2020年基于PIC16F877和IGBT设计的小型发电机逆变电源

1、基于PIC16F877和IGBT设计的小型发电机逆变电源中频汽油发电机作为一项重要的电能源，在需要备用电源和流动性作业的场合具有重要作用。 其特别适用于野外、 矿山施工作业， 企事业单位备用电源以及灾后小功率临时用电， 具有简单可靠， 便于维修等特点。 由于汽油发电机输出的是频率和电压都与市电不同的三相交流电， 电压和频率的值比较高， 不符合大多数用电设备的使用要求， 而且输出电压随负载的变化波动较大， 因此需配备自动电压调节器（AVR使输出电压和频率在负载变化时达到稳定。传统的模拟控制方法输出电压质量差，耗能大。而随着计算机技术和电力电子控制技术的发展，数字化、 智能化控制已成为逆变电源发展

2、的必然。 与传统的控制方法相比， 微机控制的中小型汽油发电机逆变电源设计灵活， 系统可靠， 能实现实时的监控和诊断。 但目前的产品大多只有一种模式， 即满载工作方式， 不能实现转速随负载的变化而实时调节。主要原因是汽油发电机的精确数学模型在实际运行中较难得到，传统的基于线性系统的控制方法容易导致不良的动态过程或系统不稳定。本设计采用非线性方法来解决这一问题， 将模糊控制应用到控制系统中去。 汽 油发电机的油门采用步进电动机进行控制，整个系统分为节油模式和满载模式，在负载频繁变动的场合采用满载模式， 其他场合采用节油模式， 根据负载的变化自动调节发电机油门， 整个系统通过硬件和软件上的灵活设计保

3、证其在节油降耗的基础上具有良好的稳定性和动态性能。基本工作原理汽油发电机常被作为移动式的独立电源来使用， 主要由汽油机、 同步交流发电机和控制器组成。设计中所用汽油机发出的三相交流电频率为350640Hz,电压为300550V,通过三相整流桥变成直流高电压，然后经过降压环节（降压变换器）降至350V左右，最后通过逆变环节和LC滤波器变换成220V/50Hz的交流电 供负载使用。为了降低主电路的开关损耗，逆变器采用单极倍频电压型SPWMC开关DC/AC变换电路。控制电路以单片机为中心， 为使输出电压在负载变化时能够稳定， 首先在降压环节中引入了传统的PID控制算法，将降压环节输出电压稳定在350

4、V,以使逆变器输出稳定的 220V/50Hz 的交流电。 当降压环节不能使输出电压达到稳定时， 则 根据反馈电压与给定电压的偏差及偏差的变化率作为模糊控制器的输入量进行调节，得到合适的油门开度，即可实现输出电压的稳定和良好的动态性能。控制系统的组成整个系统用PIC16F877作为主控芯片，它在保持高速度和低价格的前提下集成了 看门狗定时器、FLASHE序存储器、10位A/D转换接口、两路PW麻出等电路， 所以在进行开发设计时，外部电路比较简洁，能较好的满足要求。控制器方案主要包括硬件和软件两部分。 硬件设计主要由驱动模块、 油门控制电路、逆变桥专用SPWMI制器、SG3525t宽调制电路、电压

5、电流检测电路等组成。设计选用既有隔离功能又具备驱动能力的TLP250作为驱动模块；逆变桥控 制器采用PIC16F873进行开发，直接利用单片机自身提供的PW喻出接口输出两 路SPW邮动脉冲；反馈信号的采样检测选用单片机内部分辨率高和抗干扰能力 强的A/D进行转换；整个硬件设计方案简洁，可靠性较高。系统的软件部分主要包括油门模糊控制程序，逆变控制器SPW脉冲输出程序，主控芯片在过压过流情况下的中断保护程序以及与逆变控制器的通讯程序。 其中，发电机油门的模糊控制程序是整个系统的难点和核心，如果控制量计算不合适非但不能达到节能降耗的目的， 还将造成系统的振荡和输出电压不稳定。 另 外，汽油发电机属于

