CN102324886A - 便携式燃油发电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式燃油发电机控制方法，包括原动机、永磁发电机、步进电机、第一单片机、第二单片机、PWM逆变模块、LC滤波器；第一单片机内预置有电流~转速对应表，第二单片机内预置有电流~目标电压累加值表，本发明将需要单片机进行复杂计算的计算操作转化为简单的查表操作，使低性能的8位单片机就能负担现有技术需要16位以上的单片机才能完成的工作。

Description

便携式燃油发电机控制方法

技术领域

    本发明涉及一种小型发电机组控制技术，尤其涉及一种便携式燃油发电机控制方法。

背景技术

    现有的便携式燃油发电机组，为了使发电机组的输出电压、电流稳定，需要对发电机组的输出电压、电流进行采样和处理，根据处理结果调整发电机组的工况（即调整发动机转速）及逆变器的调节参数（即调整输出电压），使发电机组的输出电压稳定以及使发电机组的工况经济合理；这类发电机组一般用16位或32位的MCU或DSP来实现对采样数据进行计算和处理（一般未采用8位的单片机，因8位单片机的处理能力明显不足），16位或32位的MCU或DSP虽然处理能力强大，但是其引脚多，不易安装和维修，且价格高，提高了制造成本，而且器件的处理能力冗余度大，若直接换用处理能力较低的8位单片机，8位单片机的处理能力又不能满足需求。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种便携式燃油发电机控制方法，通过对控制方法的改进，使2片低处理能力的8位单片机就能完成现有技术中需要16位或32位的单片机才能完成的任务，其具体方案为：包括原动机、永磁发电机、步进电机、第一单片机、第二单片机、PWM逆变模块、LC滤波器；第一单片机内预置有电流~转速对应表，第二单片机内预设有电流~目标电压累加值表；

装置运行过程为：原动机驱动永磁发电机转动，永磁发电机输出的电能经整流后传输到PWM逆变模块进行PWM逆变（即DC-AC变换），然后经LC滤波还原成正弦交流电压后输出到负载；

由第一单片机完成的操作有：

1）对PWM逆变模块的输出电流全波整流后进行周期平均值采样，得到采样电流A；本文所指“周期平均值采样”其含义为： 在一个正弦周期内，对全波整流信号进行多点（2的N次方倍）均匀间隔的AD采样和转换，将采样结果累加，然后在正弦周期结束时计算平均值，由于采样的点数为2的N次方倍，计算平均值时只要将采样累加结果数据右移N位即得到周期平均值。避免了复杂的计算，使8位单片机能够完成。

2）将采样电流A与电流~转速对应表进行比对，得到发电机在采样电流A条件下应达到的目标转速；

3）同时，对发电机的当前转速进行采样，得到实际转速；

4）计算目标转速与实际转速的差值，进行PID计算，根据PID计算结果，向步进电机输出控制信号，步进电机根据控制信号调整原动机的化油器开度；在化油器开度作用下，原动机转速发生变化，发电机转速也发生相应的变化；

5）重复步骤1）至5）；

由第二单片机完成的操作有：

a.对LC滤波器的输出电压在一个正弦周期内的全波整流电压进行均匀间隔的多次AD采样，将一个正弦周期内的采样结果进行累加，得到采样电压累加值；对LC滤波器的输出电流全波整流进行周期平均值采样，得到采样电流B；

b.根据采样电流B查目标电压累加值表得出对应的目标电压累加值,计算采样电压累加值与目标电压累加值的差值，根据差值计算下一周期的PWM调制度，得到新的PWM调制度；

c. 在下一正弦周期，根据新的PWM调制度向PWM逆变模块输出PWM控制信号； 

d. 在LC滤波器的正弦输出波形为零度时，检查PCB板上检测PCB板温度的IC是否有超温信号输入，在LC滤波器的正弦输出波形为180度时，检查PWM逆变模块的输入直流电压是否有过压或欠压，当出现前述的超温、过压或欠压的情况时，关闭PWM逆变模块；

e.重复步骤a至e； 

第一单片机和第二单片机均为8位单片机。

本发明的有益技术效果是：通过对控制方法的简化，使8位单片机就能负担16位或32位单片机才能负担的工作，同时，8位单片具有成本低廉、引脚数量少的优势，既降低了制作成本，又简化了安装维修操作，基本上使8位单片的处理能力得到了最大化的使用。

