柴油發(fā)電機(jī)數(shù)字電壓調(diào)節(jié)技術(shù)研究

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016)

0 引言

電壓調(diào)節(jié)器是柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中不可忽視的重要環(huán)節(jié)。它的性能直接關(guān)系到電源系統(tǒng)的運(yùn)行是否安全穩(wěn)定，它影響到交流發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)特性等[1]。隨著電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展，它在實(shí)現(xiàn)自身穩(wěn)態(tài)調(diào)壓精度的同時(shí)，往往還具有一些重要的保護(hù)功能[2]：限制發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流、軟起動(dòng)功能、勵(lì)磁電流限制。為此，有必要對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行研究。

目前發(fā)電機(jī)采用的調(diào)壓器大多還是模擬式的。文獻(xiàn)[2]針對(duì)45 KVA的交流發(fā)電機(jī)，采用有效值檢測(cè)的方式，設(shè)計(jì)了模擬式調(diào)壓器，但是由于電壓?jiǎn)苇h(huán)調(diào)制的原因，動(dòng)態(tài)性能較差。文獻(xiàn)[3]針對(duì)汽車高壓無刷直流發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)了PWM電流型控制調(diào)壓方法，可以解決高壓直流發(fā)電機(jī)電壓精度過低的問題。文獻(xiàn)[4]和[5]對(duì)無刷型發(fā)電機(jī)的數(shù)字電壓調(diào)節(jié)技術(shù)開展了研究，可以滿足調(diào)壓器的穩(wěn)態(tài)性能與暫態(tài)性能的要求。文獻(xiàn)[6]針對(duì)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的數(shù)字調(diào)壓技術(shù)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[7]采用模糊濾波算法和場(chǎng)電流限制法設(shè)計(jì)了數(shù)字調(diào)壓器，驗(yàn)證了調(diào)壓器在變速恒頻電源系統(tǒng)中的可行性。文獻(xiàn)[8]利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出的調(diào)節(jié)和控制。與模擬式電壓調(diào)節(jié)器相比，數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器具有抗干擾性強(qiáng)、控制策略靈活、控制參數(shù)調(diào)整簡(jiǎn)便、數(shù)據(jù)可記載等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，隨著柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)的不斷發(fā)展，新技術(shù)和新成果的不斷地被采納應(yīng)用，柴油發(fā)電機(jī)組的數(shù)字化發(fā)展還需要進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)某型車輛柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335芯片的數(shù)字調(diào)壓器。在Altium Designer環(huán)境下，設(shè)計(jì)了數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器的輸入輸出接口電路，包括模擬量調(diào)理電路、數(shù)字量調(diào)理電路、勵(lì)磁主電路和勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路等，制作功率板。采用以TMS320F28335為核心的DSP最小系統(tǒng)，利用電壓、勵(lì)磁電流雙環(huán)調(diào)節(jié)的方式，設(shè)計(jì)軟件控制算法。搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行測(cè)試，滿足預(yù)期功能要求。

1 調(diào)壓器功能

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字調(diào)壓器的調(diào)節(jié)對(duì)象為某型車輛柴油發(fā)電機(jī)(10～30 kW)，發(fā)電機(jī)輸出電壓為220 V/50 Hz。

數(shù)字調(diào)壓器的主要功能是，通過閉環(huán)控制穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出電壓，通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)輸出電壓、負(fù)載電流、功率、功率因數(shù)、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)定子溫度、頻率。此外，還需要對(duì)發(fā)電機(jī)過壓、勵(lì)磁過壓、勵(lì)磁過流、繞組溫度過高等故障進(jìn)行可靠保護(hù)。通過在硬件電路板上加入LED指示燈實(shí)現(xiàn)光報(bào)警，由檢測(cè)控制電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)工作，并在上位機(jī)的軟件面板上顯示報(bào)警信息。

2 調(diào)壓器結(jié)構(gòu)及工作原理

發(fā)電機(jī)組的數(shù)字控制系統(tǒng)圖如圖1所示。輸入輸出接口電路采樣發(fā)電機(jī)的輸出電壓、負(fù)載電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、定子溫度等信號(hào)，由DSP電路作閉環(huán)控制進(jìn)行調(diào)壓。發(fā)電機(jī)的電壓經(jīng)變換之后，給調(diào)壓器供電。調(diào)壓器通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的功能。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)圖

數(shù)字調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括以下幾部分：1)TMS320F28335最小系統(tǒng)；2)模擬量檢測(cè)、調(diào)理電路；3)數(shù)字輸入、輸出接口；4)功率放大及勵(lì)磁主電路。

