單片機控制的小型發(fā)電機逆變電源的研制

中頻汽油發(fā)電機作為一項重要的電能源，在需要備用電源和流動(dòng)性作業(yè)的場(chǎng)合具有重要作用。其特別適用于野外、礦山施工作業(yè)，企事業(yè)單位備用電源以及災后小功率臨時(shí)用電，具有簡(jiǎn)單可靠，便于維修等特點(diǎn)。由于汽油發(fā)電機輸出的是頻率和電壓都與市電不同的三相交流電，電壓和頻率的值比較高，不符合大多數用電設備的使用要求，而且輸出電壓隨負載的變化波動(dòng)較大，因此需配備自動(dòng)電壓調節器（AVR）使輸出電壓和頻率在負載變化時(shí)達到穩定。傳統的模擬控制方法輸出電壓質(zhì)量差，耗能大。而隨著(zhù)計算機技術(shù)和電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，數字化、智能化控制已成為逆變電源發(fā)展的必然。與傳統的控制方法相比，微機控制的中小型汽油發(fā)電機逆變電源設計靈活，系統可靠，能實(shí)現實(shí)時(shí)的監控和診斷。但目前的產(chǎn)品大多只有一種模式，即滿(mǎn)載工作方式，不能實(shí)現轉速隨負載的變化而實(shí)時(shí)調節。主要原因是汽油發(fā)電機的精確數學(xué)模型在實(shí)際運行中較難得到，傳統的基于線(xiàn)性系統的控制方法容易導致不良的動(dòng)態(tài)過(guò)程或系統不穩定。

本設計采用非線(xiàn)性方法來(lái)解決這一問(wèn)題，將模糊控制應用到控制系統中去。汽油發(fā)電機的油門(mén)采用步進(jìn)電動(dòng)機進(jìn)行控制，整個(gè)系統分為節油模式和滿(mǎn)載模式，在負載頻繁變動(dòng)的場(chǎng)合采用滿(mǎn)載模式，其他場(chǎng)合采用節油模式，根據負載的變化自動(dòng)調節發(fā)電機油門(mén)，整個(gè)系統通過(guò)硬件和軟件上的靈活設計保證其在節油降耗的基礎上具有良好的穩定性和動(dòng)態(tài)性能。

基本工作原理
汽油發(fā)電機常被作為移動(dòng)式的獨立電源來(lái)使用，主要由汽油機、同步交流發(fā)電機和控制器組成。設計中所用汽油機發(fā)出的三相交流電頻率為350～640Hz，電壓為300～550V，通過(guò)三相整流橋變成直流高電壓，然后經(jīng)過(guò)降壓環(huán)節（降壓變換器）降至350V左右，最后通過(guò)逆變環(huán)節和LC濾波器變換成220V/50Hz的交流電供負載使用。為了降低主電路的開(kāi)關(guān)損耗，逆變器采用單極倍頻電壓型SPWM軟開(kāi)關(guān)DC/AC變換電路。
控制電路以單片機為中心，為使輸出電壓在負載變化時(shí)能夠穩定，首先在降壓環(huán)節中引入了傳統的PID控制算法，將降壓環(huán)節輸出電壓穩定在350V，以使逆變器輸出穩定的220V/50Hz的交流電。當降壓環(huán)節不能使輸出電壓達到穩定時(shí)，則根據反饋電壓與給定電壓的偏差及偏差的變化率作為模糊控制器的輸入量進(jìn)行調節，得到合適的油門(mén)開(kāi)度，即可實(shí)現輸出電壓的穩定和良好的動(dòng)態(tài)性能。

控制系統的組成
整個(gè)系統用PIC16F877作為主控芯片，它在保持高速度和低價(jià)格的前提下集成了看門(mén)狗定時(shí)器、FLASH程序存儲器、10位A/D轉換接口、兩路PWM輸出等電路，所以在進(jìn)行開(kāi)發(fā)設計時(shí)，外部電路比較簡(jiǎn)潔，能較好的滿(mǎn)足要求。

控制器方案主要包括硬件和軟件兩部分。硬件設計主要由驅動(dòng)模塊、油門(mén)控制電路、逆變橋專(zhuān)用SPWM控制器、SG3525脈寬調制電路、電壓電流檢測電路等組成。設計選用既有隔離功能又具備驅動(dòng)能力的TLP250作為驅動(dòng)模塊；逆變橋控制器采用PIC16F873進(jìn)行開(kāi)發(fā)，直接利用單片機自身提供的PWM輸出接口輸出兩路SPWM驅動(dòng)脈沖；反饋信號的采樣檢測選用單片機內部分辨率高和抗干擾能力強的A/D進(jìn)行轉換；整個(gè)硬件設計方案簡(jiǎn)潔，可靠性較高。

