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摘要：本文介绍了基于Atmega16的电压控制系统设计，该控制系统主要用于同轴型直驱式永磁风力发电机的电压控制，该设计主要分为主电路和控制电路。其中主电路包括：采用二极管和滤波电容组成的整流滤波电路，采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关功率管的稳压电路，以及蓄电池充电电路。控制电路采用ATMEGA16单片机经过软件编程生成PWM波，作为IGBT驱动电路的输入信号，从而对IGBT的导通关断进行控制，稳定风力发电机的输出电压。同时，在PWM脉宽调制的过程中加入软开关技术，提高了IGBT的频率，减小了损耗。
关键词：垂直轴风力发电：PWM脉宽调制：IGBT开关功率管；ATMEGA16单片机；软开关技术
0 概述
风能作为一种清洁的可再生能源，是新能源开发中重要的项目。风力发电的基本原理是空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转，通过叶轮旋转带动发电机产生电能。垂直轴风力发电机采用叶轮通过转轴直接连接与发电机转子的连接方式，不需要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动，提高了风能的利用率，且结构简单、体积小、成本低、并便于维护。然而风力并不稳定，即单位时间内通过叶轮的风量并不恒定，造成叶轮转速变化较大，也就无法保证风力发电机的稳定运行，其输出的电压、频率都有较大变化难以使用。为了使风力发电系统输出的电能能够应用，需要采用一定的控制系统对风力发电机输出电压和频率进行控制。
本设计是针对同轴型直驱式永磁风力发电机(已获专利，专利申请号：200810049517)的电压控制系统。其核心是利用单片机的计算和控制能力对采样数据进行各种计算，从而排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高了输出电压的稳定性，降低了对模拟电路的要求。
1 垂直轴风力发电电压控制系统设计
本系统由主电路和控制电路两部分组成，其中主电路包括整流滤波电路、稳压电路、充电电路；控制电路包括Atmega16、检测保护电路、显示电路等。如图1所示：
1.1 主电路设计
主电路的输入端采用二极管搭建的三相桥式不可控整流电路，将发电机输出24V～100V的不稳定交流电转化为不稳定的近似直流电，再经电容滤波获得平滑的直流电；稳压电路将近似直流电通过闭环控制电路转化为稳定的直流电压向蓄电池充电。如图2所示：
(1)BUCK电路
稳压电路是采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关功率管的降压斩波电路，当IGBT接通时，经电容滤波获得平滑的直流电通过LL平波和CS滤波后向蓄电池充电；当IGBT关断时，LL通过二极管D7续流，保持充电电流连续。
1.2 控制电路设计
垂直轴发电机的电压稳定控制电路如图3所示，由单片机Atmega16、驱动电路、显示屏等组成，完成控制和驱动输出两部分。同时在PWM脉宽调制的过程中采用软开关技术。
(1)Atmega16
Atmega16是ATMEL公司设计研发的高速低功耗8位单片机，其I／O口功能强，具有2路PWM直接输出，可以驱动开关管，8路10位高速A／D转换功能，能够采样得到蓄电池充电数据进行实时分析，从而精确控制充电电压，且
使用方便快捷。
在本系统中，Atmega16主要用于产生一定脉宽的PWM波，作为IGBT驱动电路的输入信号，根据基准电压与检测到稳压电路的输出反馈电压的比较，调整脉宽。改变占空比，控制发电机输出电压，并对充电电压进行实时监控；同时，风轮转速和充电电压等模拟信号经单片机内部A／D转换为数字信号，再经单片机处理后由显示屏以数字方式显示。
(2)驱动电路
本设计中采用惠普公司的成品驱动模块HCPL316J来驱动IGBT，可以大大提高设备的可靠性。该芯片为光耦隔离，COMS／TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度为500ns，工作电压15V～30V，欠压保护，可以驱动150A／1200V的IGBT。
驱动电路如图4所示，由单片机产生的PWM波信号加在HCPL316J的第1脚，输入部分需要1个5V电源，RESET脚低电平有效，故障信号输出由HCPL316J的第6脚送至单片机的PD0口关闭PWM波信号，在发生过流情况时及时关闭PWM输出。输出部分采用 15V和-5V双电源供电，用于产生正负脉冲输出，HCPL316J的14脚为过流检测端，通过二极管VD检测IGBT集电极电压，在IGBT导通时，如果集电极电压超过7V，则认为是发生了过流现象，HCPL316J慢速关断IGBT，同时由第6脚送出过流信号。
