（农业机械化工程专业论文）家用电站控制系统的设计与研究.pdf

摘要 摘要 随着社会发展和人民生活水平的提高，以及全球能源危机的出现，许多地方的电力供应 出现日益紧张的局面，在用电高峰或电力故障的情况下，经常发生人为或非人为的突然停电。 家用电站具有结构紧凑、效率高、启动迅速、控制灵活等特点，正逐渐被许多的家庭应用作 为应急或备用电源。为了提高现代社会人民生活水平，提高我国内燃机发电设备的国际竞争 力，在传统的家用电站控制方式的基础上，研究开发更加智能、更加完善的控制系统具有十 分重要的现实意义。 本论文课题在广泛查阅资料的基础之上，分析了国内外家用电站控制方式现状，结合现 有家用电站的具体结构和工作原理，对家用电站控制方法和理论进行了详细分析，研究设计 了以p i c l 8 f 4 5 8 单片机为主控芯片的家用电站控制系统，该系统能够自动检测市电的供应情 况，自动决定家用电站的启动和停止，并控制市电和家用电站之间供电的相互切换。在家用 电站工作过程中，可对汽油机的运行状态进行实时检测。本论文还进行了铅酸蓄电池s o c 的 估算，以及家用电站定期的维护性运行和汽油机工作状态的指示。 家用电站控制系统的硬件设计和软件设计，均采用模块化的设计方法。按照控制功能要 求进行模块划分，系统硬件设计包括市电检测、转速检测、步进电机驱动、输出电压检测、 电池电压检测、电池充放电电流检测、油位检测、冷却水温度检测、机油压力检测、继电控 制、日历时钟等模块；系统软件程序设计包括主程序、启动子程序、工作状态检测子程序、 电池s o c 估算子程序、报警指示子程序等模块。由于控制系统的工作环境比较恶劣，本系统 在硬件电路上进行电气隔离，软件程序上采用数字滤波的方式进行抗干扰设计，以确保家用 电站控制系统的可靠性和稳定性。 所设计的控制系统经过模拟运行和现场试验，各个模块之间的工作运行正常稳定、协调 性好，并且具有响应速度快等特点，基本能够完成该系统设计的全部功能，达到系统的控制 目的和设计要求。 关键词：家用电站汽油机电池s o cp i c 单片机 两南人学硕l ：学位论文 d e s i g na n d r e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e mo f h o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n t a b s t r a c t w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n t ，t h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sa n dt h ew o r l d s e m e r g i n ge n e r g yc r i s i s ，s u p p l yo fe l e c t r i c i t yi n c r e a s i n g l yt e n s es i t u a t i o ni si nm a n yp a r t so ft h e w o r l d d u r i n gt h ep e a l 【o rp o w e rf a i l u r es i t u a t i o n ，m a n m a d eo rn o n - h u m a ns u d d e nb l a c k o u t s o c c u r6 e q u e n y h o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n th a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf a m i l i e s ，a s e m e r g e n c yo rs m n d b yp o w e r , b e c a u s ei t s c h a r a c t e r i s t i c sh a sc o m p a c t , m o b i l ec o n v e n i e n c e ， e f f i c i e n t ，s t a r tr a p i da n df l e x i b l ec o n t r o la n ds oo n i no r d e rt oi m p r o v ep e o p l e ss t a n d a r do f l i v i n go fm o d e ms o c i e t ya n dr a i s eo u ri n t e r n a t i o n a lc o m p e t i t i v e n e s si ni n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e p o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n t ，r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gam o r ei n t e l l i g e n