基于ＡＴＭＥＧＡ１６垂直軸風力發電機電壓控制系統設計

任　雁　李建朝　楊宗霄

摘要：本文介紹了基于Atmega16的電壓控制系統設計，該控制系統主要用于同軸型直驅式永磁風力發電機的電壓控制，該設計主要分為主電路和控制電路。其中主電路包括：采用二極管和濾波電容組成的整流濾波電路，采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關功率管的穩壓電路，以及蓄電池充電電路。控制電路采用ATMEGA16單片機經過軟件編程生成PWM波，作為IGBT驅動電路的輸入信號，從而對IGBT的導通關斷進行控制，穩定風力發電機的輸出電壓。同時，在PWM脈寬調制的過程中加入軟開關技術，提高了IGBT的頻率，減小了損耗。

關鍵詞：垂直軸風力發電：PWM脈寬調制：IGBT開關功率管；ATMEGA16單片機；軟開關技術

0概述

風能作為一種清潔的可再生能源，是新能源開發中重要的項目。風力發電的基本原理是空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉換成機械能，從而推動葉輪旋轉，通過葉輪旋轉帶動發電機產生電能。垂直軸風力發電機采用葉輪通過轉軸直接連接與發電機轉子的連接方式，不需要迎風調節系統，可以接受360度方位中任何方向來風，主軸永遠向設計方向轉動，提高了風能的利用率，且結構簡單、體積小、成本低、并便于維護。然而風力并不穩定，即單位時間內通過葉輪的風量并不恒定，造成葉輪轉速變化較大，也就無法保證風力發電機的穩定運行，其輸出的電壓、頻率都有較大變化難以使用。為了使風力發電系統輸出的電能能夠應用，需要采用一定的控制系統對風力發電機輸出電壓和頻率進行控制。

本設計是針對同軸型直驅式永磁風力發電機(已獲專利，專利申請號：200810049517)的電壓控制系統。其核心是利用單片機的計算和控制能力對采樣數據進行各種計算，從而排除和減少由于騷擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高了輸出電壓的穩定性，降低了對模擬電路的要求。

1垂直軸風力發電電壓控制系統設計

本系統由主電路和控制電路兩部分組成，其中主電路包括整流濾波電路、穩壓電路、充電電路；控制電路包括Atmega16、檢測保護電路、顯示電路等。如圖1所示：

1.1主電路設計

主電路的輸入端采用二極管搭建的三相橋式不可控整流電路，將發電機輸出24V～100V的不穩定交流電轉化為不穩定的近似直流電，再經電容濾波獲得平滑的直流電；穩壓電路將近似直流電通過閉環控制電路轉化為穩定的直流電壓向蓄電池充電。如圖2所示：

(1)BUCK電路

穩壓電路是采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關功率管的降壓斬波電路，當IGBT接通時，經電容濾波獲得平滑的直流電通過L_L平波和C_S濾波后向蓄電池充電；當IGBT關斷時，L_L通過二極管D7續流，保持充電電流連續。

1.2控制電路設計

垂直軸發電機的電壓穩定控制電路如圖3所示，由單片機Atmega16、驅動電路、顯示屏等組成，完成控制和驅動輸出兩部分。同時在PWM脈寬調制的過程中采用軟開關技術。

(1)Atmega16

Atmega16是ATMEL公司設計研發的高速低功耗8位單片機，其I／O口功能強，具有2路PWM直接輸出，可以驅動開關管，8路10位高速A／D轉換功能，能夠采樣得到蓄電池充電數據進行實時分析，從而精確控制充電電壓，且

使用方便快捷。

在本系統中，Atmega16主要用于產生一定脈寬的PWM波，作為IGBT驅動電路的輸入信號，根據基準電壓與檢測到穩壓電路的輸出反饋電壓的比較，調整脈寬。改變占空比，控制發電機輸出電壓，并對充電電壓進行實時監控；同時，風輪轉速和充電電壓等模擬信號經單片機內部A／D轉換為數字信號，再經單片機處理后由顯示屏以數字方式顯示。

