CN2812400Y - 数码变频发电机组的分散式单片机测控逆变系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种数码变频发电机组的分散式单片机测控逆变系统，属于电力电子技术领域。本系统由发动机节气门电子调节子系统(M1模块)、中频三相可控整流调压子系统(M2模块)、SPWM单相逆变子系统(M3模块)和电气参数采集与显示子系统(M4模块)等四个功能子系统组成，各子系统单独的中央处理器(CPU)选用Atmel公司生产的单片计算机AT89C2051，各子系统的中央处理器都通过连接I2C总线与同一数据存储器AT24C02实现连接，对数据存储器AT24C02进行读/写，完成子系统之间的全部数据交换与共享。本系统的优点是将一个复杂的实时多任务系统，分解为由几个简单的功能模块构成的单任务子系统，它们各自独立工作，共同实现对发电机组的集中控制，控制简单，而且采用价格极低的低档8位单片机，成本低廉，有利于大量推广应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种对数码变频发电机组用单片机进行分散式测量、控制与逆变的系统，属于电力电子技术领域。更具体地说是采用嵌入式单片机，对中频小型汽油发电机组发动机的节气门调节、对中频交流电的可控整流、对整流后直流电的逆变输出等，分别独立地进行测量与控制的系统。
背景技术
普通的小型发电机组无论在满负载或无负载运行时，所消耗的燃油、排放的废气与运行产生的噪声基本是不变的。显然，在小负载运行时发电机的效率很低，而无谓的消耗使运行成本增高，同时还造成了能源浪费与环境污染。对此问题一般的解决方案是：使用中频发电机组产生频率500Hz以上三相交流电，经整流为直流电后再进行SPWM(正弦波脉冲宽度调制)逆变为50Hz的单相正弦波交流电。在保证输出电压与频率不变的情况下，相对于发电机组不同的负载调整发动机的转速，从而实现在负载较低时，有较低的燃油消耗、废气排放与运行噪声，亦即通常所说的数码变频发电机组。
按上述解决方案则必须同时处理：①测量、调节与稳定发动机的转速；②控制与稳定三相可控整流后的直流电压值；③产生和调整SPWM信号、驱动逆变功率器件产生50Hz交流电；④实时采集整流后的直流电和逆变后单相交流电的各电气参数等多个相关联的复杂任务。通常为完成上述任务，往往采用高档的16位单片机和某些专用功能芯片构成的控制系统来完成。结果使得整个系统结构复杂，体积庞大，制作成本也十分昂贵，难以用于大批量生产的数码变频发电机组。
发明内容
本实用新型的目的在于针对以上任务设计了一种简单的分散式单片机测量、控制与逆变系统，能够对数码变频发电机组进行实时测量与自动控制。该系统由几个各自独立又相互依赖的嵌入式单片机及其外围电路组成的子系统构建而成。这些子系统分别实现各自的测控功能，并通过I2C总线实现子系统间的数据交换，从而形成一个完整的控制系统。通过该系统对数码变频发电机组实施的闭环控制，使发电机组运行于最佳工作状态之中。
本实用新型所采用的技术方案如下：
本控制系统由发动机节气门电子调节子系统(简称M1模块)、中频三相可控整流调压子系统(简称M2模块)、SPWM单相逆变子系统(简称M3模块)和电气参数采集与显示子系统(简称M4模块)等四个功能子系统组成。
各子系统单独的中央处理器(CPU)选用Atmel公司生产的单片计算机AT89C2051。系统的所有功能子系统都设计在同一块印刷电路板上，并封装在一个散热良好的金属屏蔽盒中。它与步进电机一起安装在发动机—电动机组上。
所述的发动机节气门电子调节子系统M1由中央处理器CPU1-AT89C2051连接的步进电机驱动电路，驱动金属屏蔽盒外的步进电机，从而调节发动机节气门，控制发电机发出的电压；
所述的中频三相可控整流调压子系统M2由中央处理器CPU2-AT89C2051连接三相可控驱动电路，驱动三相可控整流器输出直流电压；三相交流电压过零检测电路接在发电机的三输出端上，检测三相交流电压的过零信号，检测输出信号再接入中央处理器CPU2-AT89C2051；
所述的SPWM单相逆变子系统M3由中央处理器CPU3-AT89C2051连接逆变模块驱动电路，向逆变功率模块PS21865发出频率固定而脉冲宽度不同的SPWM信号，以控制逆变过程，从而保持输出单相220V/50Hz交流电的电压与频率稳定；
