基于AVR單片機(jī)數(shù)字功率跟隨技術(shù)

　　引言

　　目前地球的五大問(wèn)題，包括能源失衡、產(chǎn)油國(guó)獨(dú)裁、失控的氣候變遷、能源匱乏、生物多樣性消失等，都是因?yàn)槿祟惔罅渴褂貌⒁蕾噦鹘y(tǒng)的能源所造成，而且五大問(wèn)題環(huán)環(huán)相扣、迫在眉睫，再不積極采取行動(dòng)，全人類都將陷入無(wú)法想像的浩劫，所以發(fā)展替代能源已不僅僅是解決高油價(jià)的方案，而是人類能在地球上永續(xù)生存下去的最關(guān)鍵要素。煤炭、石油是我國(guó)利用的主要能源，它們的巨量消費(fèi)不僅是大氣污染的主要來(lái)源，還有其不可再生性，使得它們會(huì)逐漸被可再生能源所代替。我國(guó)大部分地區(qū)有著豐富的風(fēng)能和太陽(yáng)能資源，但限于科技的發(fā)展程度，它們一直未能得到有效地利用。近些年，隨著電子技術(shù)和硅材料研究的不斷進(jìn)步，促進(jìn)了對(duì)風(fēng)能、太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用，市場(chǎng)前景相當(dāng)廣闊。在此前提下，研制了智能化、模塊化、一體化的新一代風(fēng)、光互補(bǔ)綜合電源系統(tǒng)。

　　1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

　　風(fēng)、光互補(bǔ)電源系統(tǒng)主要有風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、蓄電池組和電源綜合控制柜組成。其設(shè)計(jì)理念是利用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙發(fā)電系統(tǒng)對(duì)蓄電池組(48V)充電，再把直流電逆變成AC 220V／50Hz的交流電，成為我們常用的交流電源。蓄電池組的充電方式?jīng)Q定其使用壽命的長(zhǎng)短，但是風(fēng)能的突然性和太陽(yáng)能的時(shí)間性注定發(fā)電系統(tǒng)不能輸出可靠穩(wěn)定的直流電，若對(duì)其不加處理地直接對(duì)蓄電池組充電，不僅大大縮短蓄電池組的壽命，而且不能有效地利用風(fēng)能和太陽(yáng)能。因此，在充電過(guò)程中引入了基于ATMEGA8單片機(jī)數(shù)字功率跟隨技術(shù)的控制系統(tǒng)，不僅大大提高了發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且提高了電源系統(tǒng)的可靠性。

　　2 充電系統(tǒng)組成

　　以風(fēng)機(jī)為例，充電系統(tǒng)主電路采用日產(chǎn)某公司的直流變換模塊PH600S28048，直流輸入電壓：200～400V，輸出電壓：43～6lV遙控可調(diào)。風(fēng)機(jī)為三相線電壓220V輸出，蓄電池組的充電電壓范圍：46~57V。充電的恒流和功率跟隨有ATMEGA8來(lái)完成。系統(tǒng)組成原理圖如圖1所示。

系統(tǒng)原理圖1


　　3 系統(tǒng)工作原理

　　ATMEGA8是 AVR高檔單片機(jī)，內(nèi)部集成了可選擇頻率可校準(zhǔn)的RC振蕩器，8K FIASH程序存儲(chǔ)器、1K SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、512字節(jié)的E2PROM。8通道10位A／D轉(zhuǎn)換，3個(gè)PWM輸出通道可作為D／A輸出，內(nèi)部可編程的看門狗定時(shí)器等。通過(guò)霍爾電流傳感器把充電電流轉(zhuǎn)換成0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送CPU處理，并通過(guò)PBl腳．PWM輸出控制光藕PC817的道通度控制充電機(jī)的輸出電壓，從而通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)字PI調(diào)節(jié)達(dá)到恒流的目的。不過(guò)充電機(jī)恒流工作有一個(gè)重要的前提條件就是輸入能源必須有足夠大的功率。但是自然界風(fēng)能、太陽(yáng)能的隨柵陛、突然性使恒流充電難以實(shí)現(xiàn)。特別是風(fēng)能，如果風(fēng)速特別大而充電機(jī)仍然輸出不變的電流(負(fù)載不變)會(huì)損壞風(fēng)機(jī)。如果風(fēng)速小功率不夠就會(huì)導(dǎo)致充電機(jī)無(wú)法正常工作，時(shí)而關(guān)斷，時(shí)而開(kāi)通。造成此種現(xiàn)象是因?yàn)槌潆娔KPH600S工作正常輸入電壓范圍為DC 200~400V。為了克服此情況就加入了數(shù)字功率跟隨技術(shù)，以風(fēng)機(jī)輸入電壓300V經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整負(fù)載大小(輸出電流)做數(shù)字PI調(diào)節(jié)，從而達(dá)到充電機(jī)正常工作。

　　4 軟件設(shè)計(jì)思想

　　程序的編寫(xiě)采用AVR單片機(jī)專用的匯編語(yǔ)言，模塊化設(shè)計(jì)。監(jiān)控程序和輸入控制模塊程序流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖片1監(jiān)控主程序流程簡(jiǎn)圖


　　全部程序代碼由模擬量的數(shù)字采集，中值濾波、數(shù)字比較、PWM輸出等組成。關(guān)鍵是數(shù)字比較構(gòu)成簡(jiǎn)單的PI調(diào)節(jié)且電流環(huán)嵌套與電壓環(huán)之內(nèi)。

　　程序流程如下：以電流環(huán)為例做一介紹：由PH600S系列模塊組成的硬件充電機(jī)輸出電流由0～5V信號(hào)線性調(diào)節(jié)，電流給定信號(hào)(0～5V)由ATMEGA8單片機(jī)PBl口輸出10位PWM脈寬調(diào)制波形，再經(jīng)RC濾波產(chǎn)生。將M8單片機(jī)的T/Cl控制寄存器TCCRlA設(shè)置值83H，TCCRlB控制寄存器為 05H也就定義PBl口輸出10位快速的PWM波形。T／C1計(jì)數(shù)寄存器TCNTI(TCNTlH：TCNT1H)值便從0000一OlFFH之間變換。脈沖輸出占空比(輸出電壓)由比較控制寄存器OClA設(shè)定值與TCNTl寄存器計(jì)數(shù)值比較產(chǎn)生；OClA的內(nèi)容由0000—0lFFH可變?cè)O(shè)定也就決定輸出電壓由0～5V線性可調(diào)。OClA值由電壓環(huán)做模擬PI調(diào)節(jié)運(yùn)算后給定，這樣電壓環(huán)和電流環(huán)的互相嵌套便構(gòu)成了功率的恒定跟隨，從而提高了風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電的效率。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　太陽(yáng)能充電電路和風(fēng)機(jī)的功率跟隨原理是一樣，只不過(guò)太陽(yáng)能電池板的輸入電壓低，變化比較緩慢，已采用PH30048—48模塊作主回路。利用ATMEGA8單片機(jī)作控制，日產(chǎn)某公司的直流變換模塊為主電路做成的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，已在上海的花鳥(niǎo)島某駐軍運(yùn)行2年多，十分穩(wěn)定，受到了軍部領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)文章:風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理