6、独立电源，所以控制系统的供电需利用发电机模块绕组发出 的13.5±0.5V的交流电变换而成。由于逆变电路需要几路相互独立的驱动电源， 为了使电路简洁，本系统设计了有多路副边输出的反激式开关电源给控制系统供 电。整个设计的原理框图如图1所示。nriw仲就H收-h电用音|明时阴理就电除”相 MI'-'V ：'：；rm*力门版七m，t . 4唱1 E置推川54.辰0电电图1系统主电路和控制电路框图 驱动电路和保护电路的设计控制系统中降压环节和逆变器开关器件选用 IGBT,根据IGBT的开关特性和对栅 极驱动电路的要求，用TLP250设计的驱动电路如图2所示。PWM3

7、J单片机发出 的驱动信号，VCE辅助电源的18V电平，G3和E3为IGBT的驱动信号，G3接 IGBT的门极，E3接IGBT的源极。开通状态下的栅极驱动电压为 13V,关断状态 下的栅极驱动电压为一5V（稳压管反向偏置）。当G3与E3两端电压为13V时，IGBT 导通，当其两端电压为一5V时，则强迫IGBT迅速关断。而当输出出现过电压时， 电路将封闭TLP250的工作，从而实现对IGBT的保护。图2 IGBT驱动电路为了使电源在恶劣环境及突发故障下能够安全可靠的工作，必须设计保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、欠压、过热、过流、短路等保护电路。本保护电路主要是完成系统的过流保护功能， 它利用

8、霍尔传感器检测电压电流信号， 通过 由LM324设计的滞回电压比较器封锁输出脉冲。图3过流保护电路 模糊控制器的设计模糊控制的基本原理就是将控制器的输入量经过模糊化处理，按照一定的模糊语言规则进行推理，最后将推理得出的结果进行解模糊得到控制变量的精确输出 值。如图4所示。图4模糊原理控制框图模糊控制器的设计主要是实现模糊控制算法的软件设计，主要包括以下几个方面：确定模糊控制器的输入和输出变量，选择输入和输出变量的论域；变量的语 言描述和赋值表的建立；设计模糊控制规则；确立模糊化和解模糊化方法，生成 控制表。1控制器的输入和输出变量从理论上讲，模糊控制系统所选用的模糊控制器维数越高， 系统的控制

9、精度也就 越高。但维数选择太高，模糊控制规律过于复杂，基于模糊合成推理的控制算法 算计算机实现也就更困难。根据本设计的特点采用二维模糊控制器，为了易于测 量和控制，控制器的输入变量直接选用降压环节输出电压的偏差 E和偏差的变化 率EG控制器的输出变量为汽油机的油门开度即步进电机的步进步数。电压偏差的基本论域为-60 , 60,偏差变化的基本论域为卜6 , 6,输出步进电 动机步数的基本论域为-32 , 32,步进电动机步数为负数表示电动机反转，油 门开度变小。电压偏差E,偏差的变化率EC和输出控制量Y所对应的语言变量模糊子集为正 大（P6 ,正中（PM）,正小（PS）,零（0）,负小（NS）,

10、负中（NM）,负大（NB）,所 对应的离散模糊论域为6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1 , -2 , -3, -4, -5 , -6,用 a e和aC表示误差和误差变化的量化因子，用 a u表示控制量的比例因子，a e=n1/|emax|=6/60=0.1 , C C=n2/|eCmax|=6/6=1, a u=|umax|=32/6=5.33 。输入输出的隶属度函数通常有三角型、梯型和高斯型等几种形式。其中，高斯型 隶属度函数是描述模糊子集比较合理的形式，但它的计算比较复杂，计算机实现困难。根据系统特点，本方案采用三角形隶属度函数，它的形状仅与直线斜率有 关，适合于在线调整的自适

