基于勵(lì)磁繞組回路特性的發(fā)電機(jī)充電耦合電路設(shè)計(jì)

唐玉發(fā)，孫金海，王東健，矯見波，姜紅元

（73089部隊(duì)，江蘇徐州，221004）

0 引言

某型號(hào)發(fā)電機(jī)的主要工作原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軟軸帶動(dòng)副繞組線圈產(chǎn)生三相交流電，發(fā)電機(jī)電壓逐漸升高，其三相交流電經(jīng)內(nèi)部整流模塊整流后向勵(lì)磁繞組供電，此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽约つＪ?，主繞組生成足夠的電壓，后經(jīng)過調(diào)壓模塊使輸出電壓穩(wěn)定在28V水平供蓄電池充電[1]。但在設(shè)備的實(shí)際使用過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的輸出軟軸即發(fā)電機(jī)的輸入軸經(jīng)常發(fā)生斷裂故障導(dǎo)致充電進(jìn)程中斷，影響整個(gè)設(shè)備的用電環(huán)境和用電要求。因其安裝位置比較特殊，維修任務(wù)量較大，維修費(fèi)時(shí)費(fèi)力。情況時(shí)立即切斷充電鏈路，從而保護(hù)發(fā)電機(jī)和蓄電池。通過采樣電壓的數(shù)據(jù)處理和耦合控制來降低發(fā)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流和堵轉(zhuǎn)力矩，降低發(fā)電機(jī)輸入軟軸非疲勞斷裂的斷裂故障率。總體解決方案示意圖如圖1所示。

圖1 總體解決方案示意圖

1 故障分析

對(duì)斷裂的發(fā)電機(jī)輸入軟軸采用斷口觀察、磨損痕跡分析等方法發(fā)現(xiàn)斷裂位置有部分扭轉(zhuǎn)撕扯痕跡，將斷裂現(xiàn)象與理論分析相結(jié)合[2-5]，經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)引起發(fā)電機(jī)輸入軟軸斷裂的因素主要有兩個(gè)：一是蓄電池因種種原因性能不達(dá)標(biāo)，其內(nèi)阻增大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)蓄電池的電壓壓降幅度過大和蓄電池內(nèi)部能耗增大；二是電控發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液升溫的需要，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間通常高轉(zhuǎn)速啟動(dòng)以達(dá)到快速暖機(jī)，從而發(fā)電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速也被瞬間拉高，發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)輸出電壓較高。兩種瞬間的一高一低的壓差變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流急劇加大，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生了非正常的堵轉(zhuǎn)力矩，但發(fā)動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)因?yàn)閱?dòng)快速暖機(jī)的作用下幾乎不受影響，從而使發(fā)電機(jī)的輸入軟軸瞬間扭斷而形成非疲勞斷裂的斷裂故障[6-9]。

2 總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述故障分析的兩種因素，擬采用對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓和蓄電池的端電壓進(jìn)行采樣保護(hù)的手段，設(shè)計(jì)耦合型充電輔助電路串接于原充電鏈路中，實(shí)時(shí)采樣監(jiān)控發(fā)電機(jī)的輸出電壓和蓄電池的端電壓，按照一定的耦合條件對(duì)發(fā)電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行通斷控制，即按設(shè)置的充電策略進(jìn)行充電，發(fā)現(xiàn)異常

2.1 硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)總體解決方案的思路，硬件控制電路主要區(qū)分為采樣控制電路和電源轉(zhuǎn)換電路兩部分。采樣控制電路的主要作用是按既定策略采樣發(fā)電機(jī)的輸出電壓和蓄電池的端電壓并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，MCU接收AD轉(zhuǎn)換化后的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部的耦合控制策略控制充電鏈路的通斷從而對(duì)發(fā)電機(jī)的負(fù)載進(jìn)行通斷控制；電源轉(zhuǎn)換電路主要作用是利用設(shè)備既有的24V電壓作為電壓源，按采樣控制電路中元器件所需的工作電壓進(jìn)行有針對(duì)性地轉(zhuǎn)換，完成整個(gè)電路正常工作的適配作用。

2.1.1 采樣控制電路設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)的輸出電壓和蓄電池的端電壓，采用AD7888ARZ器件進(jìn)行三通道采樣所需數(shù)據(jù)并AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供后續(xù)主MCU使用。模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7888ARZ為八通道微功率采樣，分辨率12 bit, 采樣率125 kSPS, 單端輸入, 串行SPI接口, 電源電壓2.7 V~5.25V。主MCU采用GD32E230C8T6，集 成 了ARM?Cortex?-M23 32位 處理器內(nèi)核，該內(nèi)核以高達(dá)72 MHz的頻率運(yùn)行，提供高達(dá)64 KB的內(nèi)置閃存和高達(dá)8 KB的SRAM，提供1個(gè)12位ADC、1個(gè)比較器，5個(gè)通用16位定時(shí)器，1個(gè)PWM高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)SPI，2個(gè)I2C，2個(gè)USART 和1個(gè)I2S，采用1.8~3.6V電源供電，可在-40℃~85℃的溫度范圍內(nèi)工作，提供三種省電模式，采用LQFP48封裝，體積較小。MCU按一定的策略提取AD7888ARZ轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)設(shè)定的控制策略控制充電鏈路的通斷，從而控制發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，從而達(dá)到保護(hù)發(fā)電機(jī)輸入軟軸的目的[10]。采樣控制電路如圖2所示。