附图说明

图1、本发明的原理框图；

图2、本发明的硬件电气原理图。

具体实施方式

本发明的硬件部分包括：原动机1、永磁发电机2、步进电机3、第一单片机5、第二单片机6、PWM逆变模块7、LC滤波器8（其中还涉及整流电路、采样电路、信号放大电路等常规电路，因其与本发明改进部分相关性不大，故未作叙述）；

其中，第一单片机5内预置有电流~转速对应表，该表由实验数据整理得到，不同型号的原动机1和永磁发电机2可以使用不同的电流~转速对应表，通过此表，将原本需要经过复杂的中间变量（如输出功率因数、负载功率、整流系统输出电压、整流系统可控硅导通角等）计算才能得到理论转速的计算操作（现有技术中，一般根据采样数据先计算出中间变量，再根据中间变量求得最终的合理理论转速，然后根据理论转速对电机转速进行调节），简化为只需要根据采样电流值查找对应目标转速的查表操作，极大地简化了单片机的计算过程，这也是本发明的低性能8位单片机可以负担高性能的16位或32位单片机的工作的原因之一。

电流~转速对应表的优选实施例为： 

实施例1：

采样电流达到额定输出电流的100%及以上范围时，对应的转速为：4600转/分钟；

采样电流达到额定输出电流的100%~90%范围时，对应的转速为：4600转/分钟；

采样电流达到额定输出电流的90%~20%范围时，对应的转速为：在4600转/分钟~3200转/分钟范围内，随采样电流值降低而等比例下降；

采样电流达到额定输出电流的20%及以下范围时，对应的转速为：3200转/分钟；

实施例2：

采样电流达到额定输出电流的100%及以上范围时，对应的转速为：4800转/分钟；

采样电流达到额定输出电流的100%~80%范围时，对应的转速为：在4800转/分钟~4500转/分钟范围内，随采样电流值降低而等比例下降；

采样电流达到额定输出电流的80%~10%范围时，对应的转速为：在4500转/分钟~3200转/分钟范围内，随采样电流值降低而等比例下降；

采样电流达到额定输出电流的10%及以下范围时，3200转/分钟

第二单片机6内预设有电流~目标电压累加值表，该电流~目标电压累加值表中的任一目标电压累加值，为相应负载电流下我们期望输出的稳定电压，在一个正弦周期内的全波电压波形的多个AD采样值（其采样数量与后面实际运行中的采样数量相同）的理论累加值，同样地，这里单片机所要完成的任务也得到了简化，其简化方式是这样实现地：现有技术中，需要对电压和电流采样结果进行均方根计算，并将其换算为对应的电压值和电流值，而要快速高效地完成数据采样和均方根计算，是8位单片机所远远不能承担的；客观上，在不同负载条件下，我们期望输出的交流电压值（即目标电压）有一最佳电流值与之对应，本发明将目标电压逆推为（也即往回换算）电压累加值状态，同理，将最佳电流值也逆推为对应的电流平均值状态，实质上就是将需要由处理装置在运行过程中高速完成的均方根计算及其他过程，由制作电流~目标电压累加值表的过程来替代，从而大大简化了单片机所要完成的工作，使8位单片机就可负担高性能芯片才能负担的任务。

