中頻汽油發(fā)電機(jī)作為一項(xiàng)重要的電能源，在需要備用電源和流動(dòng)性作業(yè)的場(chǎng)合具有重要作用。由于汽油發(fā)電機(jī)輸出的是頻率和電壓都與市電不同的三相交流電，電壓和頻率的值比較高，不符合大多數(shù)用電設(shè)備的使用要求，而且輸出電壓隨負(fù)載的變化波動(dòng)較大，因此需配備自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）使輸出電壓和頻率在負(fù)載變化時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。主要原因是汽油發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際運(yùn)行中較難得到，傳統(tǒng)的基于線性系統(tǒng)的控制方法容易導(dǎo)致不良的動(dòng)態(tài)過程或系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　本設(shè)計(jì)采用非線性方法來解決這一問題，將模糊控制應(yīng)用到控制系統(tǒng)中去。汽油發(fā)電機(jī)的油門采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)分為節(jié)油模式和滿載模式，在負(fù)載頻繁變動(dòng)的場(chǎng)合采用滿載模式，其他場(chǎng)合采用節(jié)油模式，根據(jù)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)油門，整個(gè)系統(tǒng)通過硬件和軟件上的靈活設(shè)計(jì)保證其在節(jié)油降耗的基礎(chǔ)上具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能。

　　基本工作原理

　　汽油發(fā)電機(jī)常被作為移動(dòng)式的獨(dú)立電源來使用，主要由汽油機(jī)、同步交流發(fā)電機(jī)和控制器組成。設(shè)計(jì)中所用汽油機(jī)發(fā)出的三相交流電頻率為350～640Hz，電壓為300～550V，通過三相整流橋變成直流高電壓，然后經(jīng)過降壓環(huán)節(jié)（降壓變換器）降至350V左右，通過逆變環(huán)節(jié)和LC濾波器變換成220V/50Hz的交流電供負(fù)載使用。為了降低主電路的開關(guān)損耗，逆變器采用單極倍頻電壓型SPWM軟開關(guān)DC/AC變換電路。

　　控制電路以單片機(jī)為中心，為使輸出電壓在負(fù)載變化時(shí)能夠穩(wěn)定，首先在降壓環(huán)節(jié)中引入了傳統(tǒng)的PID控制算法，將降壓環(huán)節(jié)輸出電壓穩(wěn)定在350V，以使逆變器輸出穩(wěn)定的220V/50Hz的交流電。當(dāng)降壓環(huán)節(jié)不能使輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，則根據(jù)反饋電壓與給定電壓的偏差及偏差的變化率作為模糊控制器的輸入量進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到合適的油門開度，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定和良好的動(dòng)態(tài)性能。

　　控制系統(tǒng)的組成

　　控制系統(tǒng)是指由控制主體、控制客體和控制媒體組成的具有自身目標(biāo)和功能的管理系統(tǒng)。

　　控制系統(tǒng)意味著通過它可以按照所希望的方式保持和改變機(jī)器、機(jī)構(gòu)或其他設(shè)備內(nèi)任何感興趣或可變化的量。控制系統(tǒng)同時(shí)是為了使被控制對(duì)象達(dá)到預(yù)定的理想狀態(tài)而實(shí)施的。控制系統(tǒng)使被控制對(duì)象趨于某種需要的穩(wěn)定狀態(tài)。

　　例如，假設(shè)有一個(gè)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，汽車的速度是其加速器位置的函數(shù)。通過控制加速器踏板的壓力可以保持所希望的速度（或可以達(dá)到所希望的速度變化）。這個(gè)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（加速器、汽化器和發(fā)動(dòng)機(jī)車輛）便組成一個(gè)控制系統(tǒng)。