系統的軟件部分主要包括油門(mén)模糊控制程序，逆變控制器SPWM脈沖輸出程序，主控芯片在過(guò)壓過(guò)流情況下的中斷保護程序以及與逆變控制器的通訊程序。其中，發(fā)電機油門(mén)的模糊控制程序是整個(gè)系統的難點(diǎn)和核心，如果控制量計算不合適非但不能達到節能降耗的目的，還將造成系統的振蕩和輸出電壓不穩定。另外，汽油發(fā)電機屬于獨立電源，所以控制系統的供電需利用發(fā)電機模塊繞組發(fā)出的13.50.5V的交流電變換而成。由于逆變電路需要幾路相互獨立的驅動(dòng)電源，為了使電路簡(jiǎn)潔，本系統設計了有多路副邊輸出的反激式開(kāi)關(guān)電源給控制系統供電。整個(gè)設計的原理框圖如圖1所示。

圖1 系統主電路和控制電路框圖

驅動(dòng)電路和保護電路的設計
控制系統中降壓環(huán)節和逆變器開(kāi)關(guān)器件選用IGBT，根據IGBT的開(kāi)關(guān)特性和對柵極驅動(dòng)電路的要求，用TLP250設計的驅動(dòng)電路如圖2所示。PWM3為單片機發(fā)出的驅動(dòng)信號，VCC為輔助電源的18V電平，G3和E3為IGBT的驅動(dòng)信號，G3接IGBT的門(mén)極，E3接IGBT的源極。開(kāi)通狀態(tài)下的柵極驅動(dòng)電壓為13V，關(guān)斷狀態(tài)下的柵極驅動(dòng)電壓為－5V(穩壓管反向偏置)。當G3與E3兩端電壓為13V時(shí)，IGBT導通，當其兩端電壓為－5V時(shí)，則強迫IGBT迅速關(guān)斷。而當輸出出現過(guò)電壓時(shí)，電路將封閉TLP250的工作，從而實(shí)現對IGBT的保護。

圖2 IGBT驅動(dòng)電路

為了使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障下能夠安全可靠的工作，必須設計保護電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)流、短路等保護電路。本保護電路主要是完成系統的過(guò)流保護功能，它利用霍爾傳感器檢測電壓電流信號，通過(guò)由LM324設計的滯回電壓比較器封鎖輸出脈沖。

圖3 過(guò)流保護電路
　　　　　　　　　
模糊控制器的設計
模糊控制的基本原理就是將控制器的輸入量經(jīng)過(guò)模糊化處理，按照一定的模糊語(yǔ)言規則進(jìn)行推理，最后將推理得出的結果進(jìn)行解模糊得到控制變量的精確輸出值。如圖4所示。

圖4 模糊原理控制框圖

模糊控制器的設計主要是實(shí)現模糊控制算法的軟件設計，主要包括以下幾個(gè)方面：確定模糊控制器的輸入和輸出變量，選擇輸入和輸出變量的論域；變量的語(yǔ)言描述和賦值表的建立；設計模糊控制規則；確立模糊化和解模糊化方法，生成控制表。

1 控制器的輸入和輸出變量
從理論上講，模糊控制系統所選用的模糊控制器維數越高，系統的控制精度也就越高。但維數選擇太高，模糊控制規律過(guò)于復雜，基于模糊合成推理的控制算法的計算機實(shí)現也就更困難。根據本設計的特點(diǎn)采用二維模糊控制器，為了易于測量和控制，控制器的輸入變量直接選用降壓環(huán)節輸出電壓的偏差E和偏差的變化率EC，控制器的輸出變量為汽油機的油門(mén)開(kāi)度即步進(jìn)電機的步進(jìn)步數。

電壓偏差的基本論域為[-60，60]，偏差變化的基本論域為[-6，6]，輸出步進(jìn)電動(dòng)機步數的基本論域為[-32，32]，步進(jìn)電動(dòng)機步數為負數表示電動(dòng)機反轉，油門(mén)開(kāi)度變小。

電壓偏差E，偏差的變化率EC和輸出控制量Y所對應的語(yǔ)言變量模糊子集為{正大（PB），正中(PM)，正小(PS)，零(0)，負小(NS)，負中(NM)，負大(NB)},所對應的離散模糊論域為{6，5，4，3，2，1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6}，用αe和αC表示誤差和誤差變化的量化因子，用αu表示控制量的比例因子，則 αe=n1/|emax|=6/60=0.1，αC＝n2/|eCmax|=6/6=1,αu=|umax|=32/6=5.33。