圖2 數(shù)字調(diào)壓器結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器與模擬式電壓調(diào)節(jié)器的工作原理是相同的，而兩者主要的區(qū)別是產(chǎn)生控制信號(hào)的方法不同。數(shù)字調(diào)壓器的工作原理為：發(fā)電機(jī)的輸出電壓Ugen和勵(lì)磁電流If經(jīng)過功率板上模擬量調(diào)理電路檢測(cè)之后再輸出到DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊，將模擬量信號(hào)變換成數(shù)字量信號(hào)。DSP根據(jù)采樣得到的數(shù)字量信號(hào)，利用合適的算法生成PWM波，再經(jīng)過功率放大電路來控制MOS管的開關(guān)狀態(tài)。利用軟件算法實(shí)時(shí)跟蹤發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化，改變PWM的占空比，改變勵(lì)磁電流，從而達(dá)到穩(wěn)定發(fā)電機(jī)輸出電壓的目的。同時(shí)，通過模擬量調(diào)理電路檢測(cè)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流Iload、勵(lì)磁電壓Uf、定子溫度Tem，由軟件控制是否有過載、過壓、過溫等故障進(jìn)行保護(hù)。

3 數(shù)字調(diào)壓器的硬件設(shè)計(jì)

調(diào)壓器檢測(cè)以下幾個(gè)模擬量：三相交流電壓Ugen，負(fù)載電流Iload(交流發(fā)電機(jī)輸出電流)、勵(lì)磁電流If、勵(lì)磁電壓Uf、定子溫度Tem。

3.1 非相似雙余度發(fā)電機(jī)電壓檢測(cè)電路

無論基于何種控制機(jī)理的發(fā)電機(jī)調(diào)壓器，都需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行適時(shí)有效的檢測(cè)。調(diào)壓器必須通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)輸出電壓大小才能調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)電壓檢測(cè)電路的性能對(duì)電壓調(diào)節(jié)的精度和穩(wěn)定性有著決定性的影響。

首先對(duì)發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電進(jìn)行降壓處理，通過電阻分壓使其電壓值在運(yùn)算放大器可接受的電壓范圍內(nèi)。如圖3所示，以A相為例，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出額定電壓220 V時(shí)，降壓變換電路輸出幅值為7.73 V左右的正弦波。

圖3 降壓變換電路(以A相為例)

采用兩種形式的電壓檢測(cè)變換電路：

一種是平均值檢測(cè)，如圖4所示。發(fā)電機(jī)輸出額定電壓時(shí)，UTABC輸出為2.1 V左右的直流電。

圖4 電壓平均值檢測(cè)電路

另一種方式是每相電壓都檢測(cè)，如圖5所示，以A相為例。采用升壓電路將變換后的三相交流電抬升到正值，再由DSP讀取電壓值進(jìn)行有效值計(jì)算。發(fā)電機(jī)輸出額定電壓時(shí)，抬升后的電壓在0.245 5～1.254 5 V之間。

圖5 電壓抬升電路(以A相為例)

這兩種電壓檢測(cè)電路構(gòu)成了非相似雙余度電壓檢測(cè)電路。平均值檢測(cè)電路反應(yīng)速度快，滯后時(shí)間少，可以用來作為電壓調(diào)節(jié)反饋檢測(cè)電路，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。電壓有效值檢測(cè)電路能真實(shí)反映電壓的有效值，可以作為發(fā)電機(jī)保護(hù)的參考指標(biāo)，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)進(jìn)行有效的保護(hù)，也作為平均值電壓檢測(cè)電路的備份。

3.2 勵(lì)磁電流檢測(cè)電路

勵(lì)磁電流檢測(cè)電路如圖6所示。選擇傳感器的型號(hào)為ACS714LLCTR-20A-T，工作溫度為-40～85 ℃，靈敏度為100 mV/A，傳感器的供電電壓為5.0 V，響應(yīng)速度為5 μs。芯片的輸出電壓(單位為V)為：

圖6 勵(lì)磁電流檢測(cè)電路

(1)

柴油發(fā)電機(jī)組指標(biāo)中提出，勵(lì)磁電流連續(xù)時(shí)為6 A，最大值不超過10 A。當(dāng)勵(lì)磁電流大于12 A(持續(xù)時(shí)間1 s)時(shí)，應(yīng)當(dāng)直接關(guān)斷輸出，并發(fā)出勵(lì)磁過流報(bào)警。在設(shè)計(jì)時(shí)留出余量，取勵(lì)磁電流最大為20 A，則該電路輸出的最大電壓為4.5 V。UF+和UF+1接在勵(lì)磁電源輸出和勵(lì)磁繞組之間。當(dāng)VIOUT輸出為4.5 V時(shí)，UIF為2.89 V。