　　控制器方案主要包括硬件和軟件兩部分。硬件設(shè)計(jì)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、油門控制電路、逆變橋?qū)Ｓ肧PWM控制器、SG3525脈寬調(diào)制電路、電壓電流檢測(cè)電路等組成。設(shè)計(jì)選用既有隔離功能又具備驅(qū)動(dòng)能力的TLP250作為驅(qū)動(dòng)模塊；逆變橋控制器采用PIC16F873進(jìn)行開發(fā)，直接利用單片機(jī)自身提供的PWM輸出接口輸出兩路SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖；反饋信號(hào)的采樣檢測(cè)選用單片機(jī)內(nèi)部分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換；整個(gè)硬件設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔，可靠性較高。

　　系統(tǒng)的軟件部分主要包括油門模糊控制程序，逆變控制器SPWM脈沖輸出程序，主控芯片在過壓過流情況下的中斷保護(hù)程序以及與逆變控制器的通訊程序。其中，發(fā)電機(jī)油門的模糊控制程序是整個(gè)系統(tǒng)的難點(diǎn)和，如果控制量計(jì)算不合適非但不能達(dá)到節(jié)能降耗的目的，還將造成系統(tǒng)的振蕩和輸出電壓不穩(wěn)定。由于逆變電路需要幾路相互獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，為了使電路簡(jiǎn)潔，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了有多路副邊輸出的反激式開關(guān)電源給控制系統(tǒng)供電。整個(gè)設(shè)計(jì)的原理框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)主電路和控制電路框圖

　　控制系統(tǒng)工作原理

　　檢測(cè)輸出量（被控制量）的實(shí)際值；

　　將輸出量的實(shí)際值與給定值（輸入量）進(jìn)行比較得出偏差；

　　用偏差值產(chǎn)生控制調(diào)節(jié)作用去消除偏差，使得輸出量維持期望的輸出。

　　驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　主電路和控制電路之間，用來對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大的中間電路（即放大控制電路的信號(hào)使其能夠驅(qū)動(dòng)功率晶體管），稱為驅(qū)動(dòng)電路。

　　控制系統(tǒng)中降壓環(huán)節(jié)和逆變器開關(guān)器件選用IGBT，根據(jù)IGBT的開關(guān)特性和對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求，用TLP250設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。PWM3為單片機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，VCC為輔助電源的18V電平，G3和E3為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，G3接IGBT的門極，E3接IGBT的源極。開通狀態(tài)下的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為13V，關(guān)斷狀態(tài)下的柵極驅(qū)動(dòng)電壓為－5V（穩(wěn)壓管反向偏置）。而當(dāng)輸出出現(xiàn)過電壓時(shí)，電路將封閉TLP250的工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的保護(hù)。

　　圖2  IGBT驅(qū)動(dòng)電路

　　一個(gè)保護(hù)電路可以是多級(jí)的，一個(gè)保護(hù)器可以由火花間隙，壓敏電阻和半導(dǎo)體組成。在級(jí)與級(jí)之間有時(shí)需用退耦元件以達(dá)到能量匹配。很多電子設(shè)備都有個(gè)額定電流，不允許超過額定電流，不然會(huì)燒壞設(shè)備。所以有些設(shè)備就做了電流保護(hù)模塊。當(dāng)電流超過設(shè)定電流時(shí)候，設(shè)備自動(dòng)斷電，以保護(hù)設(shè)備。如主板usb一般有usb過流保護(hù)，保護(hù)主板不被燒壞。

　　為了使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障下能夠安全可靠的工作，必須設(shè)計(jì)保護(hù)電路，比如防浪涌的軟啟動(dòng)，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路等保護(hù)電路。本保護(hù)電路主要是完成系統(tǒng)的過流保護(hù)功能，它利用霍爾傳感器檢測(cè)電壓電流信號(hào)，通過由LM324設(shè)計(jì)的滯回電壓比較器封鎖輸出脈沖。

　　圖3 過流保護(hù)電路

　　模糊控制器的設(shè)計(jì)

