基于勵磁繞組回路特性的發電機充電耦合電路設計

唐玉發，孫金海，王東健，矯見波，姜紅元

（73089部隊，江蘇徐州，221004）

0 引言

某型號發電機的主要工作原理是：發動機發動后，發動機輸出軟軸帶動副繞組線圈產生三相交流電，發電機電壓逐漸升高，其三相交流電經內部整流模塊整流后向勵磁繞組供電，此時轉變為自激模式，主繞組生成足夠的電壓，后經過調壓模塊使輸出電壓穩定在28V水平供蓄電池充電[1]。但在設備的實際使用過程中，發動機帶動發電機的輸出軟軸即發電機的輸入軸經常發生斷裂故障導致充電進程中斷，影響整個設備的用電環境和用電要求。因其安裝位置比較特殊，維修任務量較大，維修費時費力。情況時立即切斷充電鏈路，從而保護發電機和蓄電池。通過采樣電壓的數據處理和耦合控制來降低發電機的堵轉電流和堵轉力矩，降低發電機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

對斷裂的發電機輸入軟軸采用斷口觀察、磨損痕跡分析等方法發現斷裂位置有部分扭轉撕扯痕跡，將斷裂現象與理論分析相結合[2-5]，經過仔細分析發現引起發電機輸入軟軸斷裂的因素主要有兩個：一是蓄電池因種種原因性能不達標，其內阻增大導致發動機啟動瞬時蓄電池的電壓壓降幅度過大和蓄電池內部能耗增大；二是電控發動機防凍液升溫的需要，發動機啟動瞬間通常高轉速啟動以達到快速暖機，從而發電機的輸入轉速也被瞬間拉高，發電機的瞬時輸出電壓較高。兩種瞬間的一高一低的壓差變化會導致發電機的堵轉電流急劇加大，發電機產生了非正常的堵轉力矩，但發動機的持續運轉因為啟動快速暖機的作用下幾乎不受影響，從而使發電機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 總體設計方案

根據上述故障分析的兩種因素，擬采用對發電機輸出電壓和蓄電池的端電壓進行采樣保護的手段，設計耦合型充電輔助電路串接于原充電鏈路中，實時采樣監控發電機的輸出電壓和蓄電池的端電壓，按照一定的耦合條件對發電機的負載進行通斷控制，即按設置的充電策略進行充電，發現異常

2.1 硬件設計

依據總體解決方案的思路，硬件控制電路主要區分為采樣控制電路和電源轉換電路兩部分。采樣控制電路的主要作用是按既定策略采樣發電機的輸出電壓和蓄電池的端電壓并進行AD轉換，MCU接收AD轉換化后的數字信號，經內部的耦合控制策略控制充電鏈路的通斷從而對發電機的負載進行通斷控制；電源轉換電路主要作用是利用設備既有的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行有針對性地轉換，完成整個電路正常工作的適配作用。

2.1.1 采樣控制電路設計

考慮到實時監控發電機的輸出電壓和蓄電池的端電壓，采用AD7888ARZ器件進行三通道采樣所需數據并AD轉換成數字信號供后續主MCU使用。模數轉換器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 處理器內核，該內核以高達72 MHz的頻率運行，提供高達64 KB的內置閃存和高達8 KB的SRAM，提供1個12位ADC、1個比較器，5個通用16位定時器，1個PWM高級定時器、2個SPI，2個I2C，2個USART 和1個I2S，采用1.8~3.6V電源供電，可在-40℃~85℃的溫度范圍內工作，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轉換的數字信號并進行數據處理，根據設定的控制策略控制充電鏈路的通斷，從而控制發電機的負載狀態，從而達到保護發電機輸入軟軸的目的[10]。采樣控制電路如圖2所示。

圖2 采樣控制電路

2.1.2 電源轉換電路設計

電源轉換電路部分，因后續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作為一級降壓芯片，將設備既有電源24V轉變為后續設備和元器件的常用工作電壓12V。按需選用IB1205XT-1WR2作為二級降壓芯片，將12V電壓轉換為5V電壓；選用AMS1117作為三級降壓芯片，將5V電壓轉換為3.3V，供GD32E230C8T6和AD7888ARZ使用。電源轉換電路如圖3所示。

圖3 電源轉換電路

2.2 軟件設計

根據總體方案的解決思路和故障分析的兩種因素設計相應的軟件流程圖，如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

系統上電自檢后進入等待發動機啟動狀態，待發動機啟動后自行切斷充電控制鏈路，同時進入正常工作流程。第一步正常啟動后的耦合處理流程為：采集發電機的三相輸出電壓，經AD采樣轉換后，經MCU處理得到的數據進入標壓耦合條件的判定，符合標壓耦合條件即接通發電機與蓄電池的充電控制鏈路，如果不符合相應的標壓耦合條件即轉入再采樣再判定狀態；接通充電鏈路后立即檢測發電機是否超壓，如果超壓立即二次切斷充電控制鏈路，如此反復。第二步超壓后的耦合處理流程為：同時采集發電機的三相電壓和蓄電池端電壓，MCU處理AD數據后進入超壓耦合條件的判定，符合超壓耦合條件即再次接通發電機與蓄電池的充電控制鏈路，如果不符合相應的超壓耦合條件即轉入再采樣再判定狀態；接通充電鏈路后繼而轉入第一步的大循環。

通過軟件流程圖可以看出此充電耦合電路最終實現的功能為：實時監測發電機的輸出電壓和蓄電池的端電壓，發現異常立即切斷充電鏈路，從而控制發電機的負載狀態，從根源上解決發電機輸入軟軸非疲勞斷裂的斷裂故障。

3 試驗驗證

為了驗證電路運行的可靠性和充電鏈路的控制是否有效，對所設計的電路進行PCB加工制作，按照上述軟件流程圖編寫相應的軟件程序，并輔以機加工外殼進行板載固定、功能調試和安裝試驗，如圖5所示。

圖5 硬件PCB和安裝試驗環境

通過安裝試驗，采集到的控制狀態測試信號如圖6所示，上電初始黃線低電平為充電鏈路的常通態，發動機啟動瞬間切斷充電鏈路拉高電平，滿足相應的標壓耦合條件即接通充電鏈路恢復黃線低電平的常通態，試驗測試結果表明發動機啟動瞬間可有效控制充電鏈路的通斷，從而可有效控制發電機負載的通斷狀態。

圖6 試驗測試結果

4 結論

本文詳細介紹了基于GD32E230C8T6和勵磁繞組的充電耦合電路，解決了勵磁式發電機輸入軟軸斷裂的高發故障問題，經過設備的安裝試驗驗證，達到了預期的效果。所設計的充電耦合電路可以實現兩項主要功能：一是實時監控發電機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。兩項主要功能可以保證對蓄電池正常充電的同時還可以保護啟動瞬間和超壓時的發電機和蓄電池的雙向保護，避免發電機輸入軟軸因堵轉力矩過大而被強行扭斷。本充電耦合電路的設計思路具有通用性和可移植性，可以應用于其它他勵激磁發電回路且有固定負載的充電電路中以起到雙向保護的作用。

創新點說明：針對現有勵磁發電機設備的輸入軟軸斷軸現象進行深入分析發現斷軸的產生根源，即：啟動瞬間堵轉電流過大，輸入軸被發動機強行扭斷。從發電機的負載入手按一定的控制策略控制充電鏈路的通斷，間接控制發電機的負載狀態（即滿載和空載），減少因發電機堵轉電流過大導致的斷軸機率，從源頭上解決發電機斷軸的問題，實際應用意義非常顯著，在單位試驗效果良好。