任　雁　李建朝　楊宗霄

摘要：本文介紹了基于Atmega16的電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)主要用于同軸型直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電壓控制，該設(shè)計(jì)主要分為主電路和控制電路。其中主電路包括：采用二極管和濾波電容組成的整流濾波電路，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)功率管的穩(wěn)壓電路，以及蓄電池充電電路?？刂齐娐凡捎肁TMEGA16單片機(jī)經(jīng)過軟件編程生成PWM波，作為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，從而對IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷進(jìn)行控制，穩(wěn)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓。同時(shí)，在PWM脈寬調(diào)制的過程中加入軟開關(guān)技術(shù)，提高了IGBT的頻率，減小了損耗。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電：PWM脈寬調(diào)制：IGBT開關(guān)功率管；ATMEGA16單片機(jī)；軟開關(guān)技術(shù)

0概述

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，是新能源開發(fā)中重要的項(xiàng)目。風(fēng)力發(fā)電的基本原理是空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，通過葉輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用葉輪通過轉(zhuǎn)軸直接連接與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接方式，不需要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風(fēng)，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，提高了風(fēng)能的利用率，且結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、并便于維護(hù)。然而風(fēng)力并不穩(wěn)定，即單位時(shí)間內(nèi)通過葉輪的風(fēng)量并不恒定，造成葉輪轉(zhuǎn)速變化較大，也就無法保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，其輸出的電壓、頻率都有較大變化難以使用。為了使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能能夠應(yīng)用，需要采用一定的控制系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率進(jìn)行控制。

本設(shè)計(jì)是針對同軸型直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)(已獲專利，專利申請?zhí)枺?00810049517)的電壓控制系統(tǒng)。其核心是利用單片機(jī)的計(jì)算和控制能力對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而排除和減少由于騷擾信號(hào)和模擬電路引起的誤差，大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性，降低了對模擬電路的要求。

1垂直軸風(fēng)力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成，其中主電路包括整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、充電電路；控制電路包括Atmega16、檢測保護(hù)電路、顯示電路等。如圖1所示：

1.1主電路設(shè)計(jì)

主電路的輸入端采用二極管搭建的三相橋式不可控整流電路，將發(fā)電機(jī)輸出24V～100V的不穩(wěn)定交流電轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的近似直流電，再經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電；穩(wěn)壓電路將近似直流電通過閉環(huán)控制電路轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓向蓄電池充電。如圖2所示：

(1)BUCK電路

穩(wěn)壓電路是采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)功率管的降壓斬波電路，當(dāng)IGBT接通時(shí)，經(jīng)電容濾波獲得平滑的直流電通過L_L平波和C_S濾波后向蓄電池充電；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，L_L通過二極管D7續(xù)流，保持充電電流連續(xù)。

1.2控制電路設(shè)計(jì)

垂直軸發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定控制電路如圖3所示，由單片機(jī)Atmega16、驅(qū)動(dòng)電路、顯示屏等組成，完成控制和驅(qū)動(dòng)輸出兩部分。同時(shí)在PWM脈寬調(diào)制的過程中采用軟開關(guān)技術(shù)。

(1)Atmega16

Atmega16是ATMEL公司設(shè)計(jì)研發(fā)的高速低功耗8位單片機(jī)，其I／O口功能強(qiáng)，具有2路PWM直接輸出，可以驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，8路10位高速A／D轉(zhuǎn)換功能，能夠采樣得到蓄電池充電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，從而精確控制充電電壓，且

使用方便快捷。

在本系統(tǒng)中，Atmega16主要用于產(chǎn)生一定脈寬的PWM波，作為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，根據(jù)基準(zhǔn)電壓與檢測到穩(wěn)壓電路的輸出反饋電壓的比較，調(diào)整脈寬。改變占空比，控制發(fā)電機(jī)輸出電壓，并對充電電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；同時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和充電電壓等模擬信號(hào)經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)單片機(jī)處理后由顯示屏以數(shù)字方式顯示。

(2)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)中采用惠普公司的成品驅(qū)動(dòng)模塊HCPL316J來驅(qū)動(dòng)IGBT，可以大大提高設(shè)備的可靠性。該芯片為光耦隔離，COMS／TTL電平兼容，過流軟關(guān)斷，最大開關(guān)速度為500ns，工作電壓15V～30V，欠壓保護(hù)，可以驅(qū)動(dòng)150A／1200V的IGBT。

驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波信號(hào)加在HCPL316J的第1腳，輸入部分需要1個(gè)5V電源，RESET腳低電平有效，故障信號(hào)輸出由HCPL316J的第6腳送至單片機(jī)的PD0口關(guān)閉PWM波信號(hào)，在發(fā)生過流情況時(shí)及時(shí)關(guān)閉PWM輸出。輸出部分采用+15V和-5V雙電源供電，用于產(chǎn)生正負(fù)脈沖輸出，HCPL316J的14腳為過流檢測端，通過二極管VD檢測IGBT集電極電壓，在IGBT導(dǎo)通時(shí)，如果集電極電壓超過7V，則認(rèn)為是發(fā)生了過流現(xiàn)象，HCPL316J慢速關(guān)斷IGBT，同時(shí)由第6腳送出過流信號(hào)。

(3)軟開關(guān)技術(shù)

軟開關(guān)技術(shù)是在脈沖調(diào)制電路中，加入L、C諧振電路，使開關(guān)器件中的電流或電壓按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流過零時(shí)，使器件關(guān)斷，當(dāng)電壓過零時(shí)，使器件開通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的近似零損耗。同時(shí)，有助于提高頻率，提高開關(guān)的容量，減小噪聲。

本設(shè)計(jì)中增加了帶有輔助開關(guān)控制的零電流開關(guān)變換，如圖5所示。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，在L_R的作用下，S1零電流導(dǎo)通，I_LR=I_0o當(dāng)S1、S2導(dǎo)通一關(guān)斷時(shí)，C_R開始產(chǎn)生電壓，D7在零電流下自然關(guān)斷；之后，L_R與C_R開始諧振，經(jīng)過半個(gè)諧振周期，I_LR再次諧振到I₀，U_CR上升到最大值，而I_CR為零，S2關(guān)斷，U_CR和I_LR將被保持。當(dāng)S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時(shí)，U_in正常向負(fù)載I₀供電。當(dāng)S1導(dǎo)通一關(guān)斷、S2導(dǎo)通時(shí)，在L_R作用下，S2電流為0，諧振再次開始，當(dāng)1_LR反向諧振到0時(shí)，S1完成

關(guān)斷。當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通時(shí)，U_CR在I₀作用下，衰減到0。當(dāng)S1關(guān)斷、S2導(dǎo)通一關(guān)斷時(shí)，D7自然導(dǎo)通開始續(xù)流。由于D7的短路作用，S2可在此后至下一周期到來前完成關(guān)斷。S1、S2均由單片機(jī)進(jìn)行控制，其中S1在前四個(gè)階段均導(dǎo)通，恢復(fù)及續(xù)流時(shí)關(guān)斷，S2的作用主要是隔斷諧振產(chǎn)生保持階段。S1、S2的有效控制產(chǎn)生了PWM的效果，并利用諧振實(shí)現(xiàn)了自身的軟開關(guān)。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電電壓控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要條件，采用模塊化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了程序的可移植性。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要分為四大模塊組成：初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、中斷模塊、顯示模塊。

系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的是各模塊程序的鏈接，如圖6所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)入初始化模塊，對單片機(jī)內(nèi)部的AD、中斷、顯示等各參數(shù)進(jìn)行初始化；接下來進(jìn)入數(shù)據(jù)采集與處理模塊，單片機(jī)通過傳感器和充電電路的采樣電阻分別循環(huán)采樣垂直軸發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和充電電壓，然后將采樣值經(jīng)AD轉(zhuǎn)化處理后進(jìn)入顯示模塊，將采樣值顯示在液晶屏上；同時(shí)在中斷模塊中，將系統(tǒng)輸出反饋電壓與預(yù)先設(shè)置的基準(zhǔn)電壓按一定比例進(jìn)行比較，調(diào)整脈寬，改變占空比，控制發(fā)電機(jī)輸出電壓。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是中斷模塊。在程序中將單片機(jī)的PD4口設(shè)置為輸出PWM波，同時(shí)設(shè)置基準(zhǔn)電壓U₀和輸出的PWM波頻率。單片機(jī)將系統(tǒng)輸出反饋電壓U和U₀進(jìn)行比較；當(dāng)U與U₀不相等時(shí)，程序產(chǎn)生中斷，單片機(jī)根據(jù)q=U_*q₀／U₀計(jì)算出所需要的占空比，從而改變PD4口輸出的高低電平的持續(xù)時(shí)間，產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制IGBT的通斷時(shí)間，調(diào)整充電電壓。

3總結(jié)

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制，能夠解決風(fēng)力發(fā)電輸出電壓和頻率范圍過大。無法給蓄電池充電的問題，且具有穩(wěn)壓精度高、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、高效率、可維護(hù)性好且能自動(dòng)調(diào)節(jié)等特性，可廣泛應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。