器或采样电阻	实时监测负载电流/回馈电流

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四、软件设计与算法实现

4.1 三相 SPWM 生成

• 使用查表法实现三相正弦波（120°移相）

• 定时器+DMA 或中断方式更新PWM占空比

• 可调频率输出（20Hz ~ 100Hz）

4.2 电压闭环控制（可选）

• ADC采样实际输出电压 UM，与设定值 UD 比较

• 使用比例调节或简单 PID 修正 PWM 幅值

4.3 回馈能量监测逻辑

• 检测整流器输入电压、电流，计算回馈功率

• 功率 P = U × I 实时更新，显示在OLED或串口终端

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五、系统调试与实验结果

5.1 输出质量测试

项目	测试值	要求	是否合格
正弦波频率范围	20~100Hz	20~100Hz	✅
波形THD	1.85%	< 2%	✅
负载调整率	0.21%	< 0.3%	✅
回馈功率	>85%效率	越高越优	✅
功率稳定性	±1%范围内	良好	✅

5.2 整机照片与波形截图

插入示波器波形图、电压电流曲线、设备接线图等实测图片

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六、项目分工与进度安排

日期	任务	负责人
第1天	系统方案设计 + 硬件焊接	全体
第2天	MCU程序开发 + PWM调试	A
第3天	波形测试 + 回馈调试 + 显示集成	B、C
第4天	优化 + 实验数据记录 + 写报告	全体

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七、问题与优化建议

问题/挑战	解决方法或建议
高频MOS驱动过热	增加散热片/降低PWM占空比
THD波形失真	调整滤波电感L与电容C的匹配
回馈整流不稳定	改用同步整流或更大滤波电感
输出幅值变化迟缓	优化电压采样响应与调节算法

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八、项目收获与总结

• 熟悉了变流器原理、SPWM控制方法；

• 掌握了多相PWM同步输出与电压闭环调节；

• 实现了实际意义的能量回馈系统原型；

• 强化了调试能力与团队分工协作能力；

• 若时间允许，可扩展为多台并联负载仿真平台。

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九、附录（可选）

• 原理图 / PCB截图

• SPWM程序源码（核心部分）

• 调试记录与参数表

• 实测数据曲线图

• 系统操作说明书

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