ta n dc o m p l e t ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h et r a d i t i o n a lh o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n tc o n t r o lm e t h o dh a v eag r e a t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lh o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n t c o n t r o ls t a t u sw i t haw i d es e a r c h c o m b i n a t i o no ft h es p e c i f i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f t h ee x i s t i n gh o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n t ，d e t a i l e da n a l y s i st h eh o m ep o w e rg e n e r a t i o n e q u i p m e n tc o n t r o lm e t h o d sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e r e s e a r c h e da n dd e s i g n e dac o n t r o ls y s t e mo f h o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n tb yu s i n gm i c r o c h i p sp i c l 8 f 4 5 8m i c r o c o n t r o l l e rf o rt h e m a s t e rc h i p i ti sa b l et od e t e c tt h es u p p l yo fm a i ne l e c t r i c i t y , d e c i d et os t a r ta n ds t o pt h eh o m e p o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n ta u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ot h es u p p l y , a n dc o n t r o ls w i t c h e sb e t w e e n m a i ne l e c t r i c i t ya n dh o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n t d u r i n gt h er u n n i n gi nh o m ep o w e r g e n e r a t i o ne q u i p m e n t ，i t sg a s o l i n ee n g i n er u n n i n gi nr e a l - t i m ed e t e c t i o n ，i na d d i t i o nt oal e a d a c i d b a t t e r ys o ci se s t i m a t e d ，h o m ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n to nar e g u l a rb a s i st h et r i a lo p e r a t i o n a n dm a i n t e n a n c e ，w o r ks t a t u so ft h ea l a r ma n ds oo n w h e t h e rt h eh a r d w a r ed e s i g no rs o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m ，a l lu s eo fm o d u l a rd e s i g n m e t h o d ，a n dd i v i d e di nc o n t r o lf u n c t i o n h a r d w a r ei n c l u d e sm a i ne l e c t r i c i t yd e t e c t i o n ，s p e e do f e n g i n ed e t e c t i o n ，s t e p p e rm o t o rd r i v e r , p o w e ro u t p u tv o l t a g ed e t e c t i o n ，b a t t e r yv o l t a g ea n dc u r r e n t o fc