數碼變頻發電機組的分散式單片機測控逆變系統的製作方法

2023-05-03 19:26:01 3

專利名稱：數碼變頻發電機組的分散式單片機測控逆變系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種對數碼變頻發電機組用單片機進行分散式測量、控制與逆變的系統，屬於電力電子技術領域。更具體地說是採用嵌入式單片機，對中頻小型汽油發電機組發動機的節氣門調節、對中頻交流電的可控整流、對整流後直流電的逆變輸出等，分別獨立地進行測量與控制的系統。
背景技術：
普通的小型發電機組無論在滿負載或無負載運行時，所消耗的燃油、排放的廢氣與運行產生的噪聲基本是不變的。顯然，在小負載運行時發電機的效率很低，而無謂的消耗使運行成本增高，同時還造成了能源浪費與環境汙染。對此問題一般的解決方案是使用中頻發電機組產生頻率500Hz以上三相交流電，經整流為直流電後再進行SPWM(正弦波脈衝寬度調製)逆變為50Hz的單相正弦波交流電。在保證輸出電壓與頻率不變的情況下，相對於發電機組不同的負載調整發動機的轉速，從而實現在負載較低時，有較低的燃油消耗、廢氣排放與運行噪聲，亦即通常所說的數碼變頻發電機組。
按上述解決方案則必須同時處理①測量、調節與穩定發動機的轉速；②控制與穩定三相可控整流後的直流電壓值；③產生和調整SPWM信號、驅動逆變功率器件產生50Hz交流電；④實時採集整流後的直流電和逆變後單相交流電的各電氣參數等多個相關聯的複雜任務。通常為完成上述任務，往往採用高檔的16位單片機和某些專用功能晶片構成的控制系統來完成。結果使得整個系統結構複雜，體積龐大，製作成本也十分昂貴，難以用於大批量生產的數碼變頻發電機組。

發明內容
本實用新型的目的在於針對以上任務設計了一種簡單的分散式單片機測量、控制與逆變系統，能夠對數碼變頻發電機組進行實時測量與自動控制。該系統由幾個各自獨立又相互依賴的嵌入式單片機及其外圍電路組成的子系統構建而成。這些子系統分別實現各自的測控功能，並通過I2C總線實現子系統間的數據交換，從而形成一個完整的控制系統。通過該系統對數碼變頻發電機組實施的閉環控制，使發電機組運行於最佳工作狀態之中。
本實用新型所採用的技術方案如下本控制系統由發動機節氣門電子調節子系統(簡稱M1模塊)、中頻三相可控整流調壓子系統(簡稱M2模塊)、SPWM單相逆變子系統(簡稱M3模塊)和電氣參數採集與顯示子系統(簡稱M4模塊)等四個功能子系統組成。
各子系統單獨的中央處理器(CPU)選用Atmel公司生產的單片計算機AT89C2051。系統的所有功能子系統都設計在同一塊印刷電路板上，並封裝在一個散熱良好的金屬屏蔽盒中。它與步進電機一起安裝在發動機—電動機組上。
所述的發動機節氣門電子調節子系統M1由中央處理器CPU1-AT89C2051連接的步進電機驅動電路，驅動金屬屏蔽盒外的步進電機，從而調節發動機節氣門，控制發電機發出的電壓；所述的中頻三相可控整流調壓子系統M2由中央處理器CPU2-AT89C2051連接三相可控驅動電路，驅動三相可控整流器輸出直流電壓；三相交流電壓過零檢測電路接在發電機的三輸出端上，檢測三相交流電壓的過零信號，檢測輸出信號再接入中央處理器CPU2-AT89C2051；所述的SPWM單相逆變子系統M3由中央處理器CPU3-AT89C2051連接逆變模塊驅動電路，向逆變功率模塊PS21865發出頻率固定而脈衝寬度不同的SPWM信號，以控制逆變過程，從而保持輸出單相220V/50Hz交流電的電壓與頻率穩定；所述的電氣參數採集與顯示子系統M4是本控制系統的主控單元，由連接到三相可控整流器輸出端的直流電壓檢測電路採集直流電壓信號，由連接到防浪湧及負載電路的交流電參數檢測電路採集逆變輸出的單相交流電參數信號(電壓、電流、頻率)，上述信號值連接輸入到A/D變換器件中，轉換後的數字量再連接輸入到中央處理器CPU4-AT89C2051；同時中央處理器CPU4-AT89C2051控制連接有LED數碼顯示器，並接有「看門狗」電路；各子系統的中央處理器都通過連接I2C總線與同一數據存儲器AT24C02實現連接，對數據存儲器AT24C02進行讀/寫，完成子系統之間的全部數據交換與共享。
本實用新型優點1、本控制系統將一個複雜的實時多任務系統，分解為由幾個簡單的功能模塊構成的單任務子系統，它們各自獨立工作，共同實現對發電機組的集中控制。
2、本控制系統的各子系統通過I2C總線對同一數據存儲器進行讀/寫，完成數據交換與共享。
