引 言

 

　　數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以其適應(yīng)性強(qiáng)、功能擴(kuò)展方便、勵(lì)磁調(diào)節(jié)性能好及可靠性高等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到人們的重視,并得到了廣泛應(yīng)用。然而,由于數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置造價(jià)相對(duì)較高,至今難以應(yīng)用在汽油發(fā)電機(jī)組上。針對(duì)上述情況,本文提出了一種應(yīng)用于小型汽油發(fā)電機(jī)組的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,并在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能的分析試驗(yàn)。該調(diào)節(jié)器的控制電路由AT89C51單片機(jī)為核心的數(shù)字電路構(gòu)成,采用脈寬調(diào)制(PWM)直流斬控方式來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流,并采用改進(jìn)型PID控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。整個(gè)調(diào)節(jié)器除了具有數(shù)字式調(diào)節(jié)器應(yīng)有的優(yōu)點(diǎn)外,還具有體積小、造價(jià)低等特點(diǎn),很適合在小型汽油發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用和推廣。

 

　　1、數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本原理

 

　　1.1 數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

 

　　本文所提出的數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在設(shè)計(jì)上有兩個(gè)特點(diǎn):一是反饋電壓值的多點(diǎn)采樣;二是采用PWM直流斬波方式調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓。

 

　　(1)反饋電壓值的多點(diǎn)采樣,提高了調(diào)節(jié)精度。反饋電壓值的測(cè)取精度直接影響著勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)精度及發(fā)電機(jī)組的性能。為了得到每個(gè)調(diào)節(jié)周期中精確的電壓有效值,本設(shè)計(jì)采用周期采樣和電壓采樣同步進(jìn)行的方式。由采樣所得周期來(lái)確定采樣點(diǎn)時(shí)刻,且采用多點(diǎn)采樣的方法,采樣次數(shù)根據(jù)本試驗(yàn)程序上的安排以及單片機(jī)在整個(gè)周期所作的工作要求,選取n=10來(lái)實(shí)現(xiàn)有效值的測(cè)量。

 

　　(2)采用PWM方式調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流是當(dāng)前比較先進(jìn)的技術(shù)。該數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器也采用了這種技術(shù),并將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)與發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組串聯(lián),對(duì)勵(lì)磁電壓進(jìn)行PWM直流斬波調(diào)節(jié)電壓,從而調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小。

 

　　PWM直流斬波方式具有以下優(yōu)點(diǎn):開關(guān)頻率較高;僅靠勵(lì)磁繞組電感的濾波作用就足以獲得脈動(dòng)很小的直流電流;勵(lì)磁電流容易連續(xù);磁通的運(yùn)行平穩(wěn);調(diào)壓范圍較寬,可達(dá)1B10 000;電流波形比分流系統(tǒng)好,在相同的平均電流情況下,發(fā)電機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小;負(fù)載突變時(shí),快速響應(yīng)性能好,動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng);電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗較小,調(diào)節(jié)器效率較高。

 

　　1.2 數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件構(gòu)成

 

　　數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件原理圖如圖1所示。由圖可知:硬件電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高。

 

　　圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件原理圖

 

　　數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要由四個(gè)部分組成。

 

　　(1)主控模塊。其主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, PWM脈沖產(chǎn)生,占空比控制和調(diào)節(jié)以及PID控制算法的實(shí)現(xiàn)等。

 

　　(2)數(shù)據(jù)采集部分。實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓信號(hào)周期以及有效值的測(cè)取,并將測(cè)量值輸入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。整個(gè)模塊以ADC0809為核心,對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,并將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)整形后供單片機(jī)同步采集周期信號(hào),作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)確定的依據(jù)。

 

　　(3)功率驅(qū)動(dòng)模塊。其功能是使得單片機(jī)輸出的PWM脈沖波能夠達(dá)到驅(qū)動(dòng)IGBT的需要,同時(shí)要有光電隔離電路,增加系統(tǒng)的抗干擾性能。

 

　　(4)勵(lì)磁主回路部分。其功能是為同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈提供勵(lì)磁電壓。

 

　　該數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程是:發(fā)電機(jī)輸出電壓下降)周期檢測(cè))確定多點(diǎn)采樣點(diǎn)位置)電壓多點(diǎn)采樣)單片機(jī)計(jì)算有效值)自適應(yīng)PID調(diào)節(jié))PWM脈沖寬度增加)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓增加)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增加)發(fā)電機(jī)輸出電壓增加。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓升高時(shí),調(diào)節(jié)過(guò)程則與上述相反。

 

　　2、數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件構(gòu)成

 

