雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，包括雙凸極發(fā)電機(jī)、交-直流轉(zhuǎn)換電路和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，所述交-直流轉(zhuǎn)換電路和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器分別與雙凸極發(fā)電機(jī)電連接，交-直流轉(zhuǎn)換電路與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電連接；其具體調(diào)節(jié)步驟是：以雙凸極發(fā)電機(jī)輸出直流電壓偏差、輸出直流電壓偏差的導(dǎo)數(shù)與積分作為獨(dú)立狀態(tài)變量構(gòu)建一階線性滑模面方程S，并實(shí)時(shí)計(jì)算滑模面方程S的輸出，與由DSP微處理器產(chǎn)生的三角形載波進(jìn)行交截，從而得到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的開關(guān)管Q2的通斷信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流并使發(fā)電機(jī)的輸出直流電壓得以調(diào)節(jié)和穩(wěn)定。本發(fā)明能夠克服發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由于長(zhǎng)期運(yùn)行，結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而導(dǎo)致的發(fā)電性能下降的缺點(diǎn)，并提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
【專利說明】雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明具體涉及一種雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀(jì)90年代由美國(guó)Lipo教授提出的雙凸極電機(jī)，經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，已在 許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。該電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，無(wú)銅損，適合高速運(yùn)行，因而 較適合作高速發(fā)電機(jī)使用。根據(jù)不同的勵(lì)磁方式，雙凸極電機(jī)的衍生型--電勵(lì)磁和混合 勵(lì)磁雙凸極電機(jī)，由于存在勵(lì)磁繞組，調(diào)節(jié)電機(jī)磁場(chǎng)方便，尤其適合發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)合。另外，當(dāng) 發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障而使得輸出電壓過高時(shí)，可以通過切斷勵(lì)磁電流進(jìn)行發(fā)電機(jī)滅磁，使輸出 電壓為零。盡管針對(duì)電勵(lì)磁和混合勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（即發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器） 很早就被人提出并加以應(yīng)用，但其控制方式依然是傳統(tǒng)的輸出電壓反饋PI控制，動(dòng)態(tài)性能 較差，后經(jīng)改進(jìn)，引入了勵(lì)磁電流前饋控制，改善了發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。發(fā)電機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行 狀態(tài)下，由于溫度等環(huán)境因素變化，發(fā)電機(jī)各相繞組的電阻將會(huì)增加，為維持既定的輸出功 率，勵(lì)磁電流將會(huì)增大，以維持輸出恒定的電樞電流，發(fā)電機(jī)的參數(shù)將會(huì)改變，其發(fā)電機(jī)輸 出電壓與勵(lì)磁電流輸入間的傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生改變，原有的固定PI參數(shù)就不一定是 最佳參數(shù)，發(fā)電機(jī)性能下降，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，發(fā)電機(jī)的輸出電壓跌落低于6. 5V，且其勵(lì) 磁電流變化在7. 5-15A之間，而輸出電壓恢復(fù)時(shí)間在500ms。