柴油發電機數字電壓調節技術研究

(南京航空航天大學 自動化學院，南京 210016)

0 引言

電壓調節器是柴油發電機組運行中不可忽視的重要環節。它的性能直接關系到電源系統的運行是否安全穩定，它影響到交流發電機輸出電壓的穩態精度、動態特性等[1]。隨著電壓調節技術的發展，它在實現自身穩態調壓精度的同時，往往還具有一些重要的保護功能[2]：限制發電機的負載電流、軟起動功能、勵磁電流限制。為此，有必要對柴油發電機組的電壓調節器進行研究。

目前發電機采用的調壓器大多還是模擬式的。文獻[2]針對45 KVA的交流發電機，采用有效值檢測的方式，設計了模擬式調壓器，但是由于電壓單環調制的原因，動態性能較差。文獻[3]針對汽車高壓無刷直流發電機，設計了PWM電流型控制調壓方法，可以解決高壓直流發電機電壓精度過低的問題。文獻[4]和[5]對無刷型發電機的數字電壓調節技術開展了研究，可以滿足調壓器的穩態性能與暫態性能的要求。文獻[6]針對混合勵磁同步電機的數字調壓技術進行研究。文獻[7]采用模糊濾波算法和場電流限制法設計了數字調壓器，驗證了調壓器在變速恒頻電源系統中的可行性。文獻[8]利用FPGA實現對電源輸出的調節和控制。與模擬式電壓調節器相比，數字電壓調節器具有抗干擾性強、控制策略靈活、控制參數調整簡便、數據可記載等優點。同時，隨著柴油發電機組技術的不斷發展，新技術和新成果的不斷地被采納應用，柴油發電機組的數字化發展還需要進一步研究。

本文針對某型車輛柴油發電機設計了基于TMS320F28335芯片的數字調壓器。在Altium Designer環境下，設計了數字電壓調節器的輸入輸出接口電路，包括模擬量調理電路、數字量調理電路、勵磁主電路和勵磁驅動電路等，制作功率板。采用以TMS320F28335為核心的DSP最小系統，利用電壓、勵磁電流雙環調節的方式，設計軟件控制算法。搭建系統實驗平臺，對調壓器進行測試，滿足預期功能要求。

1 調壓器功能

本文設計的數字調壓器的調節對象為某型車輛柴油發電機(10～30 kW)，發電機輸出電壓為220 V/50 Hz。

數字調壓器的主要功能是，通過閉環控制穩定發電機的輸出電壓，通過上位機監測輸出電壓、負載電流、功率、功率因數、勵磁電壓、勵磁電流、發電機定子溫度、頻率。此外，還需要對發電機過壓、勵磁過壓、勵磁過流、繞組溫度過高等故障進行可靠保護。通過在硬件電路板上加入LED指示燈實現光報警，由檢測控制電路實現保護工作，并在上位機的軟件面板上顯示報警信息。

2 調壓器結構及工作原理

發電機組的數字控制系統圖如圖1所示。輸入輸出接口電路采樣發電機的輸出電壓、負載電流、勵磁電壓、勵磁電流、定子溫度等信號，由DSP電路作閉環控制進行調壓。發電機的電壓經變換之后，給調壓器供電。調壓器通過調節勵磁來實現調壓的功能。

圖1 柴油發電機組的控制系統圖

數字調壓器的結構如圖2所示。主要包括以下幾部分：1)TMS320F28335最小系統；2)模擬量檢測、調理電路；3)數字輸入、輸出接口；4)功率放大及勵磁主電路。

圖2 數字調壓器結構框圖

數字電壓調節器與模擬式電壓調節器的工作原理是相同的，而兩者主要的區別是產生控制信號的方法不同。數字調壓器的工作原理為：發電機的輸出電壓Ugen和勵磁電流If經過功率板上模擬量調理電路檢測之后再輸出到DSP的A/D轉換模塊，將模擬量信號變換成數字量信號。DSP根據采樣得到的數字量信號，利用合適的算法生成PWM波，再經過功率放大電路來控制MOS管的開關狀態。利用軟件算法實時跟蹤發電機輸出電壓的變化，改變PWM的占空比，改變勵磁電流，從而達到穩定發電機輸出電壓的目的。同時，通過模擬量調理電路檢測發電機的負載電流Iload、勵磁電壓Uf、定子溫度Tem，由軟件控制是否有過載、過壓、過溫等故障進行保護。

3 數字調壓器的硬件設計

調壓器檢測以下幾個模擬量：三相交流電壓Ugen，負載電流Iload(交流發電機輸出電流)、勵磁電流If、勵磁電壓Uf、定子溫度Tem。

3.1 非相似雙余度發電機電壓檢測電路

無論基于何種控制機理的發電機調壓器，都需要對控制對象進行適時有效的檢測。調壓器必須通過檢測發電機輸出電壓大小才能調節發電機勵磁電流，發電機電壓檢測電路的性能對電壓調節的精度和穩定性有著決定性的影響。

首先對發電機輸出的三相交流電進行降壓處理，通過電阻分壓使其電壓值在運算放大器可接受的電壓范圍內。如圖3所示，以A相為例，當發電機輸出額定電壓220 V時，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變換電路：

一種是平均值檢測，如圖4所示。發電機輸出額定電壓時，UTABC輸出為2.1 V左右的直流電。

圖4 電壓平均值檢測電路

另一種方式是每相電壓都檢測，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讀取電壓值進行有效值計算。發電機輸出額定電壓時，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)

這兩種電壓檢測電路構成了非相似雙余度電壓檢測電路。平均值檢測電路反應速度快，滯后時間少，可以用來作為電壓調節反饋檢測電路，使得系統動態響應好。電壓有效值檢測電路能真實反映電壓的有效值，可以作為發電機保護的參考指標，能夠對發電機進行有效的保護，也作為平均值電壓檢測電路的備份。

3.2 勵磁電流檢測電路

勵磁電流檢測電路如圖6所示。選擇傳感器的型號為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，響應速度為5 μs。芯片的輸出電壓(單位為V)為：

圖6 勵磁電流檢測電路

(1)

柴油發電機組指標中提出，勵磁電流連續時為6 A，最大值不超過10 A。當勵磁電流大于12 A(持續時間1 s)時，應當直接關斷輸出，并發出勵磁過流報警。在設計時留出余量，取勵磁電流最大為20 A，則該電路輸出的最大電壓為4.5 V。UF+和UF+1接在勵磁電源輸出和勵磁繞組之間。當VIOUT輸出為4.5 V時，UIF為2.89 V。

3.3 勵磁電壓檢測電路

勵磁電壓檢測電路采用中旭的電壓型霍爾傳感器，型號為HNV-300T 5 V，電壓測量范圍是0～±450 V，額定輸出電壓為5 V。VF+和VF-分別接在勵磁繞組的兩端，經霍爾傳感器測量轉換之后，再接分壓電阻電路。

圖7 勵磁電圧檢測電路

3.4 勵磁主電路

勵磁主電路有三種方案可以選擇：單相橋式整流、三相半波整流以及三相橋式整流。當輸入為220 V三相交流電時，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，并且電流相應也比另外兩種方式大，濾波電容不易選取并且會增加調壓器的體積和重量。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。

勵磁主電路如圖8所示，勵磁源來自發電機的輸出， UGENA、UGENB、UGENC經過二極管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 勵磁主電路

3.5 勵磁驅動功率放大電路

功率放大電路的作用是對PWM控制信號實現功率放大，使其能夠驅動主功率管MOS管，電路原理圖如圖9所示。高速驅動開關SN75451的作用是實現邏輯“與”關系。當PWM信號為高電平的時候，SN75451的輸出為高，NPN型三極管Q3導通，拉低MOS管Q5的柵極電壓，從而MOS管關斷，柵源電容上的電荷經過二極管迅速放掉。當PWM信號為低電平的時候，SN75451的輸出為低，NPN型三極管Q3關斷，工作電源通過R49和R37向MOS管Q5的柵源電容充電，當柵極電壓滿足大于開啟電壓的條件時，MOS管隨即導通。電路的F+和F-端分別接在勵磁繞組的兩端。RCD電路的作用是吸收電壓尖峰。

圖9 勵磁驅動功率放大電路

4 數字調壓器的軟件設計

本數字調壓系統的核心為DSP控制器。通過輸入輸出接口電路采樣發電機輸出電壓Ugen、輸出電流Iload、頻率Freq等參數，利用DSP完成調壓算法，最終輸出PWM波控制勵磁電流從而達到調節電壓的目的。

本數字調壓器的DSP控制器采用的是TI公司的型號為TMS320F28335的32位浮點高性能微控器。該控制器擁有強大的數據處理能力，可以對復雜的控制算法進行實時運算，能夠保證數字調壓器的實時控制性能。同時，其數據程序存儲量和A/D轉換的精度可以滿足本調節系統的要求。

