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06-18
中频汽油发电机作为重要的电能来源，在需要备用电源和移动作业的场合发挥着重要作用。
特别适用于野外、矿山施工作业、企事业单位备用电源、灾后小功率临时用电等。
它简单、可靠、易于维护。
由于汽油发电机输出的是与市电频率、电压不同的三相交流电，电压、频率值都比较高，不能满足大多数用电设备的使用要求，输出电压波动较大随负载的变化而变化很大。
因此，需要一个自动电压调节器（AVR）来稳定负载变化时的输出电压和频率。
传统的模拟控制方式输出电压质量较差，且能耗较高。
随着计算机技术和电力电子控制技术的发展，控制数字化、智能化已成为逆变电源发展的必然。
与传统的控制方式相比，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，可实现实时监控和诊断。
但目前大多数产品只有一种模式，即满载工作模式，无法实现转速随负载变化的实时调节。
主要原因是汽油发电机在实际运行中很难获得准确的数学模型，而传统的基于线性系统的控制方法很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个问题，并将模糊控制应用到控制系统中。
汽油发电机的油门由步进电机控制。
整个系统分为节油模式和满载模式。
满载模式用于负载变化频繁的情况。
节油模式用于其他情况。
发电机节流阀根据负载的变化自动调节。
整个系统通过软硬件的灵活设计，在节油降耗的基础上保证了良好的稳定性和动态性能。
基本工作原理 汽油发电机常作为移动式独立电源使用，主要由汽油机、同步发电机和控制器组成。
设计中使用的汽油机产生的三相交流电，频率为～Hz，电压为～V。
经过三相整流桥变成高直流电压，再经过降压环节（降压转换器）将其降至V左右，最后经过逆变器。
链路和LC滤波器将其转换为V/50Hz交流电供负载使用。
为了减少主电路的开关损耗，逆变器采用单极倍频电压型SPWM软开关DC/AC变换电路。
控制电路以单片机为中心。
为了在负载变化时稳定输出电压，首先在降压环节引入传统的PID控制算法，将降压环节的输出电压稳定在V，使逆变器输出稳定的V/50Hz交流电。
当降压环节无法稳定输出电压时，将反馈电压与给定电压之间的偏差以及偏差的变化率作为模糊控制器的输入进行调节，以获得合适的节流开度，从而实现输出电压。
稳定、动态性能好。
控制系统的组成 整个系统采用PIC16F作为主控芯片。
它集成了看门狗定时器、FLASH程序存储器、10位A/D转换接口，同时保持了高速和低廉的价格。
两路PWM输出等电路，因此在开发设计时，外围电路比较简单，能够更好地满足要求。
控制器解决方案主要包括硬件和软件。
硬件设计主要由驱动模块、油门控制电路、逆变桥专用SPWM控制器、SG脉宽调制电路、电压电流检测电路等组成。
设计采用兼具隔离功能和驱动能力的TLP作为驱动器模块;逆变桥控制器采用PIC16F开发，直接利用单片机本身提供的PWM输出接口，输出两路SPWM驱动脉冲；反馈信号的采样和检测是在微控制器内选择的。
采用高分辨率、抗干扰能力强的A/D进行转换；整个硬件设计简单，可靠性高。
系统软件部分主要包括油门模糊控制程序、逆变控制器SPWM脉冲输出程序、主控芯片过压过流时的中断保护程序以及与逆变控制器的通讯程序。
其中，发电机风门的模糊控制程序是整个系统的难点和核心。
如果控制量计算不当，不仅达不到节能降耗的目的，还会造成系统振荡、输出电压不稳定。
另外，汽油发电机是独立的电源，因此控制系统的电源需要利用发电机模块绕组产生的13.5±0.5V交流电进行转换。
由于逆变电路需要多个独立的驱动电源，为了简化电路，本系统设计了具有多个次级输出的反激式开关电源，为控制系统供电。
整个设计的原理框图如图1所示。
图1 系统主电路及控制电路框图 驱动电路和保护电路设计 降压环节和逆变器选用IGBT控制系统中的开关装置。
根据IGBT的开关特性和栅极驱动电路要求，采用TLP设计的驱动电路如图2所示。
PWM3为单片机发送的驱动信号，VCC为辅助电源的18V电平，G3和E3为IGBT的驱动信号，G3接IGBT的栅极，E3接IGBT的源极。
导通状态下的栅极驱动电压为13V，截止状态下的栅极驱动电压为-5V（稳压管反向偏置）。
当G3和E3两端电压为13V时，IGBT导通。
当其两端电压为-5V时，IGBT被迫快速关断。
当输出出现过压时，电路将关闭TLP操作以保护IGBT。
图2 IGBT驱动电路 为了使电源在恶劣环境和突发故障下安全可靠地工作，必须设计保护电路，如软启动防止浪涌、过压、欠压、过热等.过流、短路等保护电路。
该保护电路主要完成系统的过流保护功能。
它采用霍尔传感器检测电压和电流信号，并通过LM设计的磁滞电压比较器阻断输出脉冲。
图3 过流保护电路 模糊控制器设计 模糊控制的基本原理是将控制器的输入进行模糊化处理，按照一定的模糊语言规则进行推理，最终得到推理结果。
对输出结果进行去模糊化，以获得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： 确定输入输出变量模糊控制器的设计，并选择输入和输出变量。
