基于AVR单片机数字功率跟随技术

　　引言

　　目前地球的五大问题，包括能源失衡、产油国独裁、失控的气候变迁、能源匮乏、生物多样性消失等，都是因为人类大量使用并依赖传统的能源所造成，而且五大问题环环相扣、迫在眉睫，再不积极采取行动，全人类都将陷入无法想像的浩劫，所以发展替代能源已不仅仅是解决高油价的方案，而是人类能在地球上永续生存下去的最关键要素。煤炭、石油是我国利用的主要能源，它们的巨量消费不仅是大气污染的主要来源，还有其不可再生性，使得它们会逐渐被可再生能源所代替。我国大部分地区有着丰富的风能和太阳能资源，但限于科技的发展程度，它们一直未能得到有效地利用。近些年，随着电子技术和硅材料研究的不断进步，促进了对风能、太阳能的开发利用，市场前景相当广阔。在此前提下，研制了智能化、模块化、一体化的新一代风、光互补综合电源系统。

　　1 风光互补发电系统

　　风、光互补电源系统主要有风力发电机、太阳能电池板、蓄电池组和电源综合控制柜组成。其设计理念是利用太阳能电池板和风力发电机双发电系统对蓄电池组(48V)充电，再把直流电逆变成AC 220V／50Hz的交流电，成为我们常用的交流电源。蓄电池组的充电方式决定其使用寿命的长短，但是风能的突然性和太阳能的时间性注定发电系统不能输出可靠稳定的直流电，若对其不加处理地直接对蓄电池组充电，不仅大大缩短蓄电池组的寿命，而且不能有效地利用风能和太阳能。因此，在充电过程中引入了基于ATMEGA8单片机数字功率跟随技术的控制系统，不仅大大提高了发电系统的稳定性，而且提高了电源系统的可靠性。

　　2 充电系统组成

　　以风机为例，充电系统主电路采用日产某公司的直流变换模块PH600S28048，直流输入电压：200～400V，输出电压：43～6lV遥控可调。风机为三相线电压220V输出，蓄电池组的充电电压范围：46~57V。充电的恒流和功率跟随有ATMEGA8来完成。系统组成原理图如图1所示。

系统原理图1


　　3 系统工作原理

　　ATMEGA8是 AVR高档单片机，内部集成了可选择频率可校准的RC振荡器，8K FIASH程序存储器、1K SRAM数据存储器、512字节的E2PROM。8通道10位A／D转换，3个PWM输出通道可作为D／A输出，内部可编程的看门狗定时器等。通过霍尔电流传感器把充电电流转换成0～5V的标准信号，经A／D转换成数字信号送CPU处理，并通过PBl脚．PWM输出控制光藕PC817的道通度控制充电机的输出电压，从而通过简单的数字PI调节达到恒流的目的。不过充电机恒流工作有一个重要的前提条件就是输入能源必须有足够大的功率。但是自然界风能、太阳能的随栅陛、突然性使恒流充电难以实现。特别是风能，如果风速特别大而充电机仍然输出不变的电流(负载不变)会损坏风机。如果风速小功率不够就会导致充电机无法正常工作，时而关断，时而开通。造成此种现象是因为充电模块PH600S工作正常输入电压范围为DC 200~400V。为了克服此情况就加入了数字功率跟随技术，以风机输入电压300V经A/D转换数字为基准来调整负载大小(输出电流)做数字PI调节，从而达到充电机正常工作。

　　4 软件设计思想

　　程序的编写采用AVR单片机专用的汇编语言，模块化设计。监控程序和输入控制模块程序流程简图如图2所示。

图片1监控主程序流程简图


　　全部程序代码由模拟量的数字采集，中值滤波、数字比较、PWM输出等组成。关键是数字比较构成简单的PI调节且电流环嵌套与电压环之内。

　　程序流程如下：以电流环为例做一介绍：由PH600S系列模块组成的硬件充电机输出电流由0～5V信号线性调节，电流给定信号(0～5V)由ATMEGA8单片机PBl口输出10位PWM脉宽调制波形，再经RC滤波产生。将M8单片机的T/Cl控制寄存器TCCRlA设置值83H，TCCRlB控制寄存器为 05H也就定义PBl口输出10位快速的PWM波形。T／C1计数寄存器TCNTI(TCNTlH：TCNT1H)值便从0000一OlFFH之间变换。脉冲输出占空比(输出电压)由比较控制寄存器OClA设定值与TCNTl寄存器计数值比较产生；OClA的内容由0000—0lFFH可变设定也就决定输出电压由0～5V线性可调。OClA值由电压环做模拟PI调节运算后给定，这样电压环和电流环的互相嵌套便构成了功率的恒定跟随，从而提高了风、光互补发电的效率。

　　5 结语

　　太阳能充电电路和风机的功率跟随原理是一样，只不过太阳能电池板的输入电压低，变化比较缓慢，已采用PH30048—48模块作主回路。利用ATMEGA8单片机作控制，日产某公司的直流变换模块为主电路做成的风光互补发电系统，已在上海的花鸟岛某驻军运行2年多，十分稳定，受到了军部领导的好评。