圖2 采樣控制電路

2.1.2 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

電源轉(zhuǎn)換電路部分，因后續(xù)電路的部分元器件工作電壓有12V、5V和3.3V等不同電壓需求。選用K7812T-500R3作為一級(jí)降壓芯片，將設(shè)備既有電源24V轉(zhuǎn)變?yōu)楹罄m(xù)設(shè)備和元器件的常用工作電壓12V。按需選用IB1205XT-1WR2作為二級(jí)降壓芯片，將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓；選用AMS1117作為三級(jí)降壓芯片，將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，供GD32E230C8T6和AD7888ARZ使用。電源轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案的解決思路和故障分析的兩種因素設(shè)計(jì)相應(yīng)的軟件流程圖，如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

系統(tǒng)上電自檢后進(jìn)入等待發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)，待發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后自行切斷充電控制鏈路，同時(shí)進(jìn)入正常工作流程。第一步正常啟動(dòng)后的耦合處理流程為：采集發(fā)電機(jī)的三相輸出電壓，經(jīng)AD采樣轉(zhuǎn)換后，經(jīng)MCU處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)入標(biāo)壓耦合條件的判定，符合標(biāo)壓耦合條件即接通發(fā)電機(jī)與蓄電池的充電控制鏈路，如果不符合相應(yīng)的標(biāo)壓耦合條件即轉(zhuǎn)入再采樣再判定狀態(tài)；接通充電鏈路后立即檢測(cè)發(fā)電機(jī)是否超壓，如果超壓立即二次切斷充電控制鏈路，如此反復(fù)。第二步超壓后的耦合處理流程為：同時(shí)采集發(fā)電機(jī)的三相電壓和蓄電池端電壓，MCU處理AD數(shù)據(jù)后進(jìn)入超壓耦合條件的判定，符合超壓耦合條件即再次接通發(fā)電機(jī)與蓄電池的充電控制鏈路，如果不符合相應(yīng)的超壓耦合條件即轉(zhuǎn)入再采樣再判定狀態(tài)；接通充電鏈路后繼而轉(zhuǎn)入第一步的大循環(huán)。

通過軟件流程圖可以看出此充電耦合電路最終實(shí)現(xiàn)的功能為：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和蓄電池的端電壓，發(fā)現(xiàn)異常立即切斷充電鏈路，從而控制發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)，從根源上解決發(fā)電機(jī)輸入軟軸非疲勞斷裂的斷裂故障。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電路運(yùn)行的可靠性和充電鏈路的控制是否有效，對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行PCB加工制作，按照上述軟件流程圖編寫相應(yīng)的軟件程序，并輔以機(jī)加工外殼進(jìn)行板載固定、功能調(diào)試和安裝試驗(yàn)，如圖5所示。

圖5 硬件PCB和安裝試驗(yàn)環(huán)境

通過安裝試驗(yàn)，采集到的控制狀態(tài)測(cè)試信號(hào)如圖6所示，上電初始黃線低電平為充電鏈路的常通態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間切斷充電鏈路拉高電平，滿足相應(yīng)的標(biāo)壓耦合條件即接通充電鏈路恢復(fù)黃線低電平的常通態(tài)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間可有效控制充電鏈路的通斷，從而可有效控制發(fā)電機(jī)負(fù)載的通斷狀態(tài)。

圖6 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了基于GD32E230C8T6和勵(lì)磁繞組的充電耦合電路，解決了勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)輸入軟軸斷裂的高發(fā)故障問題，經(jīng)過設(shè)備的安裝試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期的效果。所設(shè)計(jì)的充電耦合電路可以實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)主要功能：一是實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)的輸出電壓和蓄電池的端電壓；二是按既定的控制策略和耦合條件控制充電控制鏈路的通斷。兩項(xiàng)主要功能可以保證對(duì)蓄電池正常充電的同時(shí)還可以保護(hù)啟動(dòng)瞬間和超壓時(shí)的發(fā)電機(jī)和蓄電池的雙向保護(hù)，避免發(fā)電機(jī)輸入軟軸因堵轉(zhuǎn)力矩過大而被強(qiáng)行扭斷。本充電耦合電路的設(shè)計(jì)思路具有通用性和可移植性，可以應(yīng)用于其它他勵(lì)激磁發(fā)電回路且有固定負(fù)載的充電電路中以起到雙向保護(hù)的作用。

創(chuàng)新點(diǎn)說明：針對(duì)現(xiàn)有勵(lì)磁發(fā)電機(jī)設(shè)備的輸入軟軸斷軸現(xiàn)象進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)斷軸的產(chǎn)生根源，即：?jiǎn)?dòng)瞬間堵轉(zhuǎn)電流過大，輸入軸被發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)行扭斷。從發(fā)電機(jī)的負(fù)載入手按一定的控制策略控制充電鏈路的通斷，間接控制發(fā)電機(jī)的負(fù)載狀態(tài)（即滿載和空載），減少因發(fā)電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流過大導(dǎo)致的斷軸機(jī)率，從源頭上解決發(fā)電機(jī)斷軸的問題，實(shí)際應(yīng)用意義非常顯著，在單位試驗(yàn)效果良好。