　　數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其主程序流程如圖2所示。各種功能都由相應(yīng)的子程序來(lái)完成,通用性強(qiáng),可適應(yīng)不同的要求。調(diào)節(jié)器上電后首先執(zhí)行的是初始化和自檢,初始化包括標(biāo)志位和變量的初始化、中斷初始化、以及各種程序模塊的初始化等;初始化結(jié)束以后,表明勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已準(zhǔn)備就緒,接著程序進(jìn)入起勵(lì)的設(shè)置和起勵(lì)條件的判別,勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等待轉(zhuǎn)速信號(hào),在發(fā)電機(jī)開機(jī)而轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的95%之前將電壓給定值設(shè)置在空載額定位置,轉(zhuǎn)速一旦達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的95%,則主程序立刻進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)中首先是數(shù)據(jù)采集和處理部分,主要由2個(gè)子模塊組成:發(fā)電機(jī)輸出交流電壓采樣處理子模塊、發(fā)電機(jī)輸出交流電壓周期采樣處理子模塊;然后進(jìn)入采樣點(diǎn)確定子模塊,它利用所測(cè)取輸出交流電壓周期和選取的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)確定采樣點(diǎn)的具體時(shí)間和位置。

 

　　圖2 數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件流程圖

 

　　得到輸出交流電壓的有效值; PID調(diào)節(jié)計(jì)算模塊將采集的數(shù)據(jù)結(jié)果與額定值進(jìn)行比較,并計(jì)算出輸出PWM脈沖的占空比,進(jìn)而對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。

 

　　3、改進(jìn)型PID控制策略的設(shè)計(jì)

 

　　改進(jìn)型PID數(shù)字控制是本勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的核心部分。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng),而PID算法是一種線性控制算法。因此,單一的PID控制算法是不能徹底解決勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性問(wèn)題的。從工程實(shí)際出發(fā),采用自適應(yīng)PID控制策略,即根據(jù)發(fā)電機(jī)組工況和負(fù)載的變化,動(dòng)態(tài)地改變PID參數(shù),以減小或消除勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非線性因素。

 

　　數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值來(lái)計(jì)算控制量。因此,必須對(duì)PID模型進(jìn)行離散化處理,用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)的微分方程。

 

　　汽油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以建立精確的數(shù)學(xué)模型,且動(dòng)態(tài)過(guò)程的各個(gè)階段對(duì)控制增量要求不盡相同,需對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)整定。針對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性特點(diǎn),對(duì)基本算法進(jìn)行了以下改進(jìn)。

 

　　(1)為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、增加穩(wěn)定性,在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,摸索出勵(lì)磁調(diào)節(jié)過(guò)程不同階段(發(fā)電機(jī)組不同負(fù)載變化)所需的PID參數(shù),由控制程序根據(jù)實(shí)際勵(lì)磁調(diào)節(jié)的需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,即采用自適應(yīng)PID控制策略。

 

　　(2)將控制參數(shù)與發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了匹配試驗(yàn),確定了控制參數(shù)輸出量中的開環(huán)基值,即前饋補(bǔ)償值,該值的引入將會(huì)減小閉環(huán)調(diào)整時(shí)間。

 

　　(3)在勵(lì)磁調(diào)節(jié)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)突加和突卸負(fù)載的工況,輸出電壓波動(dòng)及偏差較大,此時(shí)由于積分環(huán)節(jié)的積累作用,導(dǎo)致超調(diào)量過(guò)大,嚴(yán)重影響勵(lì)磁調(diào)節(jié)的品質(zhì)。為避免PID控制中積分項(xiàng)引起的超調(diào),提高其調(diào)節(jié)品質(zhì),采用積分分離算法,即僅僅使用PD項(xiàng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

 

　　4、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能分析試驗(yàn)

 

　　試驗(yàn)對(duì)象是一臺(tái)汽油發(fā)電機(jī)組,同步發(fā)電機(jī)為單相自勵(lì)有刷同步發(fā)電機(jī),輸出額定功率為2000W。動(dòng)態(tài)性能分析試驗(yàn)主要研究在發(fā)電機(jī)組突加負(fù)載和突卸負(fù)載時(shí),輸出電壓的瞬時(shí)電壓調(diào)整率和穩(wěn)定時(shí)間等性能指標(biāo)與數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置控制參數(shù)之間的關(guān)系。

 

　　發(fā)電機(jī)組突加負(fù)載和突卸負(fù)載的過(guò)程是:當(dāng)發(fā)電機(jī)組處于空載穩(wěn)定工況時(shí),發(fā)電機(jī)組突加額定負(fù)載2 000W,測(cè)取輸出電壓變化的情況;待輸出電壓穩(wěn)定以后,再突然卸去全部負(fù)載,同時(shí)測(cè)取發(fā)電機(jī)組突卸負(fù)載時(shí)輸出電壓的變化。從而得到系統(tǒng)突加和突卸負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)壓特性。

 

