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摘要：针对风力发电机输出电压变化不定问题，设计一种基于PIC16F887的风力发电机电压控制装置。该装置的主电路包括：EMI滤波器滤波电路，二极管和RC组成的整流滤波电路，绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关功率管的Zeta斩波电路，以及后续处理的电路。控制电路包括单片机、转速采集模块、电压采集模块、显示模块、驱动模块。该控制装置主要用于同轴型直驱式永磁风力发电机的电压控制，当风力大小变化时通过PIC16F887单片机生成PWM来改变IGBT的占空比，调节风力发电机的输出电压，使得电压保持某一特定值不变。
关键词：PIC16F887；EMI滤波；Zeta斩波；PWM
中国分类号：TP2 文献标识码：A
Abstract： According to the uncertainty of the wind generator output voltage problem， design a kind of wind generator voltage control device based on PIC16F887.The device's main points， main circuit and control circuit， main circuit includes： EMI filter filter circuit， diode and RC rectifier filter circuit， composed of insulated gate bipolar transistor IGBT as the switch power tube of Zeta chopper circuit， as well as the subsequent processing circuit .Control circuit including SCM， speed sampling module， voltage module， display module， drive module.The control device is mainly used for coaxial type direct drive permanent magnet wind generator voltage control， when the wind changes in size by PIC16F887 single-chip computer to generate the IGBT by changing the PWM duty cycle， adjust the output voltage of wind turbines， makes the voltage to maintain a specific values.
Key words ： PIC16F887； EMI filtering； Zeta chopping； PWM wave
引 言
风能作为自然界中一种取之不尽用之不竭的清洁能源，其开发利用引起了全世界的广泛关注，成为人们研究的热点，而风速的不断变化，导致风力发电机输出的电压不是某一恒定值，在没有风力发电机电压控制装置的情况下，风能不能很好的得到利用。目前的风力发电机电压控制装置存在维护不便、成本较高等问题，制约了风电产业的发展。本文基于PIC16F887 单片机，在保证风力发电机电压控制性能效果的同时，降低风力发电控制系统的成本；采用EMI滤波器滤能有效的去除高频杂波和同相干扰电流，同时把电源中产生的电磁辐射消减到最低限度；采用Zeta斩波电路对输出电压的稳定性得到了进一步的保证；同时采用LCD实时显示风力发电机的转速及风力发电稳压电压，便于操作及维护人员维护查看。
1 控制装置的工作原理
控制装置工作原理框图如图1所示，风力发电机输出单相交流电（含高次谐波），经EMI滤波器滤波后得到较为纯净的交流电，然后经由二极管组成的桥式整流和RCπ型滤波器滤波，得到脉动量较小的直流电。而后再经缘栅双极晶体管IGBT 作为开关功率管的Zeta斩波电路稳压及RC滤波电路，最终得到所设定的稳定直流电压；另外通过PIC16F887单片机对负载电压进行采样，在内部进行调理、比较后，调整PWM 波的占空比，经驱动IR2101对Zeta斩波电路中IGBT 的通断时间进行控制，从而形成闭环控制其输出电压；同时通过光电式转速传感器对风轮转速进行测量。由单片机再进一步的运算处理，最后通过LCD显示出当前的风轮转速和电压。
图1 控制装置原理框图
2 控制装置的硬件设计
2.1 主控制器的介绍
该垂直轴风力发电机电压控制装置的主控制器采用Microchip公司设计研发的PIC16F887高速低功耗8位单片机，具有8K×14个FLASH程序存储器，368×8个数据存储（RAM）字節，256×8EEPROM数据存储器字节；8级深度的硬件堆栈；三个定时/计数器，I/O口功能强大，具有2路PWM直接输出，14路10位高速A/D转换功能，能够对采样电压进行实时分析从而进行精确控制，且使用方便快捷。最小系统如图2所示。
图2 PIC16F887 最小系统
2.2 主电路设计
该风力发电机电压控制装置的主电路包括输入模块、稳压模块。输入模块包括交流输入和整流滤波两部分，其电路图如3所示，电感L1、滤波电容C5 C8共同组成了EMI滤波器 。L1对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。C5和C6采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01 0.47 ，主要用来滤除串模干扰。C7和C8跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C7和C8亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200 0.1 。采用EMI滤波器能有效的去除高频杂波和同相干扰电流。 图3 输入模块