h a r g eo rd i s c h a r g ed e t e c t i o n ，g a s o l i n el e v e ld e t e c t i o n ，t e m p e r a t u r ed e t e c t i o n ，e n g i n eo i l p r e s s u r et e s t ，r e l a yc o n t r o l ，a n dc a l e n d a rc l o c km o d u l e s o f t w a r ei n c l u d e st h em a i np r o g r a m ， s t a r te n g i n es u b r o u t i n e ，w o r k i n gs t a t ed e t e c t i o ns u b r o u t i n e ，b a t t e r ys o ce s t i m a t i o ns u b r o u t i n e ， a n da l a r mi n s t r u c t i o n ss u b r o u t i n e m o d u l a rd e s i g nm e t h o ds i m p l i f i e st h ed e s i g no fh a r d w a r e c i r c u i ta n dt h ep r e p a r a t i o no fs o f t w a r ep r o g r a m b e c a u s eo ft h eb a dw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，t h e h a r d w a r ec i r c u i t sh a v ee l e c t r i c a li s o l a t i o n a n ds o f t w a r ep r o g r a mu s e dd i g i t a lf i l t e r i n ga p p r o a c ht o i n t e r f e r e n c ei s o l a t i o n t h a t sf o rr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m a f t e rs i m u l a t i o nr u n n i n ga n df i e l dt e s t i n g ，t h ew o r ko fe a c hm o d u l eo ft h i ss y s t e mi sr u n n i n g n o r m a la n dc o o r d i n a t e dw e l l i th a sf a s tr e s p o n s e ，a n db a s i c a l l yb ea b l et oc o m p l e t et h ef u l l f u n c t i o n a l i t yo ft h es y s t e mt oa c h i e v et h ep u r p o s ea n dd e s i g no fc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：h o m e p o w e rg e n e r a t i o n e q u i p m e n t ；g a s o l i n ee n g i n e ；b a t t e r ys o c ；p i c m i c r o c o n t r o l l e r l i 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：l 友参义 签字日期：放。年月鲁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：囹不保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名：抬丈 签字日期：砂f 。年月g 日 z f 参日 t f、t、于哪 场月易年 勿珂 名 期 签 日 师 字 导 签 文献综述 1 1 家用电站概述 第1 章文献综述 能源是国民经济的基础。自从改革开放之后，我国的经济发展非常迅速，人民的生活水 平日益提高，电力工业作为能源的支柱产业，虽然有了长足的发展，全国各地的城市不断建 立起大中型火力发电站、水力发电站、核能发电站、风力发电站、生物能发电站等，总装机 容量十分迅猛地增长，但是，仍然难以满足社会经济发展的需要，尤其是经常停电的地方， 就特别需要控制性好、经济适用的后备电源，当用户的正常市电供电中断时，由后备的辅助 电源继续向用户进行供电【m l 。家用电站便是后备辅助电源设备中一种重要的理想的备用电源 设备，它能起到市电电网根本无法取代的作用，用来保证用户用电的可靠性，保障用户的人 身财产的安全。它还能够提供了一种环保经济、可靠性高、质量好、多种用途的中小型分布 式供电的最优方式，家用电站更加靠近用户，无论对于中心城市还是远郊农村甚至边远地区 用户均能够使用。 