　　分析動(dòng)態(tài)過(guò)程發(fā)電機(jī)組輸出電壓變化的情況,確定數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制參數(shù)對(duì)發(fā)電機(jī)組輸出電壓影響的趨勢(shì),從而優(yōu)化控制參數(shù),達(dá)到更好的調(diào)節(jié)性能。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,仍然分為突加負(fù)荷和突卸負(fù)荷兩種工況進(jìn)行分析。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題,針對(duì)發(fā)電機(jī)組突加和突卸全部負(fù)荷過(guò)程的曲線進(jìn)行詳細(xì)分析,得出最佳的控制調(diào)節(jié)量。以突加全部負(fù)載為例,突卸全部負(fù)載與突加全部負(fù)載相類似,這里不加贅述。

 

　　當(dāng)發(fā)電機(jī)組處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí),突然加上全部負(fù)載,直到再次穩(wěn)定下來(lái),整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖3所示。

 

　　圖3 發(fā)電機(jī)突加負(fù)載過(guò)渡過(guò)程曲線圖

 

　　由圖3可知,在發(fā)電機(jī)突加負(fù)載的過(guò)渡過(guò)程中,滿負(fù)荷的突加對(duì)輸出電壓的影響最大,進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)是提高調(diào)節(jié)裝置性能的關(guān)鍵所在。如圖3所示:在OA段突加全部負(fù)載,輸出電壓迅速下降,此時(shí)勵(lì)磁電流應(yīng)迅速增大,減小輸出電壓變化的最大值(降低A點(diǎn)電壓),但隨之會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)量,使得穩(wěn)定時(shí)間變長(zhǎng);在AB段,由于PWM脈沖占空比迅速增大,使得輸出電壓也迅速上升,輸出電壓的第二個(gè)峰值變大,增加輸出電壓穩(wěn)定時(shí)間,因此在該段可以適當(dāng)消除超調(diào)量; BC段應(yīng)及時(shí)消除超調(diào)量,減小第二個(gè)峰值,縮短穩(wěn)定時(shí)間,盡快使輸出電壓穩(wěn)定下來(lái)。

 

　　根據(jù)以上分析,分別對(duì)OA段、AB段和BC段進(jìn)行修改控制程序的調(diào)節(jié)量,選取3組不同的控制參數(shù),分別進(jìn)行試驗(yàn),記錄試驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)結(jié)果分析各階段控制參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)裝置動(dòng)態(tài)性能的影響。

 

　　(1)加大OA段控制程序的調(diào)節(jié)量,保持AB和BC段控制程序的調(diào)節(jié)量不變,分別測(cè)量3次,每次的調(diào)節(jié)量依次遞增,輸出電壓動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)如表1所示。

 

　　表1 OA段控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)表

 

　　(2)加大AB段控制程序的調(diào)節(jié)量,保持OA和BC段控制程序的調(diào)節(jié)量不變,分別測(cè)量3次,每次的調(diào)節(jié)量依次遞增,輸出電壓動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)如表2所示。

 

　　表2 AB段控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)表

 

　　(3)加大BC段控制程序的調(diào)節(jié)量,保持OA和AB段控制程序的調(diào)節(jié)量不變,分別測(cè)量3次,每次的調(diào)節(jié)量依次遞增,輸出電壓動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)如表3所示。

 

　　表3 段控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)表

 

　　由試驗(yàn)結(jié)果可知:加大OA段控制程序的調(diào)節(jié)量,能夠降低機(jī)端電壓的變化量,減小瞬態(tài)電壓調(diào)整率,但穩(wěn)定時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),其原因是加大OA段的調(diào)節(jié)量會(huì)使得超調(diào)增大;加大AB段和BC段控制程序的調(diào)節(jié)量,減小了超調(diào),同時(shí)也縮短了穩(wěn)定時(shí)間,而且加大BC段控制程序的調(diào)節(jié)量,調(diào)壓性能較好,可以使得瞬態(tài)電壓調(diào)整率達(dá)到5. 15%,穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到2. 1 s。因此,恰當(dāng)選取AB段和BC段的調(diào)節(jié)量,能有效地減小超調(diào)量,降低瞬態(tài)電壓調(diào)整率,縮短穩(wěn)定時(shí)間。

 

　　結(jié) 語(yǔ)

 

　　實(shí)踐證明,數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)合理,且體積小、造價(jià)低,適合應(yīng)用在汽油發(fā)電機(jī)組上。通過(guò)對(duì)數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,不難看出,選擇適合的控制參數(shù)是提高勵(lì)磁調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)性能的重要因素,并且在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器良好性能的基礎(chǔ)上,有效地改善了輸出電壓的電壓調(diào)整率及穩(wěn)定時(shí)間等性能指標(biāo)。試驗(yàn)用小型汽油發(fā)電機(jī)組輸出電壓各方面性能都達(dá)到了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平,使國(guó)內(nèi)小型汽油發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)出口局限性的問(wèn)題得以有效解決,并為今后同類型產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)提供了積極的參考價(jià)值。