單片機(jī)控制的小型發(fā)電機(jī)逆變電源的設(shè)計(jì)

中頻汽油發(fā)電機(jī)作為一項(xiàng)重要的電能源，在需要備用電源和流動(dòng)性作業(yè)的場合具有重要作用。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(zāi)后小功率臨時(shí)用電，具有簡單可靠，便于維修等特點(diǎn)。由于汽油發(fā)電機(jī)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(shù)用電設(shè)備的使用要求，而且輸出電壓隨負(fù)載的變化波動(dòng)較大，因此需配備自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）使輸出電壓和頻率在負(fù)載變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。傳統(tǒng)的模擬控制方法輸出電壓質(zhì)量差，耗能大。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化、智能化控制已成為逆變電源發(fā)展的必然。與傳統(tǒng)的控制方法相比，微機(jī)控制的中小型汽油發(fā)電機(jī)逆變電源設(shè)計(jì)靈活，系統(tǒng)可靠，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)控和診斷。但目前的產(chǎn)品大多只有一種模式，即滿載工作方式，不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。主要原因是汽油發(fā)電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型在實(shí)際運(yùn)行中較難得到，傳統(tǒng)的基于線性系統(tǒng)的控制方法容易導(dǎo)致不良的動(dòng)態(tài)過程或系統(tǒng)不穩(wěn)定。

本設(shè)計(jì)采用非線性方法來解決這一問題，將模糊控制應(yīng)用到控制系統(tǒng)中去。汽油發(fā)電機(jī)的油門采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)分為節(jié)油模式和滿載模式，在負(fù)載頻繁變動(dòng)的場合采用滿載模式，其他場合采用節(jié)油模式，根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)油門，整個(gè)系統(tǒng)通過硬件和軟件上的靈活設(shè)計(jì)保證其在節(jié)油降耗的基礎(chǔ)上具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。

基本工作原理
汽油發(fā)電機(jī)常被作為移動(dòng)式的獨(dú)立電源來使用，主要由汽油機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和控制器組成。設(shè)計(jì)中所用汽油機(jī)發(fā)出的三相交流電頻率為350～640Hz，電壓為300～550V，通過三相整流橋變成直流高電壓，然后經(jīng)過降壓環(huán)節(jié)（降壓變換器）降至350V左右，最后通過逆變環(huán)節(jié)和LC濾波器變換成220V/50Hz的交流電供負(fù)載使用。為了降低主電路的開關(guān)損耗，逆變器采用單極倍頻電壓型SPWM軟開關(guān)DC/AC變換電路。
控制電路以單片機(jī)為中心，為使輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)能夠穩(wěn)定，首先在降壓環(huán)節(jié)中引入了傳統(tǒng)的PID控制算法，將降壓環(huán)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在350V，以使逆變器輸出穩(wěn)定的220V/50Hz的交流電。當(dāng)降壓環(huán)節(jié)不能使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，則根據(jù)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(diào)節(jié)，得到合適的油門開度，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定和良好的動(dòng)態(tài)性能。

控制系統(tǒng)的組成
整個(gè)系統(tǒng)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狗定時(shí)器、FLASH程序存儲(chǔ)器、10位A/D轉(zhuǎn)換接口、兩路PWM輸出等電路，所以在進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，外部電路比較簡潔，能較好的滿足要求。

控制器方案主要包括硬件和軟件兩部分。硬件設(shè)計(jì)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、油門控制電路、逆變橋?qū)Ｓ肧PWM控制器、SG3525脈寬調(diào)制電路、電壓電流檢測電路等組成。設(shè)計(jì)選用既有隔離功能又具備驅(qū)動(dòng)能力的TLP250作為驅(qū)動(dòng)模塊；逆變橋控制器采用PIC16F873進(jìn)行開發(fā)，直接利用單片機(jī)自身提供的PWM輸出接口輸出兩路SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖；反饋信號的采樣檢測選用單片機(jī)內(nèi)部分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換；整個(gè)硬件設(shè)計(jì)方案簡潔，可靠性較高。

系統(tǒng)的軟件部分主要包括油門模糊控制程序，逆變控制器SPWM脈沖輸出程序，主控芯片在過壓過流情況下的中斷保護(hù)程序以及與逆變控制器的通訊程序。其中，發(fā)電機(jī)油門的模糊控制程序是整個(gè)系統(tǒng)的難點(diǎn)和核心，如果控制量計(jì)算不合適非但不能達(dá)到節(jié)能降耗的目的，還將造成系統(tǒng)的振蕩和輸出電壓不穩(wěn)定。另外，汽油發(fā)電機(jī)屬于獨(dú)立電源，所以控制系統(tǒng)的供電需利用發(fā)電機(jī)模塊繞組發(fā)出的13.5±0.5V的交流電變換而成。由于逆變電路需要幾路相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，為了使電路簡潔，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了有多路副邊輸出的反激式開關(guān)電源給控制系統(tǒng)供電。整個(gè)設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主電路和控制電路框圖

驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)中降壓環(huán)節(jié)和逆變器開關(guān)器件選用IGBT，根據(jù)IGBT的開關(guān)特性和對柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求，用TLP250設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。PWM3為單片機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號，VCC為輔助電源的18V電平，G3和E3為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號，G3接IGBT的門極，E3接IGBT的源極。開通狀態(tài)下的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為13V，關(guān)斷狀態(tài)下的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為－5V(穩(wěn)壓管反向偏置)。當(dāng)G3與E3兩端電壓為13V時(shí)，IGBT導(dǎo)通，當(dāng)其兩端電壓為－5V時(shí)，則強(qiáng)迫IGBT迅速關(guān)斷。而當(dāng)輸出出現(xiàn)過電壓時(shí)，電路將封閉TLP250的工作，從而實(shí)現(xiàn)對IGBT的保護(hù)。

圖2  IGBT驅(qū)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(shè)計(jì)保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路等保護(hù)電路。本保護(hù)電路主要是完成系統(tǒng)的過流保護(hù)功能，它利用霍爾傳感器檢測電壓電流信號，通過由LM324設(shè)計(jì)的滯回電壓比較器封鎖輸出脈沖。

圖3 過流保護(hù)電路
　　　　　　　　　
模糊控制器的設(shè)計(jì)
模糊控制的基本原理就是將控制器的輸入量經(jīng)過模糊化處理，按照一定的模糊語言規(guī)則進(jìn)行推理，最后將推理得出的結(jié)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(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的軟件設(shè)計(jì)，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；變量的語言描述和賦值表的建立；設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)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(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制精度也就越高。但維數(shù)選擇太高，模糊控制規(guī)律過于復(fù)雜，基于模糊合成推理的控制算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)也就更困難。根據(jù)本設(shè)計(jì)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(jié)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(jī)的油門開度即步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)步數(shù)。

電壓偏差的基本論域?yàn)閇-60，60]，偏差變化的基本論域?yàn)閇-6，6]，輸出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步數(shù)的基本論域?yàn)閇-32，32]，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步數(shù)為負(fù)數(shù)表示電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，油門開度變小。

電壓偏差E，偏差的變化率EC和輸出控制量Y所對應(yīng)的語言變量模糊子集為{正大（PB），正中(PM)，正小(PS)，零(0)，負(fù)小(NS)，負(fù)中(NM)，負(fù)大(NB)},所對應(yīng)的離散模糊論域?yàn)?#123;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(shù)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(shù)是描述模糊子集比較合理的形式，但它的計(jì)算比較復(fù)雜，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)困難。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，本方案采用三角形隸屬度函數(shù)，它的形狀僅與直線斜率有關(guān)，適合于在線調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)。輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 E和EC的隸屬度函數(shù)曲線

圖6 Y的隸屬度函數(shù)曲線

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

2 模糊控制規(guī)則的建立
本設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則主要就是根據(jù)降壓環(huán)節(jié)輸出電壓偏差和偏差的變化率確定汽油機(jī)油門開度的變化，原則就是當(dāng)偏差較大時(shí)選擇控制量以盡快消除誤差，當(dāng)偏差較小時(shí)，選擇控制量防止超調(diào)，以系統(tǒng)穩(wěn)定性為主，選用if E and EC then Y 的形式，可建立如下的控制規(guī)則表。

在建立模糊控制規(guī)則之后，我們可以計(jì)算每條規(guī)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(tǒng)總的模糊關(guān)系為R=R1∨R2∨R3……Rn。

3 模糊控制查詢表的生成
有了描述整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)則的總模糊關(guān)系R后，接下來便是基于推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理，根據(jù)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(jié)果是一個(gè)模糊集合，它反映的控制量輸出語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(shù)法、加權(quán)平均法等，本設(shè)計(jì)采用加權(quán)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(jì)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(jì)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，然后通過模糊推理和模糊判決得到對應(yīng)的屬于控制量離散論域的精確控制量Y，最后將所得結(jié)果制成模糊控制表，本系統(tǒng)模糊控制表如表3所示。

將模糊控制查詢表保存到PIC16F877中，在實(shí)時(shí)控制中，計(jì)算機(jī)根據(jù)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Y(jié)K。由此可見，利用此模糊控制查詢表，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 滿載時(shí)降壓環(huán)節(jié)輸出電壓波形

圖8 滿載時(shí)逆變器輸出電壓波形

逆變電源的特性測試
在實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)中，需要根據(jù)系統(tǒng)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(guī)則的簡單調(diào)整，比例因子和量化因子的改變等。另外根據(jù)模糊控制不能消除靜態(tài)誤差的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在降壓環(huán)節(jié)加入了PID控制算法，逆變橋控制器采用固定的調(diào)制比形式，只要使降壓環(huán)節(jié)的輸出電壓穩(wěn)定，則負(fù)載兩端就能輸出穩(wěn)定的220V/50HZ的正弦波。

采用以上方案設(shè)計(jì)了一臺(tái)2kW的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。圖7和圖8為逆變電源帶2kW阻性負(fù)載時(shí)，降壓環(huán)節(jié)和逆變器輸出的電壓波形。實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)通過選用高性能的PIC單片機(jī)和在控制中加入模糊控制算法，避免了建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓調(diào)節(jié)速度快，波動(dòng)小的要求。整個(gè)方案外圍電路簡潔，系統(tǒng)可靠性高，是一款高性能的獨(dú)立式逆變電源。