1 1 1 家用电站的结构和功能 家用电站是一种具有结构十分紧凑、工作效率较高、启动灵活迅速、控制可靠性好等特 点的大功率内燃发电设备，它一般是由汽油机、发电机及各种辅助装置等组成的独立的家用 后备电源1 3 】。它是将汽油机输出的机械能转变为电能，可通过电力电缆将电能提供给用户家 用的各种设备和电器。在市电无法实现正常的电力供应或者出现故障突然停电时，家用电站 自动提供稳定可靠的供电电源，继续为用户进行供电，发挥备份电源的作用，它可有效地确 保家庭用户能够连续、正常、稳定、安全地用电。 家用电站中的汽油机是动力部分，由于汽油的粘性较小，蒸发比较快，可以在气缸的外 部与空气形成均匀的混合气，然后将混合气吸入气缸，或者用汽油喷射系统将汽油喷入气缸， 然后经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功，把热能转变为机 械能。汽油机的特点是转速比较高，结构相对简单，质量较轻，造价较低廉，运转比较平稳， 使用维修十分方便。与柴油机相比，制造成本低、噪声较小、低温起动性较好【4 】。 传统的励磁发电机逐渐被永磁发电机所取代，家用电站中的永磁发电机是将机械能转变 为电能的装置，是电力的输出部分。永磁式发电机结构简单、可靠性高，省去了励磁式发电 机的励磁绕组、碳刷、滑环等结构，整体结构非常简单，这样就避免了励磁式发电机励磁绕 组容易烧毁、断线，碳刷、滑环容易磨损等故障的发生，使得其可靠性得到大大提高。永磁 发电机具有体积比较小、重量相对较轻、比功率( 即功率、体积之比例) 较大等特点。由于 采用的是永磁转子结构，这使得发电机内部的结构设计排列非常紧凑，体积和重量大大减少， 永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少很多，实际转速增加，比功率达到一个很高 两南大学硕f ：学位论丈 的值。永磁发电机的中、低速发电性能好，相同功率等级的情况下，在怠速时，永磁式发电 机要比励磁式发电机的输出功率高达一倍。永磁式发电机还是一种节能产品，永磁转子结构 避免了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机 效率大为提高。普通励磁式发电机在1 5 0 0 r m i n 至6 0 0 0 r m i n 之间的转速范围内，平均效率只 有4 5 至7 5 ，而永磁式发电机的平均效率可高达9 2 1 5 删。汽油机和永磁发电机通常为刚 性同轴的连接方式，并通过减震器直接安装于挂车车架或固定在支架上，其他配套设备如油 箱和蓄电池电池等均直接固定在机架上，由支架直接承受其负荷。 家用电站之中的整流器是一个整流装置，简单的说就是将永磁发电机发出的交流电( a c ) 通过硅整流二极管整成直流电( d c ) ，经过大电容滤波后输送给逆变器。硅整流二极管的击 穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造。 这种器件的结面积较大，能通过高达上千安的较大电流，但工作频率不高，一般在几十千赫 以下，硅整流二极管主要用于各种低频整流电路【2 l 。 逆变器是把整流器出来的直流电( d c ) 变换成交流电( a c ) 的电力电子转换装置。在 家用电站中，永磁发电机直接发出交流电的电压和频率相对比较高，电压的有效值大约3 8 0 v ， 频率大约在3 0 0 h z 至6 0 0 h z 之间的范围，这样的输出电能无法被绝大部分负载直接使用。因 此，就需要将发电机产生的交流电先通过整流环节转换成直流，然后再通过逆变环节将直流 变换成交流。这样不仅可以使家用电站的输出电压为2 2 0 v 和频率5 0 h z 的通用市电电能，而 且经过了逆变器的控制调节，也使输出交流电的电压和频率都比发电机直接发出的交流电要 稳定的多，因此，经过逆变器输出电能的质量也大大提耐2 1 。 家用电站中的其他辅助装置主要是电子调速装置。通过控制步进电机自动调节节气门的 开度，如果负载增加，就加大节气门的开度，提高发动机的转速，如果负载减小，就减小节 气门的开度，降低发动机的转速。它便能够根据用户负载的大小调节发动机的转速，以达到 节能减排、提高效率的目的【4 j 。 1 1 2 家用电站发展概况 早期的家用电站一般采用的是分体式结构，发动机和发电机独自为一个整体部分，共同 安装在一个固定的机架上，两者之间通过皮带进行连接。虽然此结构比较简单，也非常便丁二 用户对其进行拆卸维修，但是其体积比较庞大、重量也较重，输出电压的调整率、油耗、噪 声等各种性能指标都比较差 2 1 。在二十世纪九十年代，我国先后从欧美、日本等西方较发达 国家引进了一体化结构的家用电站，这些家用电站的发动机和发电机同轴连接，这种发动机 和发电机一体化的设计方式，在同等功率的情况下，体积和重量减小了大约5 0 左右，使得 机组结构十分紧凑，性能得到较大的提高，这种新型家用电站的使用也越来越普遍【4 卅。 传统的发电机产品，主要采用的是低速发动机带动一个工频发电机进行正常工作，直接 输出所要求的电压，对于这一类型的电力输出系统，由于其发动机工作在比较低的转速上， 2 文献综述 曼曼曼曼曼量曼曼皇o iiiui i 。