所述的电气参数采集与显示子系统M4是本控制系统的主控单元，由连接到三相可控整流器输出端的直流电压检测电路采集直流电压信号，由连接到防浪涌及负载电路的交流电参数检测电路采集逆变输出的单相交流电参数信号(电压、电流、频率)，上述信号值连接输入到A/D变换器件中，转换后的数字量再连接输入到中央处理器CPU4-AT89C2051；同时中央处理器CPU4-AT89C2051控制连接有LED数码显示器，并接有“看门狗”电路；
各子系统的中央处理器都通过连接I2C总线与同一数据存储器AT24C02实现连接，对数据存储器AT24C02进行读/写，完成子系统之间的全部数据交换与共享。
本实用新型优点：
1、本控制系统将一个复杂的实时多任务系统，分解为由几个简单的功能模块构成的单任务子系统，它们各自独立工作，共同实现对发电机组的集中控制。
2、本控制系统的各子系统通过I2C总线对同一数据存储器进行读/写，完成数据交换与共享。
3、本控制系统的各子系统采用价格极低的低档8位单片机，而不使用昂贵的专用芯片，因此制作成本低廉，有利于大量推广应用。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理框图。
图2是本实用新型发动机节气门电子调节子系统电原理图
图3是本实用新型中频三相可控整流调压子系统电原理图
图4是本实用新型SPWM单相逆变子系统电原理图
图5是本实用新型电气参数采集与显示子系统电原理图
附图1中：
1.发动机，2.发电机，3.三相可控整流器，4.逆变功率模块PS21865，5.防浪涌及负载电路，6.交流电气参数检测电路，7.直流电压检测电路，8.三相交流电过零检测电路，9.步进电机，10.步进电机驱动电路，11.三相可控驱动电路，12.逆变模块驱动电路，13.A/D变换器件，14.LED显示器，15.CPU4-AT89C2051，16.CPU3-AT89C2051，17.CPU2-AT89C2051，18.CPU1-AT89C2051，19.I2C总线，20.可电擦除数据存储器AT24C02，21.“看门狗”电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
参见图1，本系统由发动机节气门电子调节子系统M1、中频三相可控整流调压子系统M2、SPWM单相逆变子系统M3和电气参数采集与显示子系统M4四个功能子系统组成。其中，
发动机节气门电子调节子系统M1由中央处理器CPU1-AT89C2051 18、步进电机驱动电路10组成。
中频三相可控整流调压子系统M2由中央处理器CPU2-AT89C2051 17、三相可控驱动电路11、三相可控整流电路3和三相交流电过零检测电路8组成。
SPWM单相逆变子系统M3由中央处理器CPU3-AT89C2051 16、逆变模块驱动电路12，逆变功率模块PS21865 4组成。
电气参数采集与显示子系统M4由中央处理器CPU4-AT89C2051 15、防浪涌及负载电路5、直流电压检测电路7、交流电气参数检测电路6、A/D变换器件13，LED数码显示器14、I2C总线19和“看门狗”电路21组成。
各子系统的中央处理器都连接I2C总线19与同一数据存储器AT24C02 20实现连接，通过对数据存储器AT24C02进行读/写，完成子系统之间的全部数据交换与共享。
各子系统的详细电路原理如下：
图2所示，M1模块(发动机节气门电子调节子系统)中的CPU1经P2(连接I2C总线)从数据存储器AT24C02中读入发电机输出电压的频率和逆变后输出的50Hz交流电的电流值。当负载电流接近满负荷时，CPU1的P1.4～P1.7通过两组驱动器件U1、U2的四个OC门75452，根据发电机输出电压的频率，驱动步进电机自动调节发动机的节气门，使其保持全速运行状态。当负载电流接近于零或等于零负荷时，则调节节气门使发动机进入怠速状态。
图3所示，为M2模块(中频三相可控整流调压子系统)，由可控硅S1，S2，S3分别构成U，V，W三相可控整流器。以下仅叙述U相的工作过程(V相W相完全相同)。由光电耦合器件U3、施密特触发器U6A、微分电路C3与R7、二极管D1、施密特触发器U1A与U1B构成U相过零检测电路，检测到交流电的过零信号，经P3.2脚输入到CPU2中，除用来计算发电机输出电压的频率，并将计算结果写入AT24C02中供M1模块使用外；还作为整流可控硅移相控制的起始点，根据CPU2从AT24C02中读入的直流电压值，计算出移相角后，三相驱动电路由P1.5输出控制信号通过同相器U2A、电阻R13，R14、稳压管Z1和光电耦合器件U7驱动可控整流电路的可控硅S1进行U相半波整流。为保证输出直流电压稳定并防止浪涌电流发生，防浪涌电路在开机时由电阻R19向滤波电容C6充电，经延时后P3.1发出信号通过反相器U2D、光电耦合器件U10、电阻R20～R22、稳压管Z4触发可控硅S4，使电阻R19短路，既避免浪涌的发生又减少系统发热。而负载电路则通过电阻R23和电位器W1对整流后的直流电压采样，并输入到模块M4中的A/D转换器件U2的CH3脚，经转换后的数字量输入到CPU4的P1.7脚。