电流~目标电压累加值表的优选实施例为： 

采样电流达到额定输出电流的10%及以下时，对应的目标电压累加值为：11500；

采样电流达到额定输出电流的10%~110% 范围内时， 对应的目标电压累加值为：11500~11000；

采样电流达到额定输出电流的110%~130%范围内时，对应的目标电压累加值为：11000~10000；

采样电流达到额定输出电流的130%及以上范围时，对应的目标电压累加值为：8000；

参见专利号为02100920.1的专利文献，该专利所公开的方案中，为了实现其发明目的，处理装置需要完成对多个中间变量的采集和计算，才能得到最终的调节值，由于这些多变量的采集和处理需要，须要功能较为强大的处理装置才能高效快速地完成计算及处理；而本发明与前述专利相比，本发明通过在实验中得到原动机和永磁电机的特性参数，并将特性参数固化为电流~转速对应表，使处理装置仅需通过查表就可得到转速目标值，从而达到改善发电机运行工况的目的，由于本发明省略了多变量的采集和处理步骤，使得低性能的8位单片机即可完成预定的工作，并且达到与现有的采用高性能处理装置的系统基本一致的工作效果。针对不同型号的原动机1和永磁发电机2，可以对电流~转速对应表作适当调整，以适应不同型号的装置的参数特性。

参见专利号为200910140373.8的专利文献，该专利所公开的方案中，为了实现其发明目的，需要采集输出电压和输出电流，根据采集到的数据进行功率因数计算，根据功率因数计算结果来调节转速，同样地，该专利的处理装置也需要进行相对复杂的计算。

发电机组运行的基本过程为：原动机1驱动永磁发电机2转动，永磁发电机2输出的电能经整流后传输到PWM逆变模块7进行PWM逆变，然后经LC滤波后输出到负载；

在发电机组运行过程中，由第一单片机5完成的操作有：

1）对LC滤波器8的输出电流全波整流后进行周期平均值采样，得到采样电流A；

2）将采样电流A与电流~转速对应表进行比对，得到发电机2在采样电流A条件下应达到的目标转速；

3）同时，对发电机2的当前转速进行采样，得到实际转速；

4）计算目标转速与实际转速的差值，进行PID计算，根据PID计算结果，向步进电机3输出控制信号，步进电机3根据控制信号调整原动机1的化油器开度；在化油器开度作用下，原动机1转速发生变化，发电机2转速也发生相应的变化；

5）重复步骤1）至5）；

由第二单片机6完成的操作有：

a.对LC滤波器8的输出电压在一个正弦周期内的全波整流电压进行均匀间隔的多次AD采样，将一个正弦周期内的采样结果进行累加，得到采样电压累加值；对LC滤波器8的输出电流全波整流后进行周期平均值采样，得到采样电流B；

b.根据采样电流B查目标电压累加值表得出对应的目标电压累加值,计算采样电压累加值与目标电压累加值的差值，根据差值计算下一周期的PWM调制度，得到新的PWM调制度；

c. 在下一正弦周期，根据新的PWM调制度向PWM逆变模块7输出PWM控制信号； 

d. 在LC滤波器8的正弦输出波形为零度时，检查PCB板上检测PCB板温度的IC是否有超温信号输入，在LC滤波器8的正弦输出波形为180度时，检查PWM逆变模块7的输入直流电压是否过压或欠压，当出现前述的超温、过压或欠压的情况时，关闭PWM逆变模块7；

e.重复步骤a至e； 

第一单片机5和第二单片机6均为8位单片机。

第一单片机5和第二单片机6相互独立，各自完成自己的工作，使发电机组工况经济合理同时输出平稳精确的电压。其中第一单片机5可采用PIC16F616型芯片、第二单片机6可采用PIC18F1330型芯片。

参见图2，本发明的完整电气结构如图所示，图中：三相整流电路A、IGBT逆变桥B、IGBT驱动电路C、电压采样电路E、整流电路F、工作指示灯G、过流检测信号H、温度检测电路I、过/欠压检测电路J、转速脉冲整形电路K、脉冲电流放大电路L、低压电源M、永磁电机输出N、尖峰吸收电路O、负载端P。

系统的一个完整工作流程为：

整流电路F将负载电流转换成全波波形，第一单片机5对整流电路F送来的负载电流全波信号进行AD转换，在一个正弦周期内得到周期平均电流，然后查表得到对应的目标转速；同时，第一单片机还采集转速脉冲整形电路K送来的转速信号，得到实际的转速，然后计算实际转速与目标转速的差值，经过PID计算后生成步进电机驱动信号。第一单片机输出的步进电机驱动信号被脉冲电流放大电路L放大后连接到步进电机使步进电机转动，步进电机联动的化油器改变开度使得原动机转速发生变化，最终使得实际转速接近或等于目标转速。