11、应模糊控制系统。输入变量和输出变量的隶属度函数 曲线分别如图5和图6所示。慨机住.图6Y的隶属度函数曲线由于当输出电压误差较小时，仅靠降压环节的脉宽调整就能使电压稳定， 所以在 偏差较小时隶属度函数的形状要缓一些。 输入输出变量的隶属度函数曲线是建立 语言变量赋值表的依据，对于三角形的隶属度函数，赋值表中的隶属度可按以下 公式计算：(1)(x o) a<x< b u(x) = < (xc)/(6c) b < x<c 0 x>c x<a其中，a表示三角形左端对应的X轴的值，b为三角形顶端对应的X轴的值，c 为三角形右端对应的X轴的值。表1为输出变量Y的语

12、言变量赋值表，偏差和偏 差变化率的语言变量赋值表格式和计算方法与此类似。±1ATT一工T1二j.a餐FT.a祠.才1i|.*fl|tl-Il Je-.lJ',1 JnnflII喝斗irp%11!11114J-III qrv木一ri11* *IIi»铲1L»一| J10(111f 一i»IlC j11 1 JIIIIiIIII 一B“0 ?电nn!糟.ft2模糊控制规则的建立本设计的模糊控制规则主要就是根据降压环节输出电压偏差和偏差的变化率确 定汽油机油门开度的变化，原则就是当偏差较大时选择控制量以尽快消除误差， 当偏差较小时，选择控制量防止超调，

13、以系统稳定性为主，选用if E and ECthen Y的形式，可建立如下的控制规则表。在建立模糊控制规则之后，我们可以计算每条规则的模糊关系Ri,这些模糊关系之间具有或的关系，因此描述整个控制系统总的模糊关系为R=R V R2V R3 Rn=时现舄&血PBP14黑:IK：IBPEtie(IEITEITEIIIPHIteETE11EillINPSPS11EI IEHIINnPSH !H1Ell.JA11MLFl.lJisJUT(1Ft 1FEFE311H* 1PSnrPBFEPEJTE1FSRIPEPBPEPB3模糊控制查询表的生成有了描述整个系统的控制规则的总模糊关系 R后，接下来便

14、是基于推理合成规则 进行模糊推理，根据输出电压偏差和偏差变化率的赋值表求取控制量输出。 由于 模糊推理的结果是一个模糊集合，它反映的控制量输出语言变量属于其论域中各 元素隶属度大小的一种组合，要想获得精确的输出量必须进行解模糊化处理即输 出信息的模糊判决，方法通常包括最大隶属度法、中位数法、加权平均法等，本 设计采用加权平均法，其算法公式为：特 ,月y=5>Me)/Z心;)(2)i=l/ i=l其中，xi为离散论域中的元素，u (xi)为每个论域元素上的隶属度。计算所得 的精确控制量再乘以比例因子，就得到实际的控制量。为了减小计算量，不必每 次输出都进行模糊推理和模糊判决，我们可采用建立

15、模糊查询表的办法，按照先 前的步骤对E和EC离散论域中的元素分别进行模糊化，然后通过模糊推理和模 糊判决得到对应的属于控制量离散论域的精确控制量 Y,最后将所得结果制成模 糊控制表，本系统模糊控制表如表 3所小。人三事牯归科由。*旬&忐fTTTTT<111-14Fl6手F-l4 > *I111 :ft叫4.-1JJ9I.11(1fllT65S, *q明TTb5)-I1iJ0T一同a$Hbi1他q-flT-i.ft,&J11IIII-in7VJiJJ仆T一 T 一-i7XiJ)31liIITnAiTF21miiTYTTTf1lbis.I-TFF/4pI-1.事-1rTff 50HTT-TT-q7TFff1林0T-1TTTpTTff将模糊控制查询表保存到PIC16F877中，在实时控制中，计算机根据采样的量求 得偏差和偏差的变化率，并对其量化得到元素 EK和ECK查表得到YK由此可 见，利用此模糊控制查询表，省去了大量模糊推理和模糊判决的时间， 效率得到 很大提高。5EASI1 Otns '格图7满载时降压环节输出电压波形IOeiis 格图8满载时逆变器输出电压波形逆变电源的特性测试在实际运行试验中，需要根据系统的动态性能要求对模糊控制器进行动态的改进，比如模糊控制规则的简单调整，比例因子和量化因子的改变等。另外根据模 糊控制不能消除静