中小型汽油發(fā)電機(jī)作為移動(dòng)式的獨(dú)立電源,在需要備用電源和流動(dòng)性作業(yè)的場(chǎng)合具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。但是中頻發(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)設(shè)備的用電要求。隨著逆變電源的數(shù)字化和智能化的發(fā)展,以中小型汽油發(fā)電機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的逆變電源正逐漸在市場(chǎng)上走俏。但目前的產(chǎn)品大多只有一種滿載工作模式,無(wú)論空載或負(fù)載的大小,汽油機(jī)都工作在全速狀態(tài),輸出損耗較大，不易保養(yǎng)。主要原因是汽油發(fā)電機(jī)的工作過程復(fù)雜,精確的數(shù)學(xué)模型在運(yùn)行中難以得到。本設(shè)計(jì)在采用傳統(tǒng)的PID算法基礎(chǔ)上,將模糊控制算法應(yīng)用到系統(tǒng)的控制中去。汽油發(fā)電機(jī)的油門開度采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,在空載時(shí),發(fā)電機(jī)工作在怠速狀態(tài);在負(fù)載時(shí),發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的波動(dòng)而實(shí)時(shí)變化。整個(gè)系統(tǒng)針對(duì)汽油發(fā)電機(jī)逆變電源復(fù)雜的工作環(huán)境,對(duì)硬件和軟件兩方面都采取了有效的措施,提高了電源的控制特性、可靠性和抗干擾能力,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的動(dòng)態(tài)性能。

控制系統(tǒng)硬件方案和工作原理

2.1　降壓環(huán)節(jié)

  降壓環(huán)節(jié)的主要任務(wù)就是將整流后的500～800V的高壓降為350V,并能對(duì)輸出進(jìn)行過壓和過流保護(hù)。電路采用BUCK降壓方式,實(shí)驗(yàn)證明,在開關(guān)頻率、直流LC濾波參數(shù)和PWM電路設(shè)計(jì)合理的前提下,電路能很好地滿足要求。整個(gè)控制電路以SG3525為核心,為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,選擇了光耦HCPL3120作為IGBT的驅(qū)動(dòng)模塊。它的最大輸出電流為2A,最大交換速度為500ns,能較好地滿足器件的開關(guān)頻率以及控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的隔離要求。系統(tǒng)故障保護(hù)功能則采用主控單片機(jī)對(duì)SG3535脈沖封鎖端的控制來(lái)協(xié)調(diào)完成。

  SG3525是采用電壓模式控制的集成PWM控制器,內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器及鎖存器、分相器、欠壓鎖定、電子調(diào)速器、軟啟動(dòng)及關(guān)斷電路等組成?？刂破鬏敵雒}沖頻率的選擇決定了輸出直流電壓的紋波和濾波器所需電感量的大小,是整個(gè)降壓環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,它同時(shí)受器件極限開關(guān)頻率的影響。綜合各方面考慮選擇f為40kHz,則

f=1/CT(0.7RT+3RD)

式中CT=10nF,RT=3.6kΨ,RD=0,其中CT為SG3525的5腳對(duì)地電容,RT為6腳對(duì)地電阻,RD為5腳和7腳之間串入的死區(qū)時(shí)間電阻。誤差放大器按設(shè)計(jì)要求接成比例積分方式對(duì)反饋電壓進(jìn)行無(wú)靜差調(diào)節(jié),從系統(tǒng)降壓要求可以看出,輸出脈寬占空比應(yīng)在0.4～0.7之間,所以應(yīng)將SG3525設(shè)計(jì)為輸出脈沖占空比為0%～90%的形式。具體連接方法為11腳和14腳并聯(lián)接地,13腳設(shè)為脈沖輸出端。整個(gè)降壓環(huán)節(jié)的控制和驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,1腳反饋電壓是通過直流輸出電壓分壓獲得,脈沖封鎖端來(lái)自主控單片機(jī)的RD0引腳。為了保證IGBT的可靠關(guān)斷,驅(qū)動(dòng)電路還設(shè)計(jì)了反向負(fù)偏置電路,整個(gè)降壓方案簡(jiǎn)單靈活,穩(wěn)定性較好。

2.2　逆變環(huán)節(jié)

  逆變環(huán)節(jié)的主要任務(wù)就是將降壓電路輸出的直流電壓通過逆變控制器和LC濾波輸出穩(wěn)定的220V /50Hz的正弦波。利用PIC單片機(jī)速度快,片內(nèi)資源豐富的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了專用SPWM控制器。它采用單極性調(diào)制方式。常用的雙極性調(diào)制技術(shù)由于主逆變電路中同一橋臂的開關(guān)器件處于互補(bǔ)導(dǎo)通狀態(tài),所以易發(fā)生直通現(xiàn)象,通常的做法是設(shè)置死區(qū),而這會(huì)導(dǎo)致諧波成增加,基波幅值減小,載波頻率的提高受到限制。同雙極調(diào)制技術(shù)相比,單極調(diào)制由于同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管一個(gè)是反復(fù)通斷的,另一個(gè)是始終截止的,處于非互補(bǔ)通斷狀態(tài),只需在正弦波控制過零點(diǎn)設(shè)置死區(qū)時(shí)間,直通可能性降低,但它需要幾路相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn),輔助電源的設(shè)計(jì)可以很好地解決這個(gè)問題,所以在提高輸出波形質(zhì)量的前提下采用了單極性調(diào)制方式。