经过整流滤波电路后所得到的直流电压，虽然脉动小了，但由于发电机的输出电压波动很大，所以得到直流电压很不稳定，就需要稳压模块进行处理，稳压模块包括Zeta斩波电路、RC滤波电路和采样电路，其电路图如图4所示。Zeta斩波电路的基本工作原理是：在IGBT处于通态期间，电源经开关IGBT向电感L2贮能。同时，电源和C11共同向负载供电，并向C12充电。待IGBT关断后，L2经D1向C11充电，其贮存的能量转移至C11。同时，C12向负载供电，L3的电流则经D1续流。Zeta 电路输出电压和输入电压极性相同，输出电流是连续的，脉动很小，有利于滤波。故其后采用RC滤波电路进行滤波。最后一部分是由电阻R6、R7和电容C14组成的分压器对负载电压进行采样。
图4 稳压模块
2.3 IGBT驱动电路设计
本控制装置IGBT驱动采用IR公司生产的IR2101进行驱动IGBT，IR2101高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。
驱动电路如图5所示，由单片机PIC16F87的CCP2端口产生的PWM波信号加在IR2101的第2脚，利用IR2101电容自举功能，通过二极管D3（采用肖特基管所具有的快速恢复功能，提升电容充电电压，关断过程减少消耗能量）对自举电容C17、C18进行充电，以此提升驱动IGBT的信号电压，使其具有扩大信号输出的功能，扩大后的信号PWM波就能很好的控制IGBT的通断。
图5 IGBT驱动电路
2.4 转速和电压采集
转速的采集采用SZGB-7型光电转速传感器进行测量，SZGB-7是采用调制光结构的单头反射式，具有测量距离远及不受环境光干扰的特点，传感器内藏调制光发射和接受光转换单元，能将被测物反射回来的光信号变换成电脉冲信号，其测量范围：1 30000r/min，输出信号幅值：“1” 5 0.5V；“0” 0.5V以下，传感器输出电平适应能力强能与计算机接口电路直接联接，可通过PIC16F887单片机的CCP1端口在单位时间内对其电脉冲信号进行捕捉，从来测算出风轮的转速。通过采样电路，将采样信号与PIC16F8877的AN0端口连接，通过单片机内部的A/D转换将采样的模拟信号转换成数字信号，然后与转速采集信号一同转至显示电路进行显示。
2.5 显示电路设计
本控制装置采用微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点的LCD1602液晶显示器进行电压和转速的显示，其显示电路如图6所示，RS（数据/命令选择端）接PIC16F887單片机的RE0管脚，RW（读/写选择端）接RE1管脚，E（使能信号端）接RE2管脚，D0 D7（双向数据端）接单片机的RD0 RD7。LCD1602液晶显示器控制简单并且成本低廉，符合设计的经济性原则。
图6 显示电路
3 控制装置的软件设计
控制装置的软件设计是实现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。整个软件设计主要分为四大模块组成：初始化模块、数据采集与处理模块、PWM模块、显示模块。
控制装置的主程序设计主要实现的是各模块程序的链接，如图1.5所示。控制装置上电后，首先进入初始化模块，对单片机内部的AD、捕捉、PWM及显示等各参数进行初始化；接下来进入数据集与处理模块，单片机通过采样电阻循环采样发电机的输出电压，然后将采样值经AD转化处理后进入显示模块，及通过光电式转速传感器，周期性捕捉其输出的脉冲数，进行处理转化后显示出风轮的转速；同时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。
软件设计重点是PWM模块。在程序中将单片机的CCP2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；当与U0不相等时，程序产生中断，单片机根据 计算出所需要的占空比，从而改变CCP2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，调整输出电压。
图7 程序流程图
4 结论
本发电机电压控制装置采用PIC16F887单片机控制，能够解决风力发电输出电压变化范围过大，负载无法保持正常工作的问题，同时由于采用Zeta斩波电路即使在风速很小的情况下也能保证输出电压的稳定，且具有控制精度高、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。
参考文献
[1] 吴迪，张建文.变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究[J].大电机技术，2006（03）：
36-37.
[2] 王旭光. 电力电子技术.东营：中国石油大学出版社，2009.
[3] 童诗白. 模拟电子技术.北京：高等教育出版社，2006.
[4] 庞前娟，杨端.开关电源EMI的分析与滤波器的设计[J].桂林航天工业高等专科学
校学报，2008（03）：31-32.
[5] 徐衡平. PWM型大功率开关稳压电源的设计及动态特性研究[R]. 西北工业大
学，1999.
[6] Theodore F. Bogart Jr.，Jeffrey S. Beasley，Guillermo Rico.电子器件与电路[M]. 第
六版.（蔡勉，王建明，孙兴芳）.清华大学出版社，2006.29-62.
