單片機控制的小型發電機逆變電源的設計

中頻汽油發電機作為一項重要的電能源，在需要備用電源和流動性作業的場合具有重要作用。其特別適用于野外、礦山施工作業，企事業單位備用電源以及災后小功率臨時用電，具有簡單可靠，便于維修等特點。由于汽油發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較大，因此需配備自動電壓調節器（AVR）使輸出電壓和頻率在負載變化時達到穩定。傳統的模擬控制方法輸出電壓質量差，耗能大。而隨著計算機技術和電力電子控制技術的發展，數字化、智能化控制已成為逆變電源發展的必然。與傳統的控制方法相比，微機控制的中小型汽油發電機逆變電源設計靈活，系統可靠，能實現實時的監控和診斷。但目前的產品大多只有一種模式，即滿載工作方式，不能實現轉速隨負載的變化而實時調節。主要原因是汽油發電機的精確數學模型在實際運行中較難得到，傳統的基于線性系統的控制方法容易導致不良的動態過程或系統不穩定。

本設計采用非線性方法來解決這一問題，將模糊控制應用到控制系統中去。汽油發電機的油門采用步進電動機進行控制，整個系統分為節油模式和滿載模式，在負載頻繁變動的場合采用滿載模式，其他場合采用節油模式，根據負載的變化自動調節發電機油門，整個系統通過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態性能。

基本工作原理
汽油發電機常被作為移動式的獨立電源來使用，主要由汽油機、同步交流發電機和控制器組成。設計中所用汽油機發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，然后經過降壓環節（降壓變換器）降至350V左右，最后通過逆變環節和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關損耗，逆變器采用單極倍頻電壓型SPWM軟開關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能夠穩定，首先在降壓環節中引入了傳統的PID控制算法，將降壓環節輸出電壓穩定在350V，以使逆變器輸出穩定的220V/50Hz的交流電。當降壓環節不能使輸出電壓達到穩定時，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行調節，得到合適的油門開度，即可實現輸出電壓的穩定和良好的動態性能。

控制系統的組成
整個系統用PIC16F877作為主控芯片，它在保持高速度和低價格的前提下集成了看門狗定時器、FLASH程序存儲器、10位A/D轉換接口、兩路PWM輸出等電路，所以在進行開發設計時，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。硬件設計主要由驅動模塊、油門控制電路、逆變橋專用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能力的TLP250作為驅動模塊；逆變橋控制器采用PIC16F873進行開發，直接利用單片機自身提供的PWM輸出接口輸出兩路SPWM驅動脈沖；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進行轉換；整個硬件設計方案簡潔，可靠性較高。

系統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程序以及與逆變控制器的通訊程序。其中，發電機油門的模糊控制程序是整個系統的難點和核心，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，汽油發電機屬于獨立電源，所以控制系統的供電需利用發電機模塊繞組發出的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立的驅動電源，為了使電路簡潔，本系統設計了有多路副邊輸出的反激式開關電源給控制系統供電。整個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

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

圖2  IGBT驅動電路

為了使電源在惡劣環境及突發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，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路等保護電路。本保護電路主要是完成系統的過流保護功能，它利用霍爾傳感器檢測電壓電流信號，通過由LM324設計的滯回電壓比較器封鎖輸出脈沖。

圖3 過流保護電路
　　　　　　　　　
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過模糊化處理，按照一定的模糊語言規則進行推理，最后將推理得出的結果進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現模糊控制算法的軟件設計，主要包括以下幾個方面：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，模糊控制規律過于復雜，基于模糊合成推理的控制算法的計算機實現也就更困難。根據本設計的特點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開度即步進電機的步進步數。

電壓偏差的基本論域為[-60，60]，偏差變化的基本論域為[-6，6]，輸出步進電動機步數的基本論域為[-32，32]，步進電動機步數為負數表示電動機反轉，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所對應的語言變量模糊子集為{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，計算機實現困難。根據系統特點，本方案采用三角形隸屬度函數，它的形狀僅與直線斜率有關，適合于在線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分別如圖5和圖6所示。

圖5 E和EC的隸屬度函數曲線

圖6 Y的隸屬度函數曲線

由于當輸出電壓誤差較小時，僅靠降壓環節的脈寬調整就能使電壓穩定，所以在偏差較小時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是建立語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算方法與此類似。

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節輸出電壓偏差和偏差的變化率確定汽油機油門開度的變化，原則就是當偏差較大時選擇控制量以盡快消除誤差，當偏差較小時，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系Ri，這些模糊關系之間具有或的關系，因此描述整個控制系統總的模糊關系為R=R1∨R2∨R3……Rn。

3 模糊控制查詢表的生成
有了描述整個系統的控制規則的總模糊關系R后，接下來便是基于推理合成規則進行模糊推理，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，就得到實際的控制量。為了減小計算量，不必每次輸出都進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行模糊化，然后通過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。

將模糊控制查詢表保存到PIC16F877中，在實時控制中，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，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間，效率得到很大提高。

圖7 滿載時降壓環節輸出電壓波形

圖8 滿載時逆變器輸出電壓波形

逆變電源的特性測試
在實際運行試驗中，需要根據系統的動態性能要求對模糊控制器進行動態的改進，比如模糊控制規則的簡單調整，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誤差的特點，本設計在降壓環節加入了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的樣機進行試驗。圖7和圖8為逆變電源帶2kW阻性負載時，降壓環節和逆變器輸出的電壓波形。實踐證明，本設計通過選用高性能的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模型，實現了輸出電壓調節速度快，波動小的要求。整個方案外圍電路簡潔，系統可靠性高，是一款高性能的獨立式逆變電源。