3、本控制系統的各子系統採用價格極低的低檔8位單片機，而不使用昂貴的專用晶片，因此製作成本低廉，有利於大量推廣應用。


圖1是本實用新型的電路原理框圖。
圖2是本實用新型發動機節氣門電子調節子系統電原理圖圖3是本實用新型中頻三相可控整流調壓子系統電原理圖圖4是本實用新型SPWM單相逆變子系統電原理圖圖5是本實用新型電氣參數採集與顯示子系統電原理圖附圖1中1.發動機，2.發電機，3.三相可控整流器，4.逆變功率模塊PS21865，5.防浪湧及負載電路，6.交流電氣參數檢測電路，7.直流電壓檢測電路，8.三相交流電過零檢測電路，9.步進電機，10.步進電機驅動電路，11.三相可控驅動電路，12.逆變模塊驅動電路，13.A/D變換器件，14.LED顯示器，15.CPU4-AT89C2051，16.CPU3-AT89C2051，17.CPU2-AT89C2051，18.CPU1-AT89C2051，19.I2C總線，20.可電擦除數據存儲器AT24C02，21.「看門狗」電路。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
參見圖1，本系統由發動機節氣門電子調節子系統M1、中頻三相可控整流調壓子系統M2、SPWM單相逆變子系統M3和電氣參數採集與顯示子系統M4四個功能子系統組成。其中，發動機節氣門電子調節子系統M1由中央處理器CPU1-AT89C2051 18、步進電機驅動電路10組成。
中頻三相可控整流調壓子系統M2由中央處理器CPU2-AT89C2051 17、三相可控驅動電路11、三相可控整流電路3和三相交流電過零檢測電路8組成。
SPWM單相逆變子系統M3由中央處理器CPU3-AT89C2051 16、逆變模塊驅動電路12，逆變功率模塊PS21865 4組成。
電氣參數採集與顯示子系統M4由中央處理器CPU4-AT89C2051 15、防浪湧及負載電路5、直流電壓檢測電路7、交流電氣參數檢測電路6、A/D變換器件13，LED數碼顯示器14、I2C總線19和「看門狗」電路21組成。
各子系統的中央處理器都連接I2C總線19與同一數據存儲器AT24C02 20實現連接，通過對數據存儲器AT24C02進行讀/寫，完成子系統之間的全部數據交換與共享。
各子系統的詳細電路原理如下
圖2所示，M1模塊(發動機節氣門電子調節子系統)中的CPU1經P2(連接I2C總線)從數據存儲器AT24C02中讀入發電機輸出電壓的頻率和逆變後輸出的50Hz交流電的電流值。當負載電流接近滿負荷時，CPU1的P1.4～P1.7通過兩組驅動器件U1、U2的四個OC門75452，根據發電機輸出電壓的頻率，驅動步進電機自動調節發動機的節氣門，使其保持全速運行狀態。當負載電流接近於零或等於零負荷時，則調節節氣門使發動機進入怠速狀態。
圖3所示，為M2模塊(中頻三相可控整流調壓子系統)，由可控矽S1，S2，S3分別構成U，V，W三相可控整流器。以下僅敘述U相的工作過程(V相W相完全相同)。由光電耦合器件U3、施密特觸發器U6A、微分電路C3與R7、二極體D1、施密特觸發器U1A與U1B構成U相過零檢測電路，檢測到交流電的過零信號，經P3.2腳輸入到CPU2中，除用來計算發電機輸出電壓的頻率，並將計算結果寫入AT24C02中供M1模塊使用外；還作為整流可控矽移相控制的起始點，根據CPU2從AT24C02中讀入的直流電壓值，計算出移相角後，三相驅動電路由P1.5輸出控制信號通過同相器U2A、電阻R13，R14、穩壓管Z1和光電耦合器件U7驅動可控整流電路的可控矽S1進行U相半波整流。為保證輸出直流電壓穩定並防止浪湧電流發生，防浪湧電路在開機時由電阻R19向濾波電容C6充電，經延時後P3.1發出信號通過反相器U2D、光電耦合器件U10、電阻R20～R22、穩壓管Z4觸發可控矽S4，使電阻R19短路，既避免浪湧的發生又減少系統發熱。而負載電路則通過電阻R23和電位器W1對整流後的直流電壓採樣，並輸入到模塊M4中的A/D轉換器件U2的CH3腳，經轉換後的數字量輸入到CPU4的P1.7腳。
圖4所示，為M3模塊(SPWM單相逆變子系統)，主要由單片機CPU3和將功率電路和觸發保護電路集成於一體的三相小型智能功率模塊U1(PS21865)構成。CPU3根據P1(連接I2C總線)從AT24C02中讀入逆變後交流電的電壓值，計算後產生頻率固定而脈衝寬度不同的SPWM信號，通過CPU3的P1.5～P1.7四個管腳輪流輸出，經施密特觸發器U2A～U2D觸發連接成H型的功率器件U1，從而逆變輸出電壓、頻率穩定的單相220V/50Hz交流電。