3.3 勵(lì)磁電壓檢測(cè)電路

勵(lì)磁電壓檢測(cè)電路采用中旭的電壓型霍爾傳感器，型號(hào)為HNV-300T 5 V，電壓測(cè)量范圍是0～±450 V，額定輸出電壓為5 V。VF+和VF-分別接在勵(lì)磁繞組的兩端，經(jīng)霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換之后，再接分壓電阻電路。

圖7 勵(lì)磁電圧檢測(cè)電路

3.4 勵(lì)磁主電路

勵(lì)磁主電路有三種方案可以選擇：?jiǎn)蜗鄻蚴秸?、三相半波整流以及三相橋式整流。?dāng)輸入為220 V三相交流電時(shí)，單相橋式整流輸出電壓平均值為198 V，三相半波整流輸出電壓平均值為257.4 V，三相橋式整流輸出電壓平均值為514.8 V。

如果采用三相橋式整流的方式作為主電路，那么濾波電容的耐壓值太高，并且電流相應(yīng)也比另外兩種方式大，濾波電容不易選取并且會(huì)增加調(diào)壓器的體積和重量。比較單相整流和三相半波整流，雖然三相半波整流的輸出電壓平均值比單相橋式整流的輸出電壓平均值要大50 V左右，但是三相半波整流電路的輸出電壓脈動(dòng)比單相橋式整流小一些，所以最終選取的整流方式是三相半波整流。

勵(lì)磁主電路如圖8所示，勵(lì)磁源來自發(fā)電機(jī)的輸出， UGENA、UGENB、UGENC經(jīng)過二極管D18～20組成的半橋整流電路整流之后，再由大電容C16濾波。

圖8 勵(lì)磁主電路

3.5 勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)功率放大電路

功率放大電路的作用是對(duì)PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)功率放大，使其能夠驅(qū)動(dòng)主功率管MOS管，電路原理圖如圖9所示。高速驅(qū)動(dòng)開關(guān)SN75451的作用是實(shí)現(xiàn)邏輯“與”關(guān)系。當(dāng)PWM信號(hào)為高電平的時(shí)候，SN75451的輸出為高，NPN型三極管Q3導(dǎo)通，拉低MOS管Q5的柵極電壓，從而MOS管關(guān)斷，柵源電容上的電荷經(jīng)過二極管迅速放掉。當(dāng)PWM信號(hào)為低電平的時(shí)候，SN75451的輸出為低，NPN型三極管Q3關(guān)斷，工作電源通過R49和R37向MOS管Q5的柵源電容充電，當(dāng)柵極電壓滿足大于開啟電壓的條件時(shí)，MOS管隨即導(dǎo)通。電路的F+和F-端分別接在勵(lì)磁繞組的兩端。RCD電路的作用是吸收電壓尖峰。

圖9 勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)功率放大電路

4 數(shù)字調(diào)壓器的軟件設(shè)計(jì)

本數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)的核心為DSP控制器。通過輸入輸出接口電路采樣發(fā)電機(jī)輸出電壓Ugen、輸出電流Iload、頻率Freq等參數(shù)，利用DSP完成調(diào)壓算法，最終輸出PWM波控制勵(lì)磁電流從而達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。

本數(shù)字調(diào)壓器的DSP控制器采用的是TI公司的型號(hào)為TMS320F28335的32位浮點(diǎn)高性能微控器。該控制器擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可以對(duì)復(fù)雜的控制算法進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，能夠保證數(shù)字調(diào)壓器的實(shí)時(shí)控制性能。同時(shí)，其數(shù)據(jù)程序存儲(chǔ)量和A/D轉(zhuǎn)換的精度可以滿足本調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求。

DSP最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10所示，包括DSP及其外圍電路。為提高系統(tǒng)的可靠性，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，減少研制時(shí)間，DSP板采用北京達(dá)盛科技有限公司的TechV_28335板卡。板卡通過兩排接口與輸入輸出接口電路板進(jìn)行連接。

圖10 DSP最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 軟件總體流程

調(diào)壓器軟件總體流程如圖11所示。通過判斷發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否達(dá)到規(guī)定值來決定調(diào)壓器是否工作。當(dāng)勵(lì)磁電壓值低于安全值，關(guān)閉調(diào)壓系統(tǒng)。