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是：提供一種能夠克服發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由于長(zhǎng)期運(yùn)行，結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而 導(dǎo)致的發(fā)電性能下降的缺點(diǎn)，并提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法， 以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法， 包括雙凸極發(fā)電機(jī)、與負(fù)載電路電連接的交-直流轉(zhuǎn)換電路以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器；所述雙凸極 發(fā)電機(jī)的A、B、C三相電壓輸出端與交-直流轉(zhuǎn)換電路的輸入端電連接，交-直流轉(zhuǎn)換電路 的輸出端與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器相應(yīng)的連接端電連接，所述雙凸極發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組連接端與勵(lì)磁 調(diào)節(jié)器相應(yīng)的連接端電連接，其創(chuàng)新點(diǎn)在于，其具體控制步驟是： 步驟a、所述勵(lì)磁調(diào)節(jié)器包括勵(lì)磁功率變換器，而勵(lì)磁功率變換器包括開關(guān)管Qp Q2，且 開關(guān)管％為恒導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)所述交-直流轉(zhuǎn)換電路的濾波電路的電容G值和負(fù)載電路的 最大負(fù)載值兄，建立勵(lì)磁功率變換器的開關(guān)管Q 2的滑模方程S ;方程表達(dá)式如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，包括雙凸極發(fā)電機(jī)（1)、與負(fù)載電路（4)電連 接的交-直流轉(zhuǎn)換電路（2)以及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（3);所述雙凸極發(fā)電機(jī)（1)的A、B、C三相電壓 輸出端與交-直流轉(zhuǎn)換電路（2)的輸入端電連接，交-直流轉(zhuǎn)換電路（2)的輸出端與勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器（3 )相應(yīng)的連接端電連接，所述雙凸極發(fā)電機(jī)（1)的勵(lì)磁繞組連接端與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（3 ) 相應(yīng)的連接端電連接，其特征在于，其具體控制步驟是： 步驟a、所述勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（3)包括勵(lì)磁功率變換器（3-4)，而勵(lì)磁功率變換器（3-4)包括 開關(guān)管Qi、Q2，且開關(guān)管％為恒導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)所述交-直流轉(zhuǎn)換電路（2)的濾波電路（2-2) 的電容G值和負(fù)載電路（4)的最大負(fù)載值 <，建立勵(lì)磁功率變換器（3-4)的開關(guān)管Q2的滑 模方程S ;方程表達(dá)式如下：
公式1 其中〃2、表示的是滑模系數(shù)，，表示的是經(jīng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（3)的輸出電壓 檢測(cè)電路（3-2 )處理后輸出的電壓縮放比例；，/6；表示的是經(jīng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（3 )的電容電流 檢測(cè)電路（3-1)處理后輸出的電壓縮放比例必為雙凸極發(fā)電機(jī)（1)通過交-直流轉(zhuǎn)換電 路（2)輸出的直流電壓參考值而為雙凸極發(fā)電機(jī)（1)輸出的三相電壓送至交-直流轉(zhuǎn)換 電路（2)得到的直流電壓4表示當(dāng)前采樣時(shí)刻；％ U)為所述直流電壓％在經(jīng)過輸出電壓 檢測(cè)電路（3-2)后當(dāng)前采樣時(shí)刻的值[幻為流過電容的電流經(jīng)過電容電流檢測(cè)電 路（3-1)后當(dāng)前采樣時(shí)刻的值；Γ為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（3)的DSP微處理器（3-3)的定時(shí)器T1所 設(shè)定的采樣周期；eR]為雙凸極發(fā)電機(jī)（1)輸出的直流電壓參考值G與％ U)的差值;Z 為雙凸極發(fā)電機(jī)（1)的電感，其值為A相和B相的相電感之和減去2倍的A、B相間互感； 由公式1可得：
公式2 由公式2得：
上述的公式2和公式3中，S[幻為當(dāng)前采樣時(shí)刻的滑模方程S輸出的值;1?[左-1]為前 一采樣時(shí)刻的滑模方程S輸出的值；Λ ^[幻為當(dāng)前采樣時(shí)刻的滑模方程S輸出的增量，即 為滑模方程^在當(dāng)前采樣時(shí)刻輸出值SR]與前一采樣時(shí)刻輸出值SB-ι]之差；/aR-1] 為流過電容C；的電流經(jīng)過電容電流檢測(cè)電路（3-1)后前一采樣時(shí)刻的值;e[A-l]為直流電 壓參考值仏與前一采樣時(shí)刻％ U-1)的差值； 步驟b、由所述勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（3)的DSP微處理器（3-3)進(jìn)行功能口設(shè)定并初始化變量； 將DSP微處理器（3-3)的PWMUPWM2 口定義為I/O 口，并初始化模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADCINAO 和 ADCINA1 ;設(shè)定"r=0、"0 (左）=0、"0[k-l]=0、Jc。