；i ： 一i i ：- - 舅曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇曼量曼曼曼曼 从而导致体积过于庞大，同时对于其发电机而言，低转速发电机的体积也很难将体积做小， 这对整个发电机系统而言，就很难做到小型化和便携化。在输出电源的质量上，由于输出电 源的电压和频率都与发动机转速成正比例对应关系，发动机在不同负载的工作状态下，其转 速的波动将对输出电源电压和频率的稳定性造成直接的影响，输出电源的波形宜接受到发电 机的影响，一般小功率的这一类型发电机的输出波形都很不理想，这种输出的电源势必影响 用户用电设备的使用效果，甚至损坏设备l l 。 随着逆变电源的数字化和智能化的发展，以中小型汽油机、永磁发电机和逆变电源构成 的家用电站是家用备用电源的发展趋势。与同功率等级的传统发电机设备相比，新型的家用 电站更加轻巧灵活、电力输出更加洁净、污染排放更低，有利于环境保护。这类发电机组的 关键部件是其内置式的微处理控制器与模块化设计的逆变电源，这些部件对发电机产生的原 始电力进行处理、净化，使得移动式家用电站的电力输出非常洁净和平稳，特别适合对电压 电流波动比较敏感的电气设备和仪器，如电脑、传真机、打印机、通信设备等【9 l 。 1 1 3 家用电站的未来发展前景 自2 0 0 3 年以来，由于我国经济的飞速发展，全国绝大多数的地方都出现了电力紧张或短 缺的现象，尤其是大中型城市，这给我国内燃发电设备行业带来了机遇和挑战。国外的一些 发电设备生产公司或企业，凭借自身的雄厚资本和领先的技术经济实力，早已经开始占领中 国这个庞大的消费市场，给我国一些本土的民营发电设备生产企业造成了相当大的冲击。目 前，我国进口的家用电站以及相关配套没备主要来自日本和美国，少量来自欧洲等一些西方 发达国家。其中最大的出口国是日本，据统计，日本向我国出口的家用电站总量占到我国同 类产品进口总额的6 0 左右b 6 1 。 家用电站肩负着为国民经济发展和人民生活水平提高提供电源保障的重任，具有很大的 经济效益、社会效益和市场潜力，所以它在今后很长的一段时间内还将会继续占据着非常重 要的位置。伴随着时代的进步和社会的发展，原有的那种发电设备显然已经不再适合社会发 展的需要，笨重、耗油、噪音、污染，所以未来家用电站的发展方向应该是节能、环保、轻 型化、小型化、美观大方，这样才能发挥出家用电站的潜在优势【l o l 。为了适应家用电站轻型 化、小型化、低成本、高可靠、环保节能的要求，采用高速汽油机、永磁发电机和逆变技术 等组成的家用电站成为未来的发展方向。 1 2 家用电站控制技术概述 1 2 1 国内外家用电站控制技术的研究现状 许多发达国家从二十世纪六十年代就开始使用手动启动、有人值守的普通家用电站，到 七十年代就已经研制成功了自动启动、无人值守的家用电站，八十年代末研制成功了微型计 算机控制的自动化家用电站，到九十年代末开始进行了低排放、低噪声家用电站的应用研究， 3 两南人学硕i j 学位论文 家用电站的技术设备水平在不断地提高。现代的家用电站具有灵活方便、自动化程度高、噪 声较小和污染排放低等特点。随着科学技术的不断提高，能源短缺、环保问题、微电子技术 的发展以及对自动化要求的提高，一些新技术、新成果的应用使得现代家用电站具有更高的 经济性、可靠性、稳定性及良好的排放特性等，不断满足现代社会对其更高的要求【1 1 - 1 2 1 。 就其单纯的控制技术而言，家用电站已经经历了继电器控制、晶体管逻辑电路控制、数 字集成逻辑电路控制，发展到目前的微型计算机控制，凭借微型计算机控制的逻辑分析能力 和计算能力，它已经在自动化控制系统中占据了主导地位【1 3 l 。国外已经有许多公司广泛采用 模块式控制单元组成家用电站的电气控制系统，特别是国外已有许多专业公司开发和生产家 用电站控制系统专用控制单元模块。如英国深海电子有限公司开发的各种控制单元模块；美 国a m b a c 的电调控制器及其它控制单元模块：捷克科迈电子公司的电气控制单元模块；意 大利h a r s e n 的电子控制单元模块等等【1 4 4 5 堋l 。 我国家用电站的技术发展水平与西方发达国家相比落后了许多，不仅能源利用率较低， 而且家用电站的自动化程度也不高，主要体现在工作效率低。用户人员必须在家用电站与开 关设备等电力电子元件的旁边，直接监视着设备运行的状态并进行手动操作控制。这种控制 方式的效果与用户人员的专业素质和精神状态有很大的关系，往往不能及时而正确地进行人 工调节控制。尤其是在家用电站发生事故时，用户往往来不及做出快速的反应而使事故扩大。 又因为电力系统设备所涉及到的检测参数量相对较多，而且家用电站的运行状态都需要进行 实时的监控，如果要求用户做到实时检测显然是不可能的。特别是在一些参数量的读取上( 如 温度、机油压力等) ，人为造成的误差非常大【l 引。 目前，国内家用电站的研制单位比较多，但其总体水平不高，在诸如可靠性、安全性、 经济性、适应性、人机交互界面和最新技术的发展及应用等方面，与国外发达国家相比均存 在较大程度的差距。近些年来，随着国家经济的发展，不少国内厂家纷纷引进发达国家的先 进技术或与国外公司进行合资办厂，也有部分专业的工控公司引进国外先进技术开发研制出 符合我国使用要求的家用电站控制功能模块，例如广州三业科技有限公司开发研制的控制模 块系列、桂林光明科技公司研制的d a c t s 系列控制模块等，已在内燃发电机行业中得到广 泛的应用。