圖11 數(shù)字調(diào)壓器軟件流程圖

先設(shè)置調(diào)壓器的初始值，并進(jìn)行自檢，自檢正確時(shí)，初始化工作寄存器，允許A/D中斷。等待A/D轉(zhuǎn)換后，利用數(shù)字值判斷輸出電壓的大小，當(dāng)其大于一定值時(shí)，既可以進(jìn)行正常調(diào)壓，如果不滿足條件則繼續(xù)等待A/D中斷。進(jìn)入正常調(diào)壓之后，設(shè)置新的中斷矢量，當(dāng)輸出電壓值低于設(shè)置值時(shí)，關(guān)閉調(diào)壓系統(tǒng)，否則繼續(xù)進(jìn)行調(diào)壓步驟。

4.2 控制算法結(jié)構(gòu)

調(diào)壓器主要有如下幾種控制方式：電壓?jiǎn)苇h(huán)調(diào)節(jié)、電壓及負(fù)載電流雙環(huán)調(diào)節(jié)、電壓及勵(lì)磁電流雙環(huán)調(diào)節(jié)[4,9]、輸出電壓反饋調(diào)節(jié)中加入勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。本文選取電壓、勵(lì)磁電流雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 電壓、勵(lì)磁電流雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

柴油機(jī)組在運(yùn)行中需要以不同負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行加卸載。交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器數(shù)字控制策略主要有：數(shù)字控制策略[10]、自適應(yīng)的控制策略[11]、模糊控制策略[12]。本文通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，控制主發(fā)電機(jī)的電壓。但是，采樣得到的反饋信號(hào)中含有諧波脈動(dòng)成分，它會(huì)影響控制器的穩(wěn)定性。為此，采用整周期平滑濾波來消除諧波脈動(dòng)。

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，需要施加或者卸去滿載幅度的載荷，在該工作狀態(tài)下，系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量滿足相應(yīng)的要求。一般的PI算法具有在大偏差時(shí)積分累積過大以及超調(diào)過大的缺點(diǎn)，不能滿足本系統(tǒng)要求。所以，為了提高調(diào)壓器的快速性，本文采用復(fù)合PID控制算法。

5 實(shí)驗(yàn)

在對(duì)調(diào)壓器的硬件電路及軟件算法進(jìn)行測(cè)試之后，搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖13所示。其中發(fā)電機(jī)的額定輸出功率為20 kVA，額定輸出相電壓為230 V，頻率為50 Hz。

圖13 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架圖

5.1 逐級(jí)加卸載實(shí)驗(yàn)

采用三臺(tái)可編程電子負(fù)載做逐級(jí)加卸載實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，三臺(tái)可編程電子負(fù)載最大輸出12.9 kVA，因此逐級(jí)加載最大只能做到50%～65%，即從10 kVA逐級(jí)加載到12.9 kVA。

U=230 V、PF=1條件下，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 逐級(jí)加卸載實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(U=230V PF=1)

5.2 突加突卸負(fù)載實(shí)驗(yàn)

分別進(jìn)行突加和突卸12.9 kVA阻性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示，發(fā)電機(jī)輸出電壓的波形圖如圖14和圖15所示?？梢钥闯觯{(diào)壓器分別利用212.5 ms和431.25 ms完成了調(diào)壓過程。

表2 突加突卸負(fù)載實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果(U=230V PF=1)

GJB 235A-1997 軍用交流移動(dòng)電站通用規(guī)范規(guī)定，指標(biāo)類別為I的柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率為±1.0%，瞬態(tài)電壓調(diào)整率為±15%，電壓穩(wěn)定時(shí)間為0.5 s。表1和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本數(shù)字調(diào)壓系統(tǒng)達(dá)到了該標(biāo)準(zhǔn)中類別為I的柴油機(jī)的要求。

圖14 突加12.9 kVA阻性負(fù)載時(shí)的電壓波形圖

圖15 突卸12.9 kVA阻性負(fù)載時(shí)的電壓波形圖

6 總結(jié)

本文針對(duì)某型車輛柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了基于TMS320F28335芯片的數(shù)字調(diào)壓器。主要介紹了硬件電路中的非相似雙余度電壓檢測(cè)電路、勵(lì)磁電流檢測(cè)電路、勵(lì)磁電壓檢測(cè)電路、勵(lì)磁主電路和勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)放大電路。采用以TMS320F28335為核心的DSP最小系統(tǒng)，利用電壓、勵(lì)磁電流雙環(huán)調(diào)節(jié)的方式，采用復(fù)合型PID軟件控制算法。搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)調(diào)壓器進(jìn)行逐級(jí)加載卸載、突加突卸負(fù)載測(cè)試，能夠滿足GJB 235A-1997 軍用交流移動(dòng)電站通用規(guī)范中指標(biāo)類別為I的柴油機(jī)功能要求。