(3)软开关技术
软开关技术是在脉冲调制电路中，加入L、C谐振电路，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断，当电压过零时，使器件开通，实现开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。
本设计中增加了带有辅助开关控制的零电流开关变换，如图5所示。当S1、S2导通时，在LR的作用下，S1零电流导通，ILR=I0o当S1、S2导通一关断时，CR开始产生电压，D7在零电流下自然关断；之后，LR与CR开始谐振，经过半个谐振周期，ILR再次谐振到I0，UCR上升到最大值，而ICR为零，S2关断，UCR和ILR将被保持。当S1导通、S2关断时，Uin正常向负载I0供电。当S1导通一关断、S2导通时，在LR作用下，S2电流为0，谐振再次开始，当1LR反向谐振到0时，S1完成
关断。当S1关断、S2导通时，UCR在I0作用下，衰减到0。当S1关断、S2导通一关断时，D7自然导通开始续流。由于D7的短路作用，S2可在此后至下一周期到来前完成关断。S1、S2均由单片机进行控制，其中S1在前四个阶段均导通，恢复及续流时关断，S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，并利用谐振实现了自身的软开关。
2 系统软件设计
系统软件的设计是实现垂直轴风力发电电压控制系统正常运行的主要条件，采用模块化设计增强了程序的可移植性。整个软件系统主要分为四大模块组成：初始化模块、数据采集与处理模块、中断模块、显示模块。
系统的主程序设计主要实现的是各模块程序的链接，如图6所示。系统上电后，首先进入初始化模块，对单片机内部的AD、中断、显示等各参数进行初始化；接下来进入数据采集与处理模块，单片机通过传感器和充电电路的采样电阻分别循环采样垂直轴发电机的风轮转速和充电电压，然后将采样值经AD转化处理后进入显示模块，将采样值显示在液晶屏上；同时在中断模块中，将系统输出反馈电压与预先设置的基准电压按一定比例进行比较，调整脉宽，改变占空比，控制发电机输出电压。
系统软件设计重点是中断模块。在程序中将单片机的PD4口设置为输出PWM波，同时设置基准电压U0和输出的PWM波频率。单片机将系统输出反馈电压U和U0进行比较；当U与U0不相等时，程序产生中断，单片机根据q=U*q0／U0计算出所需要的占空比，从而改变PD4口输出的高低电平的持续时间，产生PWM驱动信号，控制IGBT的通断时间，调整充电电压。
3 总结
本设计采用单片机控制，能够解决风力发电输出电压和频率范围过大。无法给蓄电池充电的问题，且具有稳压精度高、安全可靠、结构简单、成本低廉、高效率、可维护性好且能自动调节等特性，可广泛应用于垂直轴风力发电系统。
关键词：垂直轴风力发电：PWM脉宽调制：IGBT开关功率管；ATMEGA16单片机；软开关技术
0 概述
风能作为一种清洁的可再生能源，是新能源开发中重要的项目。风力发电的基本原理是空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转，通过叶轮旋转带动发电机产生电能。垂直轴风力发电机采用叶轮通过转轴直接连接与发电机转子的连接方式，不需要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动，提高了风能的利用率，且结构简单、体积小、成本低、并便于维护。然而风力并不稳定，即单位时间内通过叶轮的风量并不恒定，造成叶轮转速变化较大，也就无法保证风力发电机的稳定运行，其输出的电压、频率都有较大变化难以使用。为了使风力发电系统输出的电能能够应用，需要采用一定的控制系统对风力发电机输出电压和频率进行控制。
本设计是针对同轴型直驱式永磁风力发电机(已获专利，专利申请号：200810049517)的电压控制系统。其核心是利用单片机的计算和控制能力对采样数据进行各种计算，从而排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高了输出电压的稳定性，降低了对模拟电路的要求。
1 垂直轴风力发电电压控制系统设计
本系统由主电路和控制电路两部分组成，其中主电路包括整流滤波电路、稳压电路、充电电路；控制电路包括Atmega16、检测保护电路、显示电路等。如图1所示：
1.1 主电路设计
主电路的输入端采用二极管搭建的三相桥式不可控整流电路，将发电机输出24V～100V的不稳定交流电转化为不稳定的近似直流电，再经电容滤波获得平滑的直流电；稳压电路将近似直流电通过闭环控制电路转化为稳定的直流电压向蓄电池充电。如图2所示：
(1)BUCK电路