作者简介：
周鹏（1991.09-），男，助理工程师，主要从事机电维护和控制器研究工作
韩耀振（1984.01-），男，讲师，研究方向为风力发电、滑模理论、船舶自动化。
张海风，男，河南省商水县电业局、工程师、从事电力系统自动化方面研究
关键词：PIC16F887；EMI滤波；Zeta斩波；PWM
中国分类号：TP2 文献标识码：A
Abstract： According to the uncertainty of the wind generator output voltage problem， design a kind of wind generator voltage control device based on PIC16F887.The device's main points， main circuit and control circuit， main circuit includes： EMI filter filter circuit， diode and RC rectifier filter circuit， composed of insulated gate bipolar transistor IGBT as the switch power tube of Zeta chopper circuit， as well as the subsequent processing circuit .Control circuit including SCM， speed sampling module， voltage module， display module， drive module.The control device is mainly used for coaxial type direct drive permanent magnet wind generator voltage control， when the wind changes in size by PIC16F887 single-chip computer to generate the IGBT by changing the PWM duty cycle， adjust the output voltage of wind turbines， makes the voltage to maintain a specific values.
Key words ： PIC16F887； EMI filtering； Zeta chopping； PWM wave
引 言
风能作为自然界中一种取之不尽用之不竭的清洁能源，其开发利用引起了全世界的广泛关注，成为人们研究的热点，而风速的不断变化，导致风力发电机输出的电压不是某一恒定值，在没有风力发电机电压控制装置的情况下，风能不能很好的得到利用。目前的风力发电机电压控制装置存在维护不便、成本较高等问题，制约了风电产业的发展。本文基于PIC16F887 单片机，在保证风力发电机电压控制性能效果的同时，降低风力发电控制系统的成本；采用EMI滤波器滤能有效的去除高频杂波和同相干扰电流，同时把电源中产生的电磁辐射消减到最低限度；采用Zeta斩波电路对输出电压的稳定性得到了进一步的保证；同时采用LCD实时显示风力发电机的转速及风力发电稳压电压，便于操作及维护人员维护查看。
1 控制装置的工作原理
控制装置工作原理框图如图1所示，风力发电机输出单相交流电（含高次谐波），经EMI滤波器滤波后得到较为纯净的交流电，然后经由二极管组成的桥式整流和RCπ型滤波器滤波，得到脉动量较小的直流电。而后再经缘栅双极晶体管IGBT 作为开关功率管的Zeta斩波电路稳压及RC滤波电路，最终得到所设定的稳定直流电压；另外通过PIC16F887单片机对负载电压进行采样，在内部进行调理、比较后，调整PWM 波的占空比，经驱动IR2101对Zeta斩波电路中IGBT 的通断时间进行控制，从而形成闭环控制其输出电压；同时通过光电式转速传感器对风轮转速进行测量。由单片机再进一步的运算处理，最后通过LCD显示出当前的风轮转速和电压。
图1 控制装置原理框图
2 控制装置的硬件设计
2.1 主控制器的介绍
该垂直轴风力发电机电压控制装置的主控制器采用Microchip公司设计研发的PIC16F887高速低功耗8位单片机，具有8K×14个FLASH程序存储器，368×8个数据存储（RAM）字節，256×8EEPROM数据存储器字节；8级深度的硬件堆栈；三个定时/计数器，I/O口功能强大，具有2路PWM直接输出，14路10位高速A/D转换功能，能够对采样电压进行实时分析从而进行精确控制，且使用方便快捷。最小系统如图2所示。
图2 PIC16F887 最小系统
2.2 主电路设计
该风力发电机电压控制装置的主电路包括输入模块、稳压模块。输入模块包括交流输入和整流滤波两部分，其电路图如3所示，电感L1、滤波电容C5 C8共同组成了EMI滤波器 。L1对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。C5和C6采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01 0.47 ，主要用来滤除串模干扰。C7和C8跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C7和C8亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200 0.1 。采用EMI滤波器能有效的去除高频杂波和同相干扰电流。 图3 输入模块