国内许多生产厂家也已利用这些控制单元模块开发研制出许多家用电站控制柜系 列产品，并广泛应用于家用电站控制系统之中，极大的提高了家用电站的控制稳定性和可靠 性，为今后的家用电站控制系统的标准化与系列化设计提供了一定的技术研究基础b1 4 j 。 但是，目前现有的控制系统或控制单元模块功能单一、可靠性和稳定性较差。有些控制 模块应用可编程逻辑控制器( p l c ) 进行的开发设计，虽然该技术相对比较成熟，但还存在 成本高、柔性差、外围电路复杂、人机交互性不高、通信功能难以实现、不利于系统扩展等 缺点；有些控制模块虽然采用的是微机控制，但其设计可靠性较差，例如家用电站的自启动 功能主要是通过启动开关延时方式进行实现，该方法不够灵活准确，启动成功率低；另外有 些控制模块的功能比较单一，没有进行工作运行状态实时检测，安全性差、维护也不方便。 4 文献综述 1 2 2 家用电站控制技术的发展趋势 家用电站控制系统的未来发展方向应以模块化组合方式为主，即根据用户的不同要求选 用不同功能的控制模块组合成为各种不同功能的家用电站控制系统。在了解和掌握国外发达 国家一些先进的具有代表性的不同控制模块的功能和技术的基础上，研究开发出符合我国实 际使用情况的家用电站控制模块，能够自行开发出满足国内用户需求的家用电站控制模块系 列并形成具有产业特点的系列产品，使我国的家用电站控制系统的技术性能得到极大提高和 参与国际竞争。 5 两南人学硕i j 学位论文 2 1 研究的目的及意义 第2 章绪论 随着我国城市的规模发展的越来越大，城市供电电网的负荷也越来越大，尽管各大中城 市每年都在建设新的电力电网，但电力还是存在着供不应求的趋势。例如，在2 0 0 6 年初，电 荒“洗劫”了大半个中国，全国有2 0 个省市的电力严重的供不应求，2 0 0 8 年的第一季度， 全国就有2 2 个省市被迫拉闸限电，占全国出口总量三分之一的广东省平均每周停电两次。 2 0 0 9 年初，大范围降雪、降温天气侵袭全国很多地区，“电荒”再次来临，中国各地城市的 用电负荷屡创新高，京津唐地区、湖北、江西、河南、安徽、重庆等省市区电力供应面临严 峻考验，华中华东多个城市被迫拉闸限电。面对如此严重的电力供应不足的情况，如果部分 家庭配备有家用电站，就可以缓解停电带来的诸多不便。 自从2 0 0 3 年至今，我国电力行业的供需形势极其的严峻，这给我国内燃发电设备行业带 来了机遇与挑战并存的局面。国外许多发电产品大量进入我国市场，对我国的相关的企业造 成严重冲击。进口的家用电站以及相关配套装置主要来自日本、美国还有欧洲等一些发达国 家。由于国内家用电站需求比较旺盛，导致家用电站的价格节节攀升，而进口的家用电站更 具有性价比优势，从而导致进1 3 的家用电站数量的猛增，再加上“电荒”现象持续不断，因 此，多途径地实现我国备用内燃发电设备的全面更新换代，己成为我国内燃发电设备行业的 当务之急，不仅可以缓解我国电力紧张的局面，而且可以提高我国的内燃发电设备国际竞争 力【甜。 随着社会的不断进步发展和人民生活水平的不断提高，对家用电站自动化程度的要求也 越来越高，希望家用电站能够在市电出现异常情况而停止供电之后，尽可能迅速地送出电能 给用户使用，当市电恢复正常供电之后，家用电站也能够自动停止电力的供应，继续由市电 给用户进行供电。为满足现代社会这种发展的要求，传统家用电站的控制方式已经不能 , 网- u - - 足 现代社会发展的需要，它们往往采用的是若干个中间继电器和时间继电器等相互分离的电器 元器件所组成的逻辑电路进行控制，这种控制方式的结构比较复杂、可靠性能较差、发生故 障的概率较高，现在已经很少使用。随着自动化家用电站的不断向前发展和进步，后来逐步 发展成为以可编程逻辑控制器( p l c ) 为主的家用电站控制系统，虽然其性能得到很大提高， 也比单纯的逻辑电路方便灵活了许多，但其仍然存在着外围电路比较复杂的缺陷，并且对家 用电站的工作运行状态无法实时检测，比如油位、水温、机油压力等。随着更高性能的微处 理芯片和外围芯片的出现，再加上先进的数字控制理论的应用，产生了自动化家用电站专业 的数字控制技术。它具有外围电路简单、功率消耗低、控制精度高、抗干扰能力强、可靠性 高等许多优点，能完成家用电站系统中很多需要的高精度的实时控制，未来它必将取代传统 的家用电站控制技术。 6 绪论 早在二十世纪八十年代，世界上一些发达国家就已经致力予研究开发，家用电站微型计 算机的控制技术，到目前为止，已经研制并生产出了许多功能各异的家用电站控制系统模块， 其中有些已经产品化并投放市场，取得了显著的经济效益【1 6 1 。我国的家用电站在近十几年虽 然取得了飞速的发展，但是所存在的问题也很多，由于过去我国的经济发展走的是粗放型道 路，高速发展是以高投入成本所换来的。我国的家用电站产品一般质量不高，可靠性差、能 耗高、排放污染严重。国外在家用电站控制技术方面已经普遍采片j 微型计算机控制，而我国 在这方面却缺乏投入，技术水平相对落后，虽然也有部分公司在引进国外先进技术的基础上 研制开发了一些控制模块，但其功能相对单一、稳定性和可靠性较差。