基于A(yíng)VR單片機數字功率跟隨技術(shù)

　　引言

　　目前地球的五大問(wèn)題，包括能源失衡、產(chǎn)油國獨裁、失控的氣候變遷、能源匱乏、生物多樣性消失等，都是因為人類(lèi)大量使用并依賴(lài)傳統的能源所造成，而且五大問(wèn)題環(huán)環(huán)相扣、迫在眉睫，再不積極采取行動(dòng)，全人類(lèi)都將陷入無(wú)法想像的浩劫，所以發(fā)展替代能源已不僅僅是解決高油價(jià)的方案，而是人類(lèi)能在地球上永續生存下去的最關(guān)鍵要素。煤炭、石油是我國利用的主要能源，它們的巨量消費不僅是大氣污染的主要來(lái)源，還有其不可再生性，使得它們會(huì )逐漸被可再生能源所代替。我國大部分地區有著(zhù)豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，但限于科技的發(fā)展程度，它們一直未能得到有效地利用。近些年，隨著(zhù)電子技術(shù)和硅材料研究的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了對風(fēng)能、太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用，市場(chǎng)前景相當廣闊。在此前提下，研制了智能化、模塊化、一體化的新一代風(fēng)、光互補綜合電源系統。

　　1 風(fēng)光互補發(fā)電系統

　　風(fēng)、光互補電源系統主要有風(fēng)力發(fā)電機、太陽(yáng)能電池板、蓄電池組和電源綜合控制柜組成。其設計理念是利用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機雙發(fā)電系統對蓄電池組(48V)充電，再把直流電逆變成AC 220V／50Hz的交流電，成為我們常用的交流電源。蓄電池組的充電方式?jīng)Q定其使用壽命的長(cháng)短，但是風(fēng)能的突然性和太陽(yáng)能的時(shí)間性注定發(fā)電系統不能輸出可靠穩定的直流電，若對其不加處理地直接對蓄電池組充電，不僅大大縮短蓄電池組的壽命，而且不能有效地利用風(fēng)能和太陽(yáng)能。因此，在充電過(guò)程中引入了基于ATMEGA8單片機數字功率跟隨技術(shù)的控制系統，不僅大大提高了發(fā)電系統的穩定性，而且提高了電源系統的可靠性。

　　2 充電系統組成

　　以風(fēng)機為例，充電系統主電路采用日產(chǎn)某公司的直流變換模塊PH600S28048，直流輸入電壓：200～400V，輸出電壓：43～6lV遙控可調。風(fēng)機為三相線(xiàn)電壓220V輸出，蓄電池組的充電電壓范圍：46~57V。充電的恒流和功率跟隨有ATMEGA8來(lái)完成。系統組成原理圖如圖1所示。

系統原理圖1


　　3 系統工作原理

　　ATMEGA8是 AVR高檔單片機，內部集成了可選擇頻率可校準的RC振蕩器，8K FIASH程序存儲器、1K SRAM數據存儲器、512字節的E2PROM。8通道10位A／D轉換，3個(gè)PWM輸出通道可作為D／A輸出，內部可編程的看門(mén)狗定時(shí)器等。通過(guò)霍爾電流傳感器把充電電流轉換成0～5V的標準信號，經(jīng)A／D轉換成數字信號送CPU處理，并通過(guò)PBl腳．PWM輸出控制光藕PC817的道通度控制充電機的輸出電壓，從而通過(guò)簡(jiǎn)單的數字PI調節達到恒流的目的。不過(guò)充電機恒流工作有一個(gè)重要的前提條件就是輸入能源必須有足夠大的功率。但是自然界風(fēng)能、太陽(yáng)能的隨柵陛、突然性使恒流充電難以實(shí)現。特別是風(fēng)能，如果風(fēng)速特別大而充電機仍然輸出不變的電流(負載不變)會(huì )損壞風(fēng)機。如果風(fēng)速小功率不夠就會(huì )導致充電機無(wú)法正常工作，時(shí)而關(guān)斷，時(shí)而開(kāi)通。造成此種現象是因為充電模塊PH600S工作正常輸入電壓范圍為DC 200~400V。為了克服此情況就加入了數字功率跟隨技術(shù)，以風(fēng)機輸入電壓300V經(jīng)A/D轉換數字為基準來(lái)調整負載大小(輸出電流)做數字PI調節，從而達到充電機正常工作。

　　4 軟件設計思想

　　程序的編寫(xiě)采用AVR單片機專(zhuān)用的匯編語(yǔ)言，模塊化設計。監控程序和輸入控制模塊程序流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖片1監控主程序流程簡(jiǎn)圖


　　全部程序代碼由模擬量的數字采集，中值濾波、數字比較、PWM輸出等組成。關(guān)鍵是數字比較構成簡(jiǎn)單的PI調節且電流環(huán)嵌套與電壓環(huán)之內。

　　程序流程如下：以電流環(huán)為例做一介紹：由PH600S系列模塊組成的硬件充電機輸出電流由0～5V信號線(xiàn)性調節，電流給定信號(0～5V)由ATMEGA8單片機PBl口輸出10位PWM脈寬調制波形，再經(jīng)RC濾波產(chǎn)生。將M8單片機的T/Cl控制寄存器TCCRlA設置值83H，TCCRlB控制寄存器為 05H也就定義PBl口輸出10位快速的PWM波形。T／C1計數寄存器TCNTI(TCNTlH：TCNT1H)值便從0000一OlFFH之間變換。脈沖輸出占空比(輸出電壓)由比較控制寄存器OClA設定值與TCNTl寄存器計數值比較產(chǎn)生；OClA的內容由0000—0lFFH可變設定也就決定輸出電壓由0～5V線(xiàn)性可調。OClA值由電壓環(huán)做模擬PI調節運算后給定，這樣電壓環(huán)和電流環(huán)的互相嵌套便構成了功率的恒定跟隨，從而提高了風(fēng)、光互補發(fā)電的效率。

　　5 結語(yǔ)

　　太陽(yáng)能充電電路和風(fēng)機的功率跟隨原理是一樣，只不過(guò)太陽(yáng)能電池板的輸入電壓低，變化比較緩慢，已采用PH30048—48模塊作主回路。利用ATMEGA8單片機作控制，日產(chǎn)某公司的直流變換模塊為主電路做成的風(fēng)光互補發(fā)電系統，已在上海的花鳥(niǎo)島某駐軍運行2年多，十分穩定，受到了軍部領(lǐng)導的好評。 風(fēng)力發(fā)電機相關(guān)文章:風(fēng)力發(fā)電機原理