讨论领域；变量的语言描述和赋值表的建立；模糊控制规则的设计；建立模糊化和去模糊化方法，并生成控制表。
1 控制器的输入输出变量 理论上，模糊控制系统选用的模糊控制器的维数越高，系统的控制精度越高。
但维数选择过高，模糊控制律过于复杂，基于模糊综合推理的控制算法的计算机实现比较困难。
根据本设计的特点，采用二维模糊控制器。
为了便于测量和控制，控制器的输入变量直接选择降压环节输出电压的偏差E和偏差EC的变化率。
控制器的输出变量是汽油机的节气门开度。
度数是步进电机的步数。
讨论电压偏差的基本域是[-60, 60]，讨论偏差变化的基本域是[-6, 6]，讨论输出步进电机的步数的基本域为[-32, 32]，step 如果电机步数为负，则表示电机反转，油门开度变小。
电压偏差E、偏差变化率EC和输出控制变量Y对应的语言变量模糊子集为{正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(0)、负小（NS），负中（NM），负大（NB）}，对应的离散模糊域为{6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, - 4 ，-5，-6}，用αe和αC表示误差及误差变化的量化因子，用αu表示控制量的比例因子，则αe=n1/|emax|=6/60= 0.1，αC=n2/|eCmax|=6/6=1，αu=|umax|=32/6=5.33。
输入和输出的隶属函数通常有三角函数、阶梯函数、高斯函数等几种形式。
其中，高斯隶属函数是描述模糊子集的较为合理的形式，但其计算复杂，计算机实现困难。
根据系统的特点，该方案采用三角形隶属函数，其形状仅与直线的斜率有关，适合自适应模糊控制系统的在线调节。
输入变量和输出变量的隶属函数曲线分别如图5和图6所示。
图 5 E 和 EC 隶属函数曲线 图 6 Y 隶属函数曲线 由于当输出电压误差较小时，只需调整降压脉冲宽度即可稳定电压关联。
因此，当偏差较小时，隶属函数的形状应该较慢。
输入和输出变量的隶属函数曲线是建立语言变量分配表的基础。
对于三角形隶属函数，归属表中的隶属度可以按照以下公式计算： (1) 其中，a表示三角形左端对应的X轴的值，b是三角形顶部对应的X轴值，c是三角形右端对应的X轴值。
表1为输出变量Y的语言变量分配表。
偏差和偏差变化率的语言变量分配表的格式和计算方法与此类似。
2 模糊控制规则的建立 本设计的模糊控制规则主要是根据降压环节的输出电压偏差以及偏差的变化率来确定汽油机节气门开度的变化。
原则是偏差较大时选择控制量。
为了尽快消除误差，在偏差较小时，选择防止超调的控制量。
着眼于系统稳定性，选择if E and EC then Y的形式，可建立如下控制规则表。
建立模糊控制规则后，我们可以计算每个规则的模糊关系Ri。
这些模糊关系具有或的关系，因此描述整个控制系统的总的模糊关系为R=R1∨R2∨R3…Rn。
3模糊控制查找表的生成 有了描述整个系统控制规则的总模糊关系R后，下一步就是根据推理综合规则进行模糊推理，并根据推理赋值影响输出电压偏差和偏差变化率。
表获取控制输出。
由于模糊推理的结果是一个模糊集合，因此它所反映的控制量输出语言变量属于其论域中各元素的隶属度的组合。
为了获得准确的输出量，必须进行去模糊化处理，即对输出信息进行去模糊化。
模糊判断方法通常包括最大隶属度法、中值法、加权平均法等，本设计采用加权平均法，其算法公式为： (2) 其中，xi为离散域元素，u(xi)是每个域元素的隶属度。
然后将计算出的精确控制量乘以比例因子以获得实际控制量。
为了减少计算量，避免对每个输出进行模糊推理和模糊判断，我们可以按照前面的步骤，采用建立模糊查找表的方法，对E和EC离散域中的元素进行模糊化处理，然后使用模糊 通过推理和模糊判断得到相应的属于控制量离散域的精确控制量Y。
最后将得到的结果制成模糊控制表。
本系统的模糊控制表如表3所示。
将模糊控制查找表保存到PIC16F中。
实时控制时，计算机根据采样量计算偏差和偏差的变化率，并量化得到元素EK和ECK，查表得到YK。
可见，利用这种模糊控制查找表，节省了大量的模糊推理和模糊判断的时间，效率大大提高。
？需要对模糊控制器进行动态改进，如对模糊控制规则进行简单调整、改变比例因子和量化因子等。
此外，根据模糊控制不能消除静态误差的特点，本设计增加了PID控制算法在降压链接中。
逆变桥控制器采用固定调制比。
只要降压环节的输出电压稳定，负载两端就能输出稳定的V/50HZ正弦波。
采用上述方案设计了2kW样机进行测试。
图7和图8为逆变电源带2kW阻性负载时降压环节和逆变器输出的电压波形。
实践证明，本设计通过选用高性能PIC单片机并在控制中加入模糊控制算法，避免了建立复杂的数学模型，达到了输出电压调节快、波动小的要求。
整个方案外围电路简单，系统可靠性高。
是一款高性能独立逆变电源。
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