  整個(gè)SPWM控制器以PIC16F873為中心,利用單片機(jī)內(nèi)部CCP模塊的PWM工作模式直接從RC1、RC2引腳輸出2路SPWM信號(hào),通過非門邏輯電路74HC00的變換,為驅(qū)動(dòng)電路提供了4路對(duì)應(yīng)的SPWM脈沖。由于采用的是全數(shù)字的SPWM信號(hào),電路的抗干擾能力明顯優(yōu)于采用分立元件和集成運(yùn)放構(gòu)成的模擬電路,相對(duì)通常與8位或16位單片機(jī)配套使用的專用SPWM信號(hào)發(fā)生器,它的性價(jià)比較高,而且通過單片機(jī)內(nèi)部程序的設(shè)計(jì),可以靈活地滿足系統(tǒng)的要求,對(duì)于開關(guān)頻率低于40kHz的電路是較好的選擇。

  驅(qū)動(dòng)模塊選用光耦TLP250。它價(jià)格低,功能與HCPL3120類似,但開關(guān)頻率較低,不適用于頻率較高的場(chǎng)合。根據(jù)系統(tǒng)逆變和LC濾除高次諧波的要求,逆變橋的開關(guān)頻率取20kHz,因此TLP250能較好地滿足要求。

  整個(gè)逆變環(huán)節(jié)的控制電路如圖3所示,輸出平均電壓通過電壓互感器和單片機(jī)內(nèi)部的高精度10位A/D進(jìn)行測(cè)量。同時(shí),為了防止輸出電流過高而損害電源,設(shè)計(jì)了過流保護(hù)電路,它利用串在主電路中的0.5Ψ/5W的電阻檢測(cè)電流信號(hào),這樣就在電阻上得到一個(gè)對(duì)地電壓值,通過由LM393設(shè)計(jì)的滯環(huán)電壓比較器封鎖輸出脈沖,既防止了高頻信號(hào)的干擾,又達(dá)到了可靠保護(hù)的目的。為了保證系統(tǒng)的可靠關(guān)斷,驅(qū)動(dòng)電路也設(shè)計(jì)了反向負(fù)偏置電路,它的設(shè)計(jì)方法與逆變環(huán)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)類似,因此在圖3中沒有列出,PWM1～PWM4分別接對(duì)應(yīng)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路。

2.3　其他環(huán)節(jié)

  系統(tǒng)除了降壓和逆變環(huán)節(jié)以外,還包括，噪音源識(shí)別、油門控制、輔助電源以及顯示和鍵盤等電路的設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)的油門控制主要是通過主控單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這里所用的步進(jìn)電機(jī)是兩相混合式步進(jìn)電機(jī),也是現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種,步進(jìn)角一般為1.8°。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路選用高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器L298,它是專為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載而設(shè)計(jì)的,電路所需的相序信號(hào)由主控單片機(jī)提供,兩者相互配合能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)油門快速穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。

  逆變電源的人機(jī)接口電路主要包括系統(tǒng)的工作及故障顯示、油箱的低限報(bào)警、滿載和節(jié)油、工作方式的切換以及系統(tǒng)的啟?？刂频?它們大多是通過主控單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)。另外,汽油發(fā)電機(jī)屬于獨(dú)立電源,控制系統(tǒng)的供電需利用發(fā)電機(jī)模塊繞組發(fā)出的交流電變換而成。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(jiǎn)潔,設(shè)計(jì)了有多路副輸出的反激式開關(guān)電源給控制系統(tǒng)供電,較好地滿足了整個(gè)電路的供電要求。

3　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

  控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括SPWM控制器的程序設(shè)計(jì)和主控單片機(jī)的算法設(shè)計(jì)。SPWM控制器的程序設(shè)計(jì)功能較為單一,可以先根據(jù)逆變電路的調(diào)制比計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)所有脈沖的占空比,然后將這些數(shù)據(jù)制成SPWM控制查詢表存入系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中,單片機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)只需按順序調(diào)用查詢表就能實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變橋的控制功能。根據(jù)SPWM調(diào)制方式的特點(diǎn),只需計(jì)算1/4周期的數(shù)據(jù),然后根據(jù)對(duì)稱功能編寫程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)調(diào)用,既減少了計(jì)算量,又節(jié)省了單片機(jī)的程序存儲(chǔ)空間。同時(shí),控制器還能根據(jù)輸出電壓平均值的大小對(duì)輸出電路進(jìn)行電壓保護(hù)。實(shí)踐證明,通過軟件上的靈活設(shè)計(jì)可以將單片機(jī)PIC16F873開發(fā)成高性能的專用SPWM控制器。

  主控單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)主要包括油門模糊控制程序、系統(tǒng)故障時(shí)的中斷保護(hù)程序以及按鍵和顯示處理程序。其中,油門的模糊控制程序設(shè)計(jì)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。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(cè)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)。通過選擇輸入和輸出變量的論域,建立變量的語(yǔ)言描述和賦值表,設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則,確立模糊化和解模糊化方法等步驟,最后生成模糊控制查詢表,然后通過編程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(duì)其量化,通過查表計(jì)算得到控制量大小。整個(gè)程序采用C語(yǔ)言編程,其程序流程如圖5所示,中斷保護(hù)程序如圖4所示。由于降壓環(huán)節(jié)和柴油發(fā)電機(jī)油門都屬于慣性環(huán)節(jié),電壓和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)需要一定的時(shí)間,所以在主程序中加入了延時(shí)處理。

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