稳压电路是采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关功率管的降压斩波电路，当IGBT接通时，经电容滤波获得平滑的直流电通过LL平波和CS滤波后向蓄电池充电；当IGBT关断时，LL通过二极管D7续流，保持充电电流连续。
1.2 控制电路设计
垂直轴发电机的电压稳定控制电路如图3所示，由单片机Atmega16、驱动电路、显示屏等组成，完成控制和驱动输出两部分。同时在PWM脉宽调制的过程中采用软开关技术。
(1)Atmega16
Atmega16是ATMEL公司设计研发的高速低功耗8位单片机，其I／O口功能强，具有2路PWM直接输出，可以驱动开关管，8路10位高速A／D转换功能，能够采样得到蓄电池充电数据进行实时分析，从而精确控制充电电压，且
使用方便快捷。
在本系统中，Atmega16主要用于产生一定脉宽的PWM波，作为IGBT驱动电路的输入信号，根据基准电压与检测到稳压电路的输出反馈电压的比较，调整脉宽。改变占空比，控制发电机输出电压，并对充电电压进行实时监控；同时，风轮转速和充电电压等模拟信号经单片机内部A／D转换为数字信号，再经单片机处理后由显示屏以数字方式显示。
(2)驱动电路
本设计中采用惠普公司的成品驱动模块HCPL316J来驱动IGBT，可以大大提高设备的可靠性。该芯片为光耦隔离，COMS／TTL电平兼容，过流软关断，最大开关速度为500ns，工作电压15V～30V，欠压保护，可以驱动150A／1200V的IGBT。
驱动电路如图4所示，由单片机产生的PWM波信号加在HCPL316J的第1脚，输入部分需要1个5V电源，RESET脚低电平有效，故障信号输出由HCPL316J的第6脚送至单片机的PD0口关闭PWM波信号，在发生过流情况时及时关闭PWM输出。输出部分采用 15V和-5V双电源供电，用于产生正负脉冲输出，HCPL316J的14脚为过流检测端，通过二极管VD检测IGBT集电极电压，在IGBT导通时，如果集电极电压超过7V，则认为是发生了过流现象，HCPL316J慢速关断IGBT，同时由第6脚送出过流信号。
(3)软开关技术
软开关技术是在脉冲调制电路中，加入L、C谐振电路，使开关器件中的电流或电压按正弦或准正弦规律变化。当电流过零时，使器件关断，当电压过零时，使器件开通，实现开关的近似零损耗。同时，有助于提高频率，提高开关的容量，减小噪声。
本设计中增加了带有辅助开关控制的零电流开关变换，如图5所示。当S1、S2导通时，在LR的作用下，S1零电流导通，ILR=I0o当S1、S2导通一关断时，CR开始产生电压，D7在零电流下自然关断；之后，LR与CR开始谐振，经过半个谐振周期，ILR再次谐振到I0，UCR上升到最大值，而ICR为零，S2关断，UCR和ILR将被保持。当S1导通、S2关断时，Uin正常向负载I0供电。当S1导通一关断、S2导通时，在LR作用下，S2电流为0，谐振再次开始，当1LR反向谐振到0时，S1完成
关断。当S1关断、S2导通时，UCR在I0作用下，衰减到0。当S1关断、S2导通一关断时，D7自然导通开始续流。由于D7的短路作用，S2可在此后至下一周期到来前完成关断。S1、S2均由单片机进行控制，其中S1在前四个阶段均导通，恢复及续流时关断，S2的作用主要是隔断谐振产生保持阶段。S1、S2的有效控制产生了PWM的效果，并利用谐振实现了自身的软开关。
2 系统软件设计
系统软件的设计是实现垂直轴风力发电电压控制系统正常运行的主要条件，采用模块化设计增强了程序的可移植性。整个软件系统主要分为四大模块组成：初始化模块、数据采集与处理模块、中断模块、显示模块。
系统的主程序设计主要实现的是各模块程序的链接，如图6所示。系统上电后，首先进入初始化模块，对单片机内部的AD、中断、显示等各参数进行初始化；接下来进入数据采集与处理模块，单片机通过传感器和充电电路的采样电阻分别循环采样垂直轴发电机的风轮转速和充电电压，然后将采样值经AD转化处理后进入显示模块，将采样值显示在液晶屏上；同时在中断模块中，将系统输出反馈电压与预先设置的基准电压按一定比例进行比较，调整脉宽，改变占空比，控制发电机输出电压。
系统软件设计重点是中断模块。在程序中将单片机的PD4口设置为输出PWM波，同时设置基准电压U0和输出的PWM波频率。单片机将系统输出反馈电压U和U0进行比较；当U与U0不相等时，程序产生中断，单片机根据q=U*q0／U0计算出所需要的占空比，从而改变PD4口输出的高低电平的持续时间，产生PWM驱动信号，控制IGBT的通断时间，调整充电电压。
3 总结
本设计采用单片机控制，能够解决风力发电输出电压和频率范围过大。无法给蓄电池充电的问题，且具有稳压精度高、安全可靠、结构简单、成本低廉、高效率、可维护性好且能自动调节等特性，可广泛应用于垂直轴风力发电系统。