三相整流电路A将来自于永磁发电机的输入电压整流成稳定的直流电压提供给IGBT逆变桥B，三相整流电路A连接的尖峰吸收电路O负责吸收整流输入端的尖峰脉冲。整流电路F将负载电流转换成全波电流波形，电压采样电路E将输出交流电压降压并转换成全波电压波形，第二单片机6在一个正弦周期内对全波电压进行均匀间隔的多次AD采样，并对采样结果进行累加，得到采样电压累加值；同一个正弦周期内对全波电流进行均匀间隔的多次AD采样并平均，得到全波周期平均值采样电流。第二单片机6根据全波周期平均值采样电流查表得到目标电压累加值，把目标累加值与采样电压累加值相减，其结果用来确定PWM调制度。在正弦波的下一周期执行新的调制度，改变脉冲占空比后的PWM信号经IGBT驱动电路C后驱动IGBT逆变桥B，最后经过LC滤波器8得到需要的正弦交流电压输出。第二单片机6还在正弦输出波形零度时检查位于PCB板上的温度检测电路I是否有超温信号，在180度时通过过/欠压检测电路J去检查三相整流电路A的输出直流电压（也是IGBT逆变桥B的输入直流电压）是否超过上限和下限，在任何时候都监视IGBT驱动电路C是否输出过流检测信号H，在有以上超温、过压、欠压、过流异常信号时关闭PWM信号使IGBT逆变桥停止工作。第二单片机6还通过工作指示灯G指示其工作状态。

Claims (1)

1.一种便携式燃油发电机控制方法，其特征在于：包括原动机（1）、永磁发电机（2）、步进电机（3）、第一单片机（5）、第二单片机（6）、PWM逆变模块（7）、LC滤波器（8）；第一单片机（5）内预置有电流~转速对应表，第二单片机（6）内预置有电流~目标电压累加值表；

装置运行过程为：原动机（1）驱动永磁发电机（2）转动，永磁发电机（2）输出的电能经整流后传输到PWM逆变模块（7）进行PWM逆变，然后经LC滤波器（8）还原成正弦交流电压后输出到负载；

由第一单片机（5）完成的操作有：

1）对LC滤波器（8）的输出电流全波整流后进行周期平均值采样，得到采样电流A；

2）将采样电流A与电流~转速对应表进行比对，得到发电机（2）在采样电流A条件下应达到的目标转速；

3）对发电机（2）的当前转速进行采样，得到实际转速；

4）计算目标转速与实际转速的差值，进行PID计算，根据PID计算结果，向步进电机（3）输出控制信号，步进电机（3）根据控制信号调整原动机（1）的化油器开度；在化油器开度作用下，原动机（1）转速发生变化，发电机（2）转速也发生相应的变化；

5）重复步骤1）至5）；

由第二单片机（6）完成的操作有：

a.对LC滤波器（8）的输出电压在一个正弦周期内的全波整流电压进行均匀间隔的多次AD采样，将一个正弦周期内的采样结果进行累加，得到采样电压累加值；对LC滤波器（8）的输出电流全波整流后进行全波周期平均值采样，得到采样电流B；

b.根据采样电流B查电流~目标电压累加值表得出对应的目标电压累加值，计算采样电压累加值与目标电压累加值的差值，根据差值计算下一周期的PWM调制度，得到新的PWM调制度；

c. 在下一正弦周期，根据新的PWM调制度向PWM逆变模块（7）输出PWM控制信号； 

d.在LC滤波器（8）的正弦输出波形为零度时，检查PCB板上检测PCB板温度的IC是否有超温信号输入，在LC滤波器（8）的正弦输出波形为180度时，检查PWM逆变模块（7）的输入直流电压是否过压或欠压，当出现前述的超温、过压或欠压的情况时，关闭PWM逆变模块（7）；

e.重复步骤a至e； 

第一单片机（5）和第二单片机（6）均为8位单片机。

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