[幻=0、Jc。[左_1]=0、e [左]=0、e[Fl]=0、 外幻=0、外左-1]=0、Λ外幻=0;根據(jù)公式1進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，并設(shè)定^、^、〃3的值； 步驟c、初始化DSP微處理器（3-3)的定時(shí)器Τ1，并由定時(shí)器Τ1管理AD中斷，定義并 使能AD中斷；初始化DSP微處理器（3-3)的定時(shí)器Τ2,并產(chǎn)生固定頻率的三角形載波： 設(shè)定所述DSP微處理器（3-3)中定時(shí)器Τ1的工作模式為連續(xù)增模式，且設(shè)定定時(shí)器Τ1 的周期寄存器T1PR中的值，并初始化定時(shí)器Τ1的計(jì)數(shù)寄存器T1CNT中的值為零，利用定時(shí) 器Τ1的周期中斷響應(yīng)啟動(dòng)AD中斷，即AD中斷的響應(yīng)條件為定時(shí)器Τ1的計(jì)數(shù)寄存器Τ1CNT 中的值等于定時(shí)器Τ1的周期寄存器T1PR中的設(shè)定值； 設(shè)定DSP微處理器（3-3)中定時(shí)器Τ2的工作模式為連續(xù)增減模式，且定時(shí)器Τ2的計(jì) 數(shù)寄存器T2CNT中的值為零；定時(shí)器Τ2的周期寄存器T2PR中的設(shè)定值為：
公式4 上述公式4中，/"為定時(shí)器Τ2的工作頻率，/s為所造三角載波的頻率；定時(shí)器Τ1的 周期寄存器T1PR中的設(shè)定值小于定時(shí)器T2的周期寄存器T2PR中的設(shè)定值； 啟動(dòng)定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)寄存器T1CNT和定時(shí)器T2的計(jì)數(shù)寄存器T2CNT，由所述DSP微處 理器（3-3)的定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)寄存器T1CNT開始進(jìn)行計(jì)數(shù)；所述DSP微處理器（3-3)的定 時(shí)器T2的計(jì)數(shù)寄存器T2CNT開始進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生固定頻率為/；的三角形載波； 步驟d、當(dāng)定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)寄存器T1CNT中的值等于定時(shí)器T1的周期寄存器T1PR中 的設(shè)定值時(shí)，響應(yīng)AD中斷，計(jì)數(shù)寄存器T1CNT自動(dòng)清零，檢測(cè)當(dāng)前時(shí)刻雙凸極發(fā)電機(jī)（1)通 過交-直流轉(zhuǎn)換電路（2)輸出的直流電壓％，并送至DSP微處理器（3-3)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道 ADCINA1進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到當(dāng)前時(shí)刻的雙凸極發(fā)電機(jī)輸出檢測(cè)電壓％ α);檢測(cè)流過濾 波電路（2-2 )的電容Q的電流，并送至DSP微處理器（3-3 )的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道ADCINA0進(jìn) 行模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到當(dāng)前時(shí)刻的電容電流[幻； 步驟e、計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻%[幻；并按公式2計(jì)算滑模面方程S輸出在當(dāng)前時(shí) 刻的增量和外幻；比較外幻與周期寄存器T2PR中的設(shè)定值/"/(2尤），若外幻彡 周期寄存器T2PR中的設(shè)定值/"及2_/；)，則開通開關(guān)管Q2，且令s[幻=周期寄存器T2PR中 的設(shè)定值/n/CM；);否則，比較<0是否成立，若<0,則關(guān)斷開關(guān)管Q2，并令 外幻=〇 ;否則，比較外幻與計(jì)數(shù)寄存器T2CNT中的值，若彡計(jì)數(shù)寄存器T2CNT中的值， 則開關(guān)管92導(dǎo)通，勵(lì)磁電流上升，雙凸極發(fā)電機(jī)（1)通過交-直流轉(zhuǎn)換電路（2)輸出的直流 電壓上升；若〈計(jì)數(shù)寄存器T2CNT中的值，則開關(guān)管Q 2關(guān)斷，勵(lì)磁電流下降，雙凸極發(fā) 電機(jī)（1)通過交-直流轉(zhuǎn)換電路（2 )輸出的直流電壓減?。? 再按如下公式更新數(shù)值，以便進(jìn)行在下一次AD中斷響應(yīng)時(shí)，計(jì)算滑模面方程S輸出并 給出開關(guān)管Q2的通斷狀態(tài)，