为了维持今后我国家 用电站行业的可持续发展，必须加大在这方面的人力、物力、财力的投入，以期取得重大成 果或重大突破，逐步缩小同西方发达国家在家用电站控制技术领域的差距。可以说，研究发 展和完善家用电站微型计算机控制技术在我国已势在必行【2 】。 2 1 世纪的今天，能源和环境问题已经成为各国关注的焦点，现在我们生活的这个地球 环境状况日益恶化，由于温室效应，全球气温升高，灾难性气候增加，特别是城市的污染问 题更为严重。2 0 0 9 年1 2 月7 日至1 8 日，1 9 2 个国家的环境部长和其他官员们在丹麦首都哥 本哈根召开联合国气候会议，关于减排问题各国之间意见分歧很大，这里不管谁对谁错，节 能减排都应是每个国家各个行业都必须首先考虑的一个问题，尤其是与内燃机相关的行业。 家用电站不仅关系到能源的合理利用，也关系到污染排放的问题，因此，研究开发适用的家 用电站控制系统，对能源的合理利用与环境保护都有很大的帮助。 2 2 研究的主要范围和内容 家用电站控制系统的设计和研究是一个开放性和扩展性都比较广泛的课题，需要研究的 内容比较多。根据家用电站应用的实际需要，在现有研究的基础上，本论文课题将进一步研 究设计和完善家用电站控制系统。要求控制系统能够根据市电的供应情况自动决定起动或停 止，家用电站启动响应迅速、自动化程度高，运行安全稳定、控制可靠。 本设计是基于单片机p i c l 8 f 4 5 8 进行研究设计的。它在市电供应突然中止的情况下，能 够自动的启动家用电站中的发动机，当发动机运行平稳且电站输出电压稳定之后，对用户进 行供电。并在家用电站工作运行的过程中，对发动机的油位、冷却水温度、机油压力、转速 等进行实时检测，以保证家用电站给用户供电的可靠稳定。当市电恢复供电后，家用电站并 自动停止运行，终止对用户的供电，自动切换至市电给用户供电。 无论家用电站是否启动运行工作，控制系统都对用于发动机启动和系统的供电电源的铅 酸蓄电池进行实时监测，估算电池电量的荷电状态s t a t eo fc h a r g e ( s o c ) ，并自动对铅酸蓄 电池进行充电。此外，本设计还增加有日历时钟模块，它用来校正电池s o c ，并在市电供应 正常的情况下，对家用电站进行定期维护性运行和管理。 7 两南人学硕f j 学位论文 本论文课题研究的主要内容： ( 1 ) 分析家用电站的结构功能和工作原理，了解汽油机、永磁发电机和逆变器之间的相互 功能关系。根据实际需要，结合家用电站的具体功能结构，充分利用家用电站现有的资源， 尽量的降低成本，拟定控制系统的总体方案。 ( 2 ) 设计控制系统的硬件电路，确定各个模块的具体方案，包括市电检测模块、转速检测 模块、电站输出电压检测模块、油位检测模块、冷却水温度检测模块、机油压力检测模块、 电池电压和充放电电流检测模块、阻风门电机驱动模块、继电器控制模块、日历时钟模块和 其他一些辅助模块等。 ( 3 ) 控制系统的软件设计，其中包括系统控制主程序和发动机启动程序设计，此外还有油 位、温度和机油压力模拟量采集、处理和判断程序，蓄电池电压和电流采集、处理和电量s o c 计算程序、阻风门电机驱动程序、继电器控制程序、日历时钟时间的读写程序以及其他一些 辅助程序等等。 8 家用f 乜站拧制系统的方案设汁 第3 章家用电站控制系统的方案设计 3 1 家用电站控制系统的总体方案设计 面对能源的短缺和电力的供应紧张的局面，家用电站被越来越多的家庭所使用。为了提 高家用电站的自动化水平和工作效率，并具有良好的经济性、稳定性和安全性。本论文课题 结合实际需要以及所研究家用电站的具体结构条件，并结合模块化的设计原则，尽量简化设 计，降低成本，在家用电站现有条件的基础上，提出如图3 1 所示控制系统的设计方案。此 控制系统要求完成的主要功能有： ( 1 ) 系统能够实时检测市电的供应状态，市电停止后家用电站能够自动启动。 ( 2 ) 汽油机每次启动时间不超过5 秒，两次启动之间的时间间隔1 0 秒以上，超过规定启 动次数未能启动则报警提示。 ( 3 ) 家用电站启动后，判断其输出的电压是否稳定。稳定后自动合闸给用户供电。 ( 4 ) 家用电站工作运行时，实时检测其汽油机的工作状态，如油位、冷却水温度、机油压 力、转速，若超出设定的正常工作范围则停机报警提示。 ( 5 ) 家用电站供电时，实时检测市电的供应情况，来电后家用电站自动停止，并自动切换 至市电供电。 ( 6 ) 实时检测铅酸蓄电池的电量情况，并进行电池s o c 的估算，电量不足时自动充电并 进行相应的提示。 ( 7 ) 家用电站能够进行定期的维护性运行和管理。 在市电供应正常的情况下，市电电闸k m l 处于闭合状态、家用电站电闸k m 2 处丁断开 状态，市电给用户提供正常电源，家用电站停止工作。当市电电网出现故障或者突然断电的 情况下，家用电站控制系统能够准确迅速地做出判断，首先自动启动汽油机，当检测到家用 电站的输出电压稳定之后，市电电闸k m l 先自动断开、家用电站电闸k m 2 再自动闭合，切 换至家用电站给用户进行供电。当市电恢复正常供电后，家用电站也能够准确迅速地做出判 断，自动关闭汽油机，先自动断开家用电站电闸k m 2 、再自动闭合市电电闸k m l ，切换至 市电给向用户继续正常供电。 