图4所示，为M3模块(SPWM单相逆变子系统)，主要由单片机CPU3和将功率电路和触发保护电路集成于一体的三相小型智能功率模块U1(PS21865)构成。CPU3根据P1(连接I2C总线)从AT24C02中读入逆变后交流电的电压值，计算后产生频率固定而脉冲宽度不同的SPWM信号，通过CPU3的P1.5～P1.7四个管脚轮流输出，经施密特触发器U2A～U2D触发连接成H型的功率器件U1，从而逆变输出电压、频率稳定的单相220V/50Hz交流电。
图5所示，为M4模块(电气参数采集与显示子系统)是本实用新型的主控单元，逆变输出的单相交流电压经变压器T1、整流二极管V2、电阻R13、电位器W1与电容C8组成电压测量电路采集后，输入到串行A/D转换器件U2的CH0脚，转换后的数字量输入到单片机CPU4的P1.7脚；由微型电流互感器IN、整流二极管V1、电容C6和C7、五个电阻R7～R12、运算放大器U6A和电位器W2组成的电流测量电路，采样负载电流信号，经放大后送入到串行A/D转换器U2的CH1脚，转换后的数字量同样输入到CPU4的P1.7脚，由于电压与电流是分时测量所以不会相互干扰；频率测量电路是由变压器T1、光电耦合器U5、电阻R5、R6和微分电路R4、C5组成。它采集到一系列周期等于逆变输出的单相交流电周期的脉冲，传向CPU4的P3.4脚，CPU4利用片上的定时器，测量出两脉冲的间隔时间，即可计算出输出的单相交流电的频率。CPU4周期性地将所获得的直流电压、以及逆变后的交流电压、电流和频率等数值全部通过I2C总线SDA与SCL写入数据存储器U4(AT24C02)中，供其他模块读取使用，另外还通过串行口RXD与TXD将其发送到显示器LED中，实时地显示发电机组的工作状态。“看门狗”电路(Watchdog)由U1(IMP813)、电阻R3、跳线开关JP1构成，CPU4由P3.2周期性地向U1的WI脚提供维持脉冲，当系统程序因某些干扰而发生紊乱，则失去维持脉冲的U1通过RST向系统的各子系统的CPU发出复位脉冲，使整个测控系统重新进入正常运行。
Claims (1)
1、数码变频发电机组的分散式单片机测控逆变系统，其特征在于：以四个89C2051单片计算机作为中央处理器，配合相应的外围电路分别组成发动机节气门电子调节子系统M1、中频三相可控整流调压子系统M2、SPWM单相逆变子系统M3和电气参数采集与显示子系统M4等四个功能子系统，以这四个各自独立又相互依赖的子系统构建成完整的测控系统，对数码变频发电机组实施闭环控制；
所述的发动机节气门电子调节子系统M1由中央处理器CPU1-AT89C2051(18)连接步进电机驱动电路(10)，驱动步进电机(9)，调节发动机(1)的节气门，带动发电机(2)发出中频三相交流电；
所述的中频三相可控整流调压子系统M2由中央处理器CPU2-AT89C2051(17)连接三相可控驱动电路(11)，驱动三相可控整流器(3)输出直流电压；三相交流电压过零检测电路(8)接在发电机的三输出端上，检测三相交流电压的过零信号，检测输出信号再接入中央处理器CPU2-AT89C2051；
所述的SPWM单相逆变子系统M3由中央处理器CPU3-AT89C2051(16)连接逆变模块驱动电路(12)，向逆变功率模块PS21865(4)发出频率固定而脉冲宽度不同的SPWM信号，以控制逆变过程，从而保持输出单相220V/50Hz交流电的电压与频率稳定；
所述的电气参数采集与显示子系统M4是本控制系统的主控单元，由连接到三相可控整流器(3)输出端的直流电压检测电路(7)采集直流电压信号，由连接到防浪涌及负载电路(5)的交流电参数检测电路(6)采集逆变输出的单相交流电参数信号，上述信号值连接输入到A/D变换器件(13)中，转换后的数字量再连接输入到中央处理器CPU4-AT89C2051(15)中；同时该中央处理器控制连接有LED数码显示器(14)，并接有“看门狗”电路(21)；
各子系统的中央处理器都通过连接I2C总线(19)与同一数据存储器AT24C02(20)实现连接，对数据存储器AT24C02进行读/写，完成子系统之间的全部数据交换与共享。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |