便攜式汽油發電機逆變電源的研制

   中小型汽油發電機作為移動式的獨立電源,在需要備用電源和流動性作業的場合具有獨特的優點。但是中頻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,不符合大多數設備的用電要求。隨著逆變電源的數字化和智能化的發展,以中小型汽油發電機為基礎設計的逆變電源正逐漸在市場上走俏。但目前的產品大多只有一種滿載工作模式,無論空載或負載的大小,汽油機都工作在全速狀態,輸出損耗較大，不易保養。主要原因是汽油發電機的工作過程復雜,精確的數學模型在運行中難以得到。本設計在采用傳統的PID算法基礎上,將模糊控制算法應用到系統的控制中去。汽油發電機的油門開度采用步進電動機進行控制,在空載時,發電機工作在怠速狀態;在負載時,發電機的轉速隨負載的波動而實時變化。整個系統針對汽油發電機逆變電源復雜的工作環境,對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,保證了系統的穩定性和良好的動態性能。

控制系統硬件方案和工作原理

2.1　降壓環節

  降壓環節的主要任務就是將整流后的500～800V的高壓降為350V,并能對輸出進行過壓和過流保護。電路采用BUCK降壓方式,實驗證明,在開關頻率、直流LC濾波參數和PWM電路設計合理的前提下,電路能很好地滿足要求。整個控制電路以SG3525為核心,為了保證系統的可靠運行,選擇了光耦HCPL3120作為IGBT的驅動模塊。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頻率以及控制電路與驅動電路的隔離要求。系統故障保護功能則采用主控單片機對SG3535脈沖封鎖端的控制來協調完成。

  SG3525是采用電壓模式控制的集成PWM控制器,內部結構主要由基準電壓源、振蕩器、誤差放大器、PWM比較器及鎖存器、分相器、欠壓鎖定、電子調速器、軟啟動及關斷電路等組成?？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,是整個降壓環節設計的關鍵,它同時受器件極限開關頻率的影響。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腳對地電容,RT為6腳對地電阻,RD為5腳和7腳之間串入的死區時間電阻。誤差放大器按設計要求接成比例積分方式對反饋電壓進行無靜差調節,從系統降壓要求可以看出,輸出脈寬占空比應在0.4～0.7之間,所以應將SG3525設計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腳并聯接地,13腳設為脈沖輸出端。整個降壓環節的控制和驅動電路如圖2所示,1腳反饋電壓是通過直流輸出電壓分壓獲得,脈沖封鎖端來自主控單片機的RD0引腳。為了保證IGBT的可靠關斷,驅動電路還設計了反向負偏置電路,整個降壓方案簡單靈活,穩定性較好。

2.2　逆變環節

  逆變環節的主要任務就是將降壓電路輸出的直流電壓通過逆變控制器和LC濾波輸出穩定的220V /50Hz的正弦波。利用PIC單片機速度快,片內資源豐富的特點設計了專用SPWM控制器。它采用單極性調制方式。常用的雙極性調制技術由于主逆變電路中同一橋臂的開關器件處于互補導通狀態,所以易發生直通現象,通常的做法是設置死區,而這會導致諧波成增加,基波幅值減小,載波頻率的提高受到限制。同雙極調制技術相比,單極調制由于同一橋臂的兩個開關管一個是反復通斷的,另一個是始終截止的,處于非互補通斷狀態,只需在正弦波控制過零點設置死區時間,直通可能性降低,但它需要幾路相互獨立的驅動電源。根據本系統特點,輔助電源的設計可以很好地解決這個問題,所以在提高輸出波形質量的前提下采用了單極性調制方式。

  整個SPWM控制器以PIC16F873為中心,利用單片機內部CCP模塊的PWM工作模式直接從RC1、RC2引腳輸出2路SPWM信號,通過非門邏輯電路74HC00的變換,為驅動電路提供了4路對應的SPWM脈沖。由于采用的是全數字的SPWM信號,電路的抗干擾能力明顯優于采用分立元件和集成運放構成的模擬電路,相對通常與8位或16位單片機配套使用的專用SPWM信號發生器,它的性價比較高,而且通過單片機內部程序的設計,可以靈活地滿足系統的要求,對于開關頻率低于40kHz的電路是較好的選擇。

  驅動模塊選用光耦TLP250。它價格低,功能與HCPL3120類似,但開關頻率較低,不適用于頻率較高的場合。根據系統逆變和LC濾除高次諧波的要求,逆變橋的開關頻率取20kHz,因此TLP250能較好地滿足要求。

  整個逆變環節的控制電路如圖3所示,輸出平均電壓通過電壓互感器和單片機內部的高精度10位A/D進行測量。同時,為了防止輸出電流過高而損害電源,設計了過流保護電路,它利用串在主電路中的0.5Ψ/5W的電阻檢測電流信號,這樣就在電阻上得到一個對地電壓值,通過由LM393設計的滯環電壓比較器封鎖輸出脈沖,既防止了高頻信號的干擾,又達到了可靠保護的目的。為了保證系統的可靠關斷,驅動電路也設計了反向負偏置電路,它的設計方法與逆變環節的驅動電路設計類似,因此在圖3中沒有列出,PWM1～PWM4分別接對應開關器件的驅動電路。

2.3　其他環節

  系統除了降壓和逆變環節以外,還包括，噪音源識別、油門控制、輔助電源以及顯示和鍵盤等電路的設計。發電機的油門控制主要是通過主控單片機對步進電機的控制來實現的,這里所用的步進電機是兩相混合式步進電機,也是現在步進電機中應用最為廣泛的一種,步進角一般為1.8°。電機驅動電路選用高壓、大電流雙全橋式驅動器L298,它是專為接受標準TTL邏輯電平和驅動電感負載而設計的,電路所需的相序信號由主控單片機提供,兩者相互配合能實現對發電機油門快速穩定的調節。

  逆變電源的人機接口電路主要包括系統的工作及故障顯示、油箱的低限報警、滿載和節油、工作方式的切換以及系統的啟?？刂频?它們大多是通過主控單片機的實現。另外,汽油發電機屬于獨立電源,控制系統的供電需利用發電機模塊繞組發出的交流電變換而成。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,設計了有多路副輸出的反激式開關電源給控制系統供電,較好地滿足了整個電路的供電要求。

3　控制系統的軟件設計

  控制系統的軟件設計主要包括SPWM控制器的程序設計和主控單片機的算法設計。SPWM控制器的程序設計功能較為單一,可以先根據逆變電路的調制比計算一個周期內所有脈沖的占空比,然后將這些數據制成SPWM控制查詢表存入系統的程序存儲器中,單片機在執行任務時只需按順序調用查詢表就能實現對逆變橋的控制功能。根據SPWM調制方式的特點,只需計算1/4周期的數據,然后根據對稱功能編寫程序對數據進行循環調用,既減少了計算量,又節省了單片機的程序存儲空間。同時,控制器還能根據輸出電壓平均值的大小對輸出電路進行電壓保護。實踐證明,通過軟件上的靈活設計可以將單片機PIC16F873開發成高性能的專用SPWM控制器。

  主控單片機的程序設計主要包括油門模糊控制程序、系統故障時的中斷保護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計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。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。通過選擇輸入和輸出變量的論域,建立變量的語言描述和賦值表,設計模糊控制規則,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,通過查表計算得到控制量大小。整個程序采用C語言編程,其程序流程如圖5所示,中斷保護程序如圖4所示。由于降壓環節和柴油發電機油門都屬于慣性環節,電壓和轉速的調節需要一定的時間,所以在主程序中加入了延時處理。

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