　　模糊控制的基本原理就是將控制器的輸入量經(jīng)過模糊化處理，按照一定的模糊語言規(guī)則進(jìn)行推理，將推理得出的結(jié)果進(jìn)行解模糊得到控制變量的輸出值。如圖4所示。

　　圖4 模糊原理控制框圖

　　模糊控制器的設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)模糊控制算法的軟件設(shè)計(jì)，主要包括以下幾個(gè)方面：確定模糊控制器的輸入和輸出變量，選擇輸入和輸出變量的論域；變量的語言描述和賦值表的建立；設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則；確立模糊化和解模糊化方法，生成控制表。

　　1 控制器的輸入和輸出變量

　　從理論上講，模糊控制系統(tǒng)所選用的模糊控制器維數(shù)越高，系統(tǒng)的控制也就越高。根據(jù)本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)采用二維模糊控制器，為了易于測(cè)量和控制，控制器的輸入變量直接選用降壓環(huán)節(jié)輸出電壓的偏差E和偏差的變化率EC，控制器的輸出變量為汽油機(jī)的油門開度即步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)步數(shù)。

　　電壓偏差E，偏差的變化率EC和輸出控制量Y所對(duì)應(yīng)的語言變量模糊子集為{正大（PB），正中（PM），正?。≒S），零（0），負(fù)?。∟S），負(fù)中（NM），負(fù)大（NB）},所對(duì)應(yīng)的離散模糊論域?yàn)閧6，5，4，3，2，1，0，-1，-2，-3，-4，-5，-6}，用αe和αC表示誤差和誤差變化的量化因子，用αu表示控制量的比例因子，則  αe=n1/|emax|=6/60=0.1，αC＝n2/|eCmax|=6/6=1,αu=|umax|=32/6=5.33。

　　輸入輸出的隸屬度函數(shù)通常有三角型、梯型和高斯型等幾種形式。其中，高斯型隸屬度函數(shù)是描述模糊子集比較合理的形式，但它的計(jì)算比較復(fù)雜，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)困難。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，本方案采用三角形隸屬度函數(shù)，它的形狀僅與直線斜率有關(guān)，適合于在線調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)。輸入變量和輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線分別如圖5和圖6所示。

圖5 E和EC的隸屬度函數(shù)曲線

　　圖6 Y的隸屬度函數(shù)曲線

　　由于當(dāng)輸出電壓誤差較小時(shí)，僅靠降壓環(huán)節(jié)的脈寬調(diào)整就能使電壓穩(wěn)定，所以在偏差較小時(shí)隸屬度函數(shù)的形狀要緩一些。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線是建立語言變量賦值表的依據(jù)，對(duì)于三角形的隸屬度函數(shù)，賦值表中的隸屬度可按以下公式計(jì)算：

　?。?）

　　其中，a表示三角形左端對(duì)應(yīng)的X軸的值，b為三角形頂端對(duì)應(yīng)的X軸的值，c為三角形右端對(duì)應(yīng)的X軸的值。表1為輸出變量Y的語言變量賦值表，偏差和偏差變化率的語言變量賦值表格式和計(jì)算方法與此類似。

　　2 模糊控制規(guī)則的建立

　　利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的與否是影響控制優(yōu)劣的主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過于復(fù)雜或難以描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題。

　　本設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則主要就是根據(jù)降壓環(huán)節(jié)輸出電壓偏差和偏差的變化率確定汽油機(jī)油門開度的變化，原則就是當(dāng)偏差較大時(shí)選擇控制量以盡快消除誤差，當(dāng)偏差較小時(shí)，選擇控制量防止超調(diào)，以系統(tǒng)穩(wěn)定性為主，選用if E and EC then Y 的形式，可建立如下的控制規(guī)則表。

　　在建立模糊控制規(guī)則之后，我們可以計(jì)算每條規(guī)則的模糊關(guān)系Ri，這些模糊關(guān)系之間具有或的關(guān)系，因此描述整個(gè)控制系統(tǒng)總的模糊關(guān)系為R=R1∨R2∨R3……Rn。