经过整流滤波电路后所得到的直流电压，虽然脉动小了，但由于发电机的输出电压波动很大，所以得到直流电压很不稳定，就需要稳压模块进行处理，稳压模块包括Zeta斩波电路、RC滤波电路和采样电路，其电路图如图4所示。Zeta斩波电路的基本工作原理是：在IGBT处于通态期间，电源经开关IGBT向电感L2贮能。同时，电源和C11共同向负载供电，并向C12充电。待IGBT关断后，L2经D1向C11充电，其贮存的能量转移至C11。同时，C12向负载供电，L3的电流则经D1续流。Zeta 电路输出电压和输入电压极性相同，输出电流是连续的，脉动很小，有利于滤波。故其后采用RC滤波电路进行滤波。最后一部分是由电阻R6、R7和电容C14组成的分压器对负载电压进行采样。
图4 稳压模块
2.3 IGBT驱动电路设计
本控制装置IGBT驱动采用IR公司生产的IR2101进行驱动IGBT，IR2101高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。
驱动电路如图5所示，由单片机PIC16F87的CCP2端口产生的PWM波信号加在IR2101的第2脚，利用IR2101电容自举功能，通过二极管D3（采用肖特基管所具有的快速恢复功能，提升电容充电电压，关断过程减少消耗能量）对自举电容C17、C18进行充电，以此提升驱动IGBT的信号电压，使其具有扩大信号输出的功能，扩大后的信号PWM波就能很好的控制IGBT的通断。
图5 IGBT驱动电路
2.4 转速和电压采集
转速的采集采用SZGB-7型光电转速传感器进行测量，SZGB-7是采用调制光结构的单头反射式，具有测量距离远及不受环境光干扰的特点，传感器内藏调制光发射和接受光转换单元，能将被测物反射回来的光信号变换成电脉冲信号，其测量范围：1 30000r/min，输出信号幅值：“1” 5 0.5V；“0” 0.5V以下，传感器输出电平适应能力强能与计算机接口电路直接联接，可通过PIC16F887单片机的CCP1端口在单位时间内对其电脉冲信号进行捕捉，从来测算出风轮的转速。通过采样电路，将采样信号与PIC16F8877的AN0端口连接，通过单片机内部的A/D转换将采样的模拟信号转换成数字信号，然后与转速采集信号一同转至显示电路进行显示。
2.5 显示电路设计
本控制装置采用微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等诸多优点的LCD1602液晶显示器进行电压和转速的显示，其显示电路如图6所示，RS（数据/命令选择端）接PIC16F887單片机的RE0管脚，RW（读/写选择端）接RE1管脚，E（使能信号端）接RE2管脚，D0 D7（双向数据端）接单片机的RD0 RD7。LCD1602液晶显示器控制简单并且成本低廉，符合设计的经济性原则。
图6 显示电路
3 控制装置的软件设计
控制装置的软件设计是实现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。整个软件设计主要分为四大模块组成：初始化模块、数据采集与处理模块、PWM模块、显示模块。
控制装置的主程序设计主要实现的是各模块程序的链接，如图1.5所示。控制装置上电后，首先进入初始化模块，对单片机内部的AD、捕捉、PWM及显示等各参数进行初始化；接下来进入数据集与处理模块，单片机通过采样电阻循环采样发电机的输出电压，然后将采样值经AD转化处理后进入显示模块，及通过光电式转速传感器，周期性捕捉其输出的脉冲数，进行处理转化后显示出风轮的转速；同时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。
软件设计重点是PWM模块。在程序中将单片机的CCP2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；当与U0不相等时，程序产生中断，单片机根据 计算出所需要的占空比，从而改变CCP2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，调整输出电压。
图7 程序流程图
4 结论
本发电机电压控制装置采用PIC16F887单片机控制，能够解决风力发电输出电压变化范围过大，负载无法保持正常工作的问题，同时由于采用Zeta斩波电路即使在风速很小的情况下也能保证输出电压的稳定，且具有控制精度高、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。
参考文献
[1] 吴迪，张建文.变速直驱永磁风力发电机控制系统的研究[J].大电机技术，2006（03）：
36-37.
[2] 王旭光. 电力电子技术.东营：中国石油大学出版社，2009.
[3] 童诗白. 模拟电子技术.北京：高等教育出版社，2006.
[4] 庞前娟，杨端.开关电源EMI的分析与滤波器的设计[J].桂林航天工业高等专科学
校学报，2008（03）：31-32.
[5] 徐衡平. PWM型大功率开关稳压电源的设计及动态特性研究[R]. 西北工业大
学，1999.
[6] Theodore F. Bogart Jr.，Jeffrey S. Beasley，Guillermo Rico.电子器件与电路[M]. 第
六版.（蔡勉，王建明，孙兴芳）.清华大学出版社，2006.29-62.
作者简介：
周鹏（1991.09-），男，助理工程师，主要从事机电维护和控制器研究工作
韩耀振（1984.01-），男，讲师，研究方向为风力发电、滑模理论、船舶自动化。
张海风，男，河南省商水县电业局、工程师、从事电力系统自动化方面研究