輸入輸出的隸屬度函數通常有三角型、梯型和高斯型等幾種形式。其中，高斯型隸屬度函數是描述模糊子集比較合理的形式，但它的計算比較復雜，計算機實(shí)現困難。根據系統特點(diǎn)，本方案采用三角形隸屬度函數，它的形狀僅與直線(xiàn)斜率有關(guān)，適合于在線(xiàn)調整的自適應模糊控制系統。輸入變量和輸出變量的隸屬度函數曲線(xiàn)分別如圖5和圖6所示。

圖5 E和EC的隸屬度函數曲線(xiàn)

圖6 Y的隸屬度函數曲線(xiàn)

由于當輸出電壓誤差較小時(shí)，僅靠降壓環(huán)節的脈寬調整就能使電壓穩定，所以在偏差較小時(shí)隸屬度函數的形狀要緩一些。輸入輸出變量的隸屬度函數曲線(xiàn)是建立語(yǔ)言變量賦值表的依據，對于三角形的隸屬度函數，賦值表中的隸屬度可按以下公式計算:
（1）
其中，a表示三角形左端對應的X軸的值，b為三角形頂端對應的X軸的值，c為三角形右端對應的X軸的值。表1為輸出變量Y的語(yǔ)言變量賦值表，偏差和偏差變化率的語(yǔ)言變量賦值表格式和計算方法與此類(lèi)似。

2 模糊控制規則的建立
本設計的模糊控制規則主要就是根據降壓環(huán)節輸出電壓偏差和偏差的變化率確定汽油機油門(mén)開(kāi)度的變化，原則就是當偏差較大時(shí)選擇控制量以盡快消除誤差，當偏差較小時(shí)，選擇控制量防止超調，以系統穩定性為主，選用if E and EC then Y 的形式，可建立如下的控制規則表。

在建立模糊控制規則之后，我們可以計算每條規則的模糊關(guān)系Ri，這些模糊關(guān)系之間具有或的關(guān)系，因此描述整個(gè)控制系統總的模糊關(guān)系為R=R1∨R2∨R3……Rn。

3 模糊控制查詢(xún)表的生成
有了描述整個(gè)系統的控制規則的總模糊關(guān)系R后，接下來(lái)便是基于推理合成規則進(jìn)行模糊推理，根據輸出電壓偏差和偏差變化率的賦值表求取控制量輸出。由于模糊推理的結果是一個(gè)模糊集合，它反映的控制量輸出語(yǔ)言變量屬于其論域中各元素隸屬度大小的一種組合，要想獲得精確的輸出量必須進(jìn)行解模糊化處理即輸出信息的模糊判決，方法通常包括最大隸屬度法、中位數法、加權平均法等，本設計采用加權平均法，其算法公式為：
（2）
其中，xi為離散論域中的元素，u（xi）為每個(gè)論域元素上的隸屬度。計算所得的精確控制量再乘以比例因子，就得到實(shí)際的控制量。為了減小計算量，不必每次輸出都進(jìn)行模糊推理和模糊判決，我們可采用建立模糊查詢(xún)表的辦法，按照先前的步驟對E和EC離散論域中的元素分別進(jìn)行模糊化，然后通過(guò)模糊推理和模糊判決得到對應的屬于控制量離散論域的精確控制量Y，最后將所得結果制成模糊控制表，本系統模糊控制表如表3所示。

將模糊控制查詢(xún)表保存到PIC16F877中，在實(shí)時(shí)控制中，計算機根據采樣的量求得偏差和偏差的變化率，并對其量化得到元素EK和ECK，查表得到YK。由此可見(jiàn)，利用此模糊控制查詢(xún)表，省去了大量模糊推理和模糊判決的時(shí)間，效率得到很大提高。

圖7 滿(mǎn)載時(shí)降壓環(huán)節輸出電壓波形

圖8 滿(mǎn)載時(shí)逆變器輸出電壓波形

逆變電源的特性測試
在實(shí)際運行試驗中，需要根據系統的動(dòng)態(tài)性能要求對模糊控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的改進(jìn)，比如模糊控制規則的簡(jiǎn)單調整，比例因子和量化因子的改變等。另外根據模糊控制不能消除靜態(tài)誤差的特點(diǎn)，本設計在降壓環(huán)節加入了PID控制算法，逆變橋控制器采用固定的調制比形式，只要使降壓環(huán)節的輸出電壓穩定，則負載兩端就能輸出穩定的220V/50HZ的正弦波。

采用以上方案設計了一臺2kW的樣機進(jìn)行試驗。圖7和圖8為逆變電源帶2kW阻性負載時(shí)，降壓環(huán)節和逆變器輸出的電壓波形。實(shí)踐證明，本設計通過(guò)選用高性能的PIC單片機和在控制中加入模糊控制算法，避免了建立復雜的數學(xué)模型，實(shí)現了輸出電壓調節速度快，波動(dòng)小的要求。整個(gè)方案外圍電路簡(jiǎn)潔，系統可靠性高，是一款高性能的獨立式逆變電源。