DSP最小系統結構圖如圖10所示，包括DSP及其外圍電路。為提高系統的可靠性，降低研制風險，減少研制時間，DSP板采用北京達盛科技有限公司的TechV_28335板卡。板卡通過兩排接口與輸入輸出接口電路板進行連接。

圖10 DSP最小系統結構圖

4.1 軟件總體流程

調壓器軟件總體流程如圖11所示。通過判斷發電機的轉速是否達到規定值來決定調壓器是否工作。當勵磁電壓值低于安全值，關閉調壓系統。

圖11 數字調壓器軟件流程圖

先設置調壓器的初始值，并進行自檢，自檢正確時，初始化工作寄存器，允許A/D中斷。等待A/D轉換后，利用數字值判斷輸出電壓的大小，當其大于一定值時，既可以進行正常調壓，如果不滿足條件則繼續等待A/D中斷。進入正常調壓之后，設置新的中斷矢量，當輸出電壓值低于設置值時，關閉調壓系統，否則繼續進行調壓步驟。

4.2 控制算法結構

調壓器主要有如下幾種控制方式：電壓單環調節、電壓及負載電流雙環調節、電壓及勵磁電流雙環調節[4,9]、輸出電壓反饋調節中加入勵磁電流的調節結構。本文選取電壓、勵磁電流雙環調節系統，其結構如圖12所示。

圖12 電壓、勵磁電流雙環調節系統結構框圖

柴油機組在運行中需要以不同負載對發電機進行加卸載。交流發電機電壓調節器數字控制策略主要有：數字控制策略[10]、自適應的控制策略[11]、模糊控制策略[12]。本文通過調節勵磁電流，控制主發電機的電壓。但是，采樣得到的反饋信號中含有諧波脈動成分，它會影響控制器的穩定性。為此，采用整周期平滑濾波來消除諧波脈動。

發電機在運行過程中，需要施加或者卸去滿載幅度的載荷，在該工作狀態下，系統要求調節時間和超調量滿足相應的要求。一般的PI算法具有在大偏差時積分累積過大以及超調過大的缺點，不能滿足本系統要求。所以，為了提高調壓器的快速性，本文采用復合PID控制算法。

5 實驗

在對調壓器的硬件電路及軟件算法進行測試之后，搭建系統實驗平臺，如圖13所示。其中發電機的額定輸出功率為20 kVA，額定輸出相電壓為230 V，頻率為50 Hz。

圖13 系統實驗平臺框架圖

5.1 逐級加卸載實驗

采用三臺可編程電子負載做逐級加卸載實驗。由于實驗設備的限制，三臺可編程電子負載最大輸出12.9 kVA，因此逐級加載最大只能做到50%～65%，即從10 kVA逐級加載到12.9 kVA。

U=230 V、PF=1條件下，測試結果如表1所示。

表1 逐級加卸載實驗測試結果(U=230V PF=1)

5.2 突加突卸負載實驗

分別進行突加和突卸12.9 kVA阻性負載的實驗，測試結果如表2所示，發電機輸出電壓的波形圖如圖14和圖15所示。可以看出，調壓器分別利用212.5 ms和431.25 ms完成了調壓過程。

表2 突加突卸負載實驗測試結果(U=230V PF=1)

GJB 235A-1997 軍用交流移動電站通用規范規定，指標類別為I的柴油機穩態電壓調整率為±1.0%，瞬態電壓調整率為±15%，電壓穩定時間為0.5 s。表1和表2的實驗結果表明，本數字調壓系統達到了該標準中類別為I的柴油機的要求。

圖14 突加12.9 kVA阻性負載時的電壓波形圖

圖15 突卸12.9 kVA阻性負載時的電壓波形圖

6 總結

本文針對某型車輛柴油發電機設計了基于TMS320F28335芯片的數字調壓器。主要介紹了硬件電路中的非相似雙余度電壓檢測電路、勵磁電流檢測電路、勵磁電壓檢測電路、勵磁主電路和勵磁驅動放大電路。采用以TMS320F28335為核心的DSP最小系統，利用電壓、勵磁電流雙環調節的方式，采用復合型PID軟件控制算法。搭建系統實驗平臺，對調壓器進行逐級加載卸載、突加突卸負載測試，能夠滿足GJB 235A-1997 軍用交流移動電站通用規范中指標類別為I的柴油機功能要求。