(2)驅動電路

本設計中采用惠普公司的成品驅動模塊HCPL316J來驅動IGBT，可以大大提高設備的可靠性。該芯片為光耦隔離，COMS／TTL電平兼容，過流軟關斷，最大開關速度為500ns，工作電壓15V～30V，欠壓保護，可以驅動150A／1200V的IGBT。

驅動電路如圖4所示，由單片機產生的PWM波信號加在HCPL316J的第1腳，輸入部分需要1個5V電源，RESET腳低電平有效，故障信號輸出由HCPL316J的第6腳送至單片機的PD0口關閉PWM波信號，在發生過流情況時及時關閉PWM輸出。輸出部分采用+15V和-5V雙電源供電，用于產生正負脈沖輸出，HCPL316J的14腳為過流檢測端，通過二極管VD檢測IGBT集電極電壓，在IGBT導通時，如果集電極電壓超過7V，則認為是發生了過流現象，HCPL316J慢速關斷IGBT，同時由第6腳送出過流信號。

(3)軟開關技術

軟開關技術是在脈沖調制電路中，加入L、C諧振電路，使開關器件中的電流或電壓按正弦或準正弦規律變化。當電流過零時，使器件關斷，當電壓過零時，使器件開通，實現開關的近似零損耗。同時，有助于提高頻率，提高開關的容量，減小噪聲。

本設計中增加了帶有輔助開關控制的零電流開關變換，如圖5所示。當S1、S2導通時，在L_R的作用下，S1零電流導通，I_LR=I_0o當S1、S2導通一關斷時，C_R開始產生電壓，D7在零電流下自然關斷；之后，L_R與C_R開始諧振，經過半個諧振周期，I_LR再次諧振到I₀，U_CR上升到最大值，而I_CR為零，S2關斷，U_CR和I_LR將被保持。當S1導通、S2關斷時，U_in正常向負載I₀供電。當S1導通一關斷、S2導通時，在L_R作用下，S2電流為0，諧振再次開始，當1_LR反向諧振到0時，S1完成

關斷。當S1關斷、S2導通時，U_CR在I₀作用下，衰減到0。當S1關斷、S2導通一關斷時，D7自然導通開始續流。由于D7的短路作用，S2可在此后至下一周期到來前完成關斷。S1、S2均由單片機進行控制，其中S1在前四個階段均導通，恢復及續流時關斷，S2的作用主要是隔斷諧振產生保持階段。S1、S2的有效控制產生了PWM的效果，并利用諧振實現了自身的軟開關。

2系統軟件設計

系統軟件的設計是實現垂直軸風力發電電壓控制系統正常運行的主要條件，采用模塊化設計增強了程序的可移植性。整個軟件系統主要分為四大模塊組成：初始化模塊、數據采集與處理模塊、中斷模塊、顯示模塊。

系統的主程序設計主要實現的是各模塊程序的鏈接，如圖6所示。系統上電后，首先進入初始化模塊，對單片機內部的AD、中斷、顯示等各參數進行初始化；接下來進入數據采集與處理模塊，單片機通過傳感器和充電電路的采樣電阻分別循環采樣垂直軸發電機的風輪轉速和充電電壓，然后將采樣值經AD轉化處理后進入顯示模塊，將采樣值顯示在液晶屏上；同時在中斷模塊中，將系統輸出反饋電壓與預先設置的基準電壓按一定比例進行比較，調整脈寬，改變占空比，控制發電機輸出電壓。

系統軟件設計重點是中斷模塊。在程序中將單片機的PD4口設置為輸出PWM波，同時設置基準電壓U₀和輸出的PWM波頻率。單片機將系統輸出反饋電壓U和U₀進行比較；當U與U₀不相等時，程序產生中斷，單片機根據q=U_*q₀／U₀計算出所需要的占空比，從而改變PD4口輸出的高低電平的持續時間，產生PWM驅動信號，控制IGBT的通斷時間，調整充電電壓。

3總結

本設計采用單片機控制，能夠解決風力發電輸出電壓和頻率范圍過大。無法給蓄電池充電的問題，且具有穩壓精度高、安全可靠、結構簡單、成本低廉、高效率、可維護性好且能自動調節等特性，可廣泛應用于垂直軸風力發電系統。