基于AVR單片機數字功率跟隨技術

　　引言

　　目前地球的五大問題，包括能源失衡、產油國獨裁、失控的氣候變遷、能源匱乏、生物多樣性消失等，都是因為人類大量使用并依賴傳統的能源所造成，而且五大問題環(huán)環(huán)相扣、迫在眉睫，再不積極采取行動，全人類都將陷入無法想像的浩劫，所以發(fā)展替代能源已不僅僅是解決高油價的方案，而是人類能在地球上永續(xù)生存下去的最關鍵要素。煤炭、石油是我國利用的主要能源，它們的巨量消費不僅是大氣污染的主要來源，還有其不可再生性，使得它們會逐漸被可再生能源所代替。我國大部分地區(qū)有著豐富的風能和太陽能資源，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，隨著電子技術和硅材料研究的不斷進步，促進了對風能、太陽能的開發(fā)利用，市場前景相當廣闊。在此前提下，研制了智能化、模塊化、一體化的新一代風、光互補綜合電源系統。

　　1 風光互補發(fā)電系統

　　風、光互補電源系統主要有風力發(fā)電機、太陽能電池板、蓄電池組和電源綜合控制柜組成。其設計理念是利用太陽能電池板和風力發(fā)電機雙發(fā)電系統對蓄電池組(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決定其使用壽命的長短，但是風能的突然性和太陽能的時間性注定發(fā)電系統不能輸出可靠穩(wěn)定的直流電，若對其不加處理地直接對蓄電池組充電，不僅大大縮短蓄電池組的壽命，而且不能有效地利用風能和太陽能。因此，在充電過程中引入了基于ATMEGA8單片機數字功率跟隨技術的控制系統，不僅大大提高了發(fā)電系統的穩(wěn)定性，而且提高了電源系統的可靠性。

　　2 充電系統組成

　　以風機為例，充電系統主電路采用日產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。風機為三相線電壓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來完成。系統組成原理圖如圖1所示。

系統原理圖1


　　3 系統工作原理

　　ATMEGA8是 AVR高檔單片機，內部集成了可選擇頻率可校準的RC振蕩器，8K FIASH程序存儲器、1K SRAM數據存儲器、512字節(jié)的E2PROM。8通道10位A／D轉換，3個PWM輸出通道可作為D／A輸出，內部可編程的看門狗定時器等。通過霍爾電流傳感器把充電電流轉換成0～5V的標準信號，經A／D轉換成數字信號送CPU處理，并通過PBl腳．PWM輸出控制光藕PC817的道通度控制充電機的輸出電壓，從而通過簡單的數字PI調節(jié)達到恒流的目的。不過充電機恒流工作有一個重要的前提條件就是輸入能源必須有足夠大的功率。但是自然界風能、太陽能的隨柵陛、突然性使恒流充電難以實現。特別是風能，如果風速特別大而充電機仍然輸出不變的電流(負載不變)會損壞風機。如果風速小功率不夠就會導致充電機無法正常工作，時而關斷，時而開通。造成此種現象是因為充電模塊PH600S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字功率跟隨技術，以風機輸入電壓300V經A/D轉換數字為基準來調整負載大小(輸出電流)做數字PI調節(jié)，從而達到充電機正常工作。

　　4 軟件設計思想

　　程序的編寫采用AVR單片機專用的匯編語言，模塊化設計。監(jiān)控程序和輸入控制模塊程序流程簡圖如圖2所示。

圖片1監(jiān)控主程序流程簡圖


　　全部程序代碼由模擬量的數字采集，中值濾波、數字比較、PWM輸出等組成。關鍵是數字比較構成簡單的PI調節(jié)且電流環(huán)嵌套與電壓環(huán)之內。

　　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輸出電流由0～5V信號線性調節(jié)，電流給定信號(0～5V)由ATMEGA8單片機PBl口輸出10位PWM脈寬調制波形，再經RC濾波產生。將M8單片機的T/Cl控制寄存器TCCRlA設置值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計數寄存器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設定值與TCNTl寄存器計數值比較產生；OClA的內容由0000—0lFFH可變設定也就決定輸出電壓由0～5V線性可調。OClA值由電壓環(huán)做模擬PI調節(jié)運算后給定，這樣電壓環(huán)和電流環(huán)的互相嵌套便構成了功率的恒定跟隨，從而提高了風、光互補發(fā)電的效率。

　　5 結語

　　太陽能充電電路和風機的功率跟隨原理是一樣，只不過太陽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單片機作控制，日產某公司的直流變換模塊為主電路做成的風光互補發(fā)電系統，已在上海的花鳥島某駐軍運行2年多，十分穩(wěn)定，受到了軍部領導的好評。 風力發(fā)電機相關文章:風力發(fā)電機原理