公式5 在更新數(shù)值后，則開關(guān)管Q2完成了 1次通斷調(diào)整；當(dāng)定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)寄存器T1CNT中 的值再次等于定時(shí)器T1的周期寄存器T1PR中的設(shè)定值時(shí)，重復(fù)步驟d和步驟e，通過實(shí)時(shí) 對(duì)開關(guān)管Q2通斷的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)對(duì)雙凸極發(fā)電機(jī)（1)通過交-直流轉(zhuǎn)換電路（2)輸出直流 電壓的調(diào)整。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，其特征在于：所述勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器（3 )還包括勵(lì)磁電流檢測(cè)電路（3-5 )，所述雙凸極發(fā)電機(jī)（1)的勵(lì)磁繞組連接端和DSP 微處理器（3-3)分別與勵(lì)磁電流檢測(cè)電路（3-5)相應(yīng)的連接端電連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，其特征在于：所述勵(lì)磁電 流檢測(cè)電路（3-5)包括電阻&、R 8和檢測(cè)雙凸極發(fā)電機(jī)（1)勵(lì)磁繞組電流的電流傳感器 LEM2,所述電阻&的一端與雙凸極發(fā)電機(jī)（1)的勵(lì)磁繞組連接輸出端電連接，電阻R6的另 一端通過電流傳感器LEM2與勵(lì)磁功率變換器（3-4)相應(yīng)的連接端電連接，電阻R 8的一端與 電流傳感器LEM2的檢測(cè)端以及DSP微處理器（3-3)相應(yīng)的連接端電連接，電阻R8的另一端 接地。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，其特征在于：所述濾波電 路（2-2)具有與負(fù)載電路（4)電連接的連接端子E、F;所述濾波電路（2-2)還包括電流傳 感器LEM1和電阻R 7，電容Q與電流傳感器LEM1串接并引出連接端子E、F，且連接端子E、 F與負(fù)載電路（4)的兩端相并聯(lián)，電流傳感器LEM1的檢測(cè)端與電阻R7的一端以及電容電流 檢測(cè)電路（3-1)相應(yīng)的輸入端電連接，電阻R 7的另一端接地，電流傳感器LEM1的電源端接 電源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，其特征在于：所述勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器（3)的輸出電壓檢測(cè)電路（3-2)是由分壓電阻構(gòu)成的電壓檢測(cè)電路，或者是由運(yùn)算放 大器構(gòu)成差動(dòng)式電壓檢測(cè)電路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，其特征在于：所述勵(lì)磁調(diào) 節(jié)器（3)的勵(lì)磁功率變換器（3-4)還包括勵(lì)磁電源U f和二極管D11、D12 ;所述開關(guān)管％的 漏極與二極管D11的陰極以及勵(lì)磁電源Uf的正極電連接，開關(guān)管％的源極與二極管D12的 陰極以及雙凸極發(fā)電機(jī)（1)的勵(lì)磁繞組連接輸入端電連接；所述開關(guān)管Q 2的源極與二極管 D12的陽(yáng)極以及勵(lì)磁電源Uf的負(fù)極電連接，開關(guān)管〇2的漏極與二極管D11的陽(yáng)極電連接并 經(jīng)勵(lì)磁電流檢測(cè)電路（3-5)與雙凸極發(fā)電機(jī)（1)的勵(lì)磁繞組連接輸出端電連接；開關(guān)管％ 的柵極和開關(guān)管Q 2的柵極分別與DSP微處理器（3-3)相應(yīng)的連接端電連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙凸極發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)控制方法，其特征在于：所述電容電 流檢測(cè)電路（3-1)包括運(yùn)算放大器I和二極管屯、d 2 ;所述輸出電壓檢測(cè)電路（3-2 )是運(yùn)算 放大器構(gòu)成差動(dòng)式電壓檢測(cè)電路，包括運(yùn)算放大器U2、U3，二極管(1 3、(14，電阻R3、R4、R5、R 9;K 述電阻R4的一端、電阻R9的一端同時(shí)與運(yùn)算放大器u3的同相端電連接，而電阻R 9的另一端 接地，電阻R4的另一端與濾波電路（2-2)的連接端子E電連接；所述濾波電路（2-2)的連接 端子F經(jīng)電阻R 3與運(yùn)算放大器U3的反相端電連接，電阻R5跨接在運(yùn)算放大器U3的輸出端 和反相端之間，并與電阻R 3構(gòu)成電壓縮放比例模塊；所述運(yùn)算放大器U3的輸出端與運(yùn)算放 大器U2的同相端電連接，而運(yùn)算放大器U 2的反相端與運(yùn)算放大器U2的輸出端電連接，并構(gòu) 成電壓跟隨模塊；所述運(yùn)算放大器U2的輸出端同時(shí)與二極管d 3的陽(yáng)極以及二極管d4的陰 極電連接，并與DSP微處理器（3-3)相應(yīng)的連接端電連接，二極管d 3的陰極與電源電連接， 二極管d4的陽(yáng)極接地；所述運(yùn)算放大器仏的同相端與濾波電路（2-2)相應(yīng)的連接端電連 接，運(yùn)算放大器Α的反相端與運(yùn)算放大器仏的輸出端電連接，并同時(shí)與二極管屯的陽(yáng)極以 及二極管d 2的陰極電連接，以及與DSP微處理器（3-3)相應(yīng)的連接端電連接，二極管屯的 陰極與電源電連接，二極管d 2的陽(yáng)極接地。
【文檔編號(hào)】H02P9/14GK104113248SQ201410375850
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】戴衛(wèi)力, 丁駿, 田 浩 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)