圖5所示，為M4模塊(電氣參數採集與顯示子系統)是本實用新型的主控單元，逆變輸出的單相交流電壓經變壓器T1、整流二極體V2、電阻R13、電位器W1與電容C8組成電壓測量電路採集後，輸入到串行A/D轉換器件U2的CH0腳，轉換後的數字量輸入到單片機CPU4的P1.7腳；由微型電流互感器IN、整流二極體V1、電容C6和C7、五個電阻R7～R12、運算放大器U6A和電位器W2組成的電流測量電路，採樣負載電流信號，經放大後送入到串行A/D轉換器U2的CH1腳，轉換後的數字量同樣輸入到CPU4的P1.7腳，由於電壓與電流是分時測量所以不會相互幹擾；頻率測量電路是由變壓器T1、光電耦合器U5、電阻R5、R6和微分電路R4、C5組成。它採集到一系列周期等於逆變輸出的單相交流電周期的脈衝，傳向CPU4的P3.4腳，CPU4利用片上的定時器，測量出兩脈衝的間隔時間，即可計算出輸出的單相交流電的頻率。CPU4周期性地將所獲得的直流電壓、以及逆變後的交流電壓、電流和頻率等數值全部通過I2C總線SDA與SCL寫入數據存儲器U4(AT24C02)中，供其他模塊讀取使用，另外還通過串行口RXD與TXD將其發送到顯示器LED中，實時地顯示發電機組的工作狀態。「看門狗」電路(Watchdog)由U1(IMP813)、電阻R3、跳線開關JP1構成，CPU4由P3.2周期性地向U1的WI腳提供維持脈衝，當系統程序因某些幹擾而發生紊亂，則失去維持脈衝的U1通過RST向系統的各子系統的CPU發出復位脈衝，使整個測控系統重新進入正常運行。
權利要求1.數碼變頻發電機組的分散式單片機測控逆變系統，其特徵在於以四個89C2051單片計算機作為中央處理器，配合相應的外圍電路分別組成發動機節氣門電子調節子系統M1、中頻三相可控整流調壓子系統M2、SPWM單相逆變子系統M3和電氣參數採集與顯示子系統M4等四個功能子系統，以這四個各自獨立又相互依賴的子系統構建成完整的測控系統，對數碼變頻發電機組實施閉環控制；所述的發動機節氣門電子調節子系統M1由中央處理器CPU1-AT89C2051(18)連接步進電機驅動電路(10)，驅動步進電機(9)，調節發動機(1)的節氣門，帶動發電機(2)發出中頻三相交流電；所述的中頻三相可控整流調壓子系統M2由中央處理器CPU2-AT89C2051(17)連接三相可控驅動電路(11)，驅動三相可控整流器(3)輸出直流電壓；三相交流電壓過零檢測電路(8)接在發電機的三輸出端上，檢測三相交流電壓的過零信號，檢測輸出信號再接入中央處理器CPU2-AT89C2051；所述的SPWM單相逆變子系統M3由中央處理器CPU3-AT89C2051(16)連接逆變模塊驅動電路(12)，向逆變功率模塊PS21865(4)發出頻率固定而脈衝寬度不同的SPWM信號，以控制逆變過程，從而保持輸出單相220V/50Hz交流電的電壓與頻率穩定；所述的電氣參數採集與顯示子系統M4是本控制系統的主控單元，由連接到三相可控整流器(3)輸出端的直流電壓檢測電路(7)採集直流電壓信號，由連接到防浪湧及負載電路(5)的交流電參數檢測電路(6)採集逆變輸出的單相交流電參數信號，上述信號值連接輸入到A/D變換器件(13)中，轉換後的數字量再連接輸入到中央處理器CPU4-AT89C2051(15)中；同時該中央處理器控制連接有LED數碼顯示器(14)，並接有「看門狗」電路(21)；各子系統的中央處理器都通過連接I2C總線(19)與同一數據存儲器AT24C02(20)實現連接，對數據存儲器AT24C02進行讀/寫，完成子系統之間的全部數據交換與共享。
專利摘要本實用新型涉及一種數碼變頻發電機組的分散式單片機測控逆變系統，屬於電力電子技術領域。本系統由發動機節氣門電子調節子系統(M1模塊)、中頻三相可控整流調壓子系統(M2模塊)、SPWM單相逆變子系統(M3模塊)和電氣參數採集與顯示子系統(M4模塊)等四個功能子系統組成，各子系統單獨的中央處理器(CPU)選用Atmel公司生產的單片計算機AT89C2051，各子系統的中央處理器都通過連接I
文檔編號H02M3/28GK2812400SQ20052000968
公開日2006年8月30日 申請日期2005年7月27日 優先權日2005年7月27日
發明者李世澤, 王達 申請人:李世澤, 王達