　　3 模糊控制查詢表的生成

　　有了描述整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)則的總模糊關(guān)系R后，接下來便是基于推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理，根據(jù)輸出電壓偏差和偏差變化率的賦值表求取控制量輸出。由于模糊推理的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，它反映的控制量輸出語言變量屬于其論域中各元素隸屬度大小的一種組合，要想獲得的輸出量必須進(jìn)行解模糊化處理即輸出信息的模糊判決，方法通常包括隸屬度法、中位數(shù)法、加權(quán)平均法等，本設(shè)計(jì)采用加權(quán)平均法，其算法公式為：

　　（2）

　　其中，xi為離散論域中的元素，u（xi）為每個(gè)論域元素上的隸屬度。計(jì)算所得的控制量再乘以比例因子，就得到實(shí)際的控制量。為了減小計(jì)算量，不必每次輸出都進(jìn)行模糊推理和模糊判決，我們可采用建立模糊查詢表的辦法，按照先前的步驟對(duì)E和EC離散論域中的元素分別進(jìn)行模糊化，然后通過模糊推理和模糊判決得到對(duì)應(yīng)的屬于控制量離散論域的控制量Y，將所得結(jié)果制成模糊控制表，本系統(tǒng)模糊控制表如表3所示。

　　將模糊控制查詢表保存到PIC16F877中，在實(shí)時(shí)控制中，計(jì)算機(jī)根據(jù)采樣的量求得偏差和偏差的變化率，并對(duì)其量化得到元素EK和ECK，查表得到Y(jié)K。由此可見，利用此模糊控制查詢表，省去了大量模糊推理和模糊判決的時(shí)間，效率得到很大提高。

圖7 滿載時(shí)降壓環(huán)節(jié)輸出電壓波形

　　圖8 滿載時(shí)逆變器輸出電壓波形

　　逆變電源的特性測(cè)試

　　利用晶閘管電路把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過程，定義為逆變。例如：應(yīng)用晶閘管的電力機(jī)車，當(dāng)下坡時(shí)使直流電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)制動(dòng)運(yùn)行，機(jī)車的位能轉(zhuǎn)變成電能，反送到交流電網(wǎng)中去。又如運(yùn)轉(zhuǎn)著的直流電動(dòng)機(jī)，要使它迅速制動(dòng)，也可讓電動(dòng)機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，把電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到電網(wǎng)中去。

　　把直流電逆變成交流電的電路稱為逆變電路。在特定場(chǎng)合下，同一套晶閘管變流電路既可作整流，又能作逆變。

　　變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí)，如果把變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)去，叫有源逆變。如果變流器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載，則叫無源逆變。交流變頻調(diào)速就是利用這一原理工作的。有源逆變除用于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)外，還用于交流饒線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速和高壓直流輸電等方面。

　　在實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)中，需要根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求對(duì)模糊控制器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的改進(jìn)，比如模糊控制規(guī)則的簡(jiǎn)單調(diào)整，比例因子和量化因子的改變等。另外根據(jù)模糊控制不能消除靜態(tài)誤差的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)在降壓環(huán)節(jié)加入了PID控制算法，逆變橋控制器采用固定的調(diào)制比形式，只要使降壓環(huán)節(jié)的輸出電壓穩(wěn)定，則負(fù)載兩端就能輸出穩(wěn)定的220V/50HZ的正弦波。

　　采用以上方案設(shè)計(jì)了一臺(tái)2kW的樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。圖7和圖8為逆變電源帶2kW阻性負(fù)載時(shí)，降壓環(huán)節(jié)和逆變器輸出的電壓波形。實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)通過選用高性能的PIC單片機(jī)和在控制中加入模糊控制算法，避免了建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓調(diào)節(jié)速度快，波動(dòng)小的要求。整個(gè)方案外圍電路簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)可靠性高，是一款高性能的獨(dú)立式逆變電源。