在家用电站给用户供电的过程中，实时检测家用电站中汽油机的工作运行状态，比如是 否停机、油位过低、冷却水温度过高、机油压力过低等，并给予适当的故障诊断和停机报警 提示，以保证家用电站的正常运行和用电安全，给用户提供稳定而可靠的供电电源。此外， 无论家用电站是否处于工作状态，都对铅酸蓄电池进行实时检测，当电量不足时，能够自动 对其进行充电，以保证汽油机启动时有充足的电能。因为设计的控制系统的也是由铅酸蓄电 池提供电源，所以它也可以保证家用电站控制系统的正常稳定工作。 如果市电长时间供电正常，家用电站将长期处丁停止工作的状态，这样在电站需要h l ：作 9 两南大学硕l j 学位论文 时，汽油机很容易出现很难启动的情况，因此，在这种情况下，也需要做好家用电站定期的 维护性运行和管理，以保证家用电站在需要的时候，能够迅速地启动和正常稳定可靠地给用 户供电。 l n p e 图3 - 1 控制系统的总体框图 f i g 3 - 1o v e r a l ld i a g r a mo fc o n t r o ls y s t e m 3 2 汽油机启动检测 判定汽油机是否启动或运行是否正常稳定的重要标志就是转速。家用电站研究样机是由 汽油机和永磁发电机同轴刚性连接组成，汽油机同永磁发电机是同一转速运行，因此，可以 通过检测永磁发电机的转速来判断汽油机的转速，进而判断发动机是否启动或者运行是否稳 定。 目前，检测发电机的转速的方法很多，主要有电磁感应式、霍尔效应式、光电转换式等 1 0 家用l u 站拧制系统的方窠殴汁 等【l7 。1 9 1 。由于上述方法都需要外加传感器，设计麻烦，成本较高，本设计就采用设计简单而 可靠的周期频率法，通过永磁发电机上现有的1 2 v 输出的辅助绕组采集交流信号，先进行全 桥整流，然后经过电压比较器将整流后的半波信号转换成频率为原来二倍的方波信号，如图 3 2 所示。利用单片机捕捉其脉冲信号，经过一系列的计算处理后，得出其转速值。 交流信号 整流波形4 三篷 三亚三) z ：豆三3 z 三乙三叟三3 z 三玉乙：显三3 z 三玉三! 亚三蚰 ： 方波信号广1r 厂 厂 r r r 几r r r r 厂 厂 r r 图3 - 2 转速检测原理波形图 f i g 3 2w a v e f o r m so fs p e e dd e t e a i o np r i n c i p l e 家用电站研究样机上的永磁发电机是十对极的，由公式( 3 1 ) 我们知道，发电机所产生 交流信号的频率与发电机转速之间正比关系，根据单片机测出的频率值就很容易计算出电机 的实际转速值，反之，也同样适用。 6 0 厂 儿；二 p ( 3 1 ) 式中：忍表示发电机的转速；，表示发电机的频率；p 表示发电机的极对数 2 0 l 。 假设单片机的时钟晶振l ，每个脉冲的下降沿捕捉一次，所用定时器的分频比为 1 ：n l ，则转速对应的捕捉值c c p 可由公式( 3 2 ) 计算。 c c p ( d e c l ：旦塑( 3 - 2 ) 2 f 。 在汽油机启动过程中，点火开关刚刚闭合时，转速通常比较低，永磁发电机所产生交流 信号的频率也比较低，随着时间的推移，发动机转速不断增加，电机的所产生的交流信号的 频率也不断增加，直至汽油机启动，然后关闭启动电机。因此，我们就可以用单片机控制点 火开关，并检测发电机所产生交流信号的频率是否达到一定的值，来判定汽油机是否启动成 功。为了防止干扰信号造成的误判断，可以通过软件滤波方式排除干扰，多测几次频率值取 其平均数，再做出判断。 汽油机能否成功的启动与很多因素有关，比如混合气浓度、阻风门开度、环境温度、油 道堵塞、是否漏气等等。目前，没有办法控制每一种因素。为了达到良好的启动效果，提高 汽油机启动的可靠性，本控制系统设计采用步进电机对阻风门开合度进行控制；系统还允许 连续启动多次，每次启动时间不超过5 秒，两次启动之间的时间间隔1 0 秒以上，如果多次启 两南人学硕f 学位论文 动都没有成功，则发出报警信号，以供用户进行检修。 3 3 家用电站运行状态检测 为了保证家用电站启动可靠性和运行过程中的安全稳定性，对其工作运行状态中的一些 参数进行实时检测和基本日常维护是很必要的。本设计所检测数据主要是家用电站中的汽油 机的工作运行状态，包括发动机转速、燃油油位、冷却水温度、机油压力。目前，绝大多数 的检测系统都是由信号采集、信号处理、数据分析三个环节进行【2 。为了简化电路设计和降 低成本，本设计中的信号采集部分所用的传感器均采用汽油发电机上自带的传感器，然后将 所采集的信号经过调理环节，把传感器信号转换成更适合进一步的传输和处理的信号，并进 行各种运算、滤波、分析等，最后将结果送入主控芯片进行数据处理和记录保存等。在所有 的环节之中，必须保证各个环节的输出量与输入量之间的一一对应关系，尽量保证信号不失 真，并且必须尽可能地减小或消除各种干扰。 如果要保证家用电站良好的工作运行状态，尽量地减少故障发生，做好日常的维护和管 理十分必要。所研究的家用电站要求在市电停止或出现故障的情况下自行投入使用，如果市 电长时间供应正常，家用电站就会处于长时间的停机状态，这样，最容易损坏家用电站中的 汽油机，出现需要工作时却又很难启动的情况，因此，就需要做好家用电站的日常维护和管 理工作。本设计中采用定期维护性运行的方法，每间隔一个月的期限进行启动并运行十分