圖1為可控硅半控整流電路拓?fù)?。三相半控整流電路?個(gè)可控硅和3個(gè)二極管組成。3個(gè)可控硅共陰極連接，其觸發(fā)脈沖互差1/3周期。當(dāng)相電壓最大的那相可控硅被觸發(fā)導(dǎo)通后，負(fù)載電流從該可控硅流出至相電壓最小的那路流回。設(shè)相電壓為Ua，控制角為α，則直流輸出電壓可表示為:

　Ud=1.17Ua(1+cosα) (1)

　通過改變控制角α可控制直流輸出電壓Ud。

　圖1 半控整流電路拓?fù)?/span>

　2、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　圖2為永磁汽油發(fā)電機(jī)整流控制系統(tǒng)框圖，它由電壓采樣電路、同步信號(hào)調(diào)理電路、脈沖放大電路和控制器數(shù)據(jù)處理等部分組成。

　圖2 整流控制系統(tǒng)框圖

　2.2同步信號(hào)調(diào)理

　線電壓Uac與相電壓Ua相位差為30°，設(shè)計(jì)時(shí)以交流電信號(hào)Uac調(diào)理為同步信號(hào)后作為A相觸發(fā)信號(hào)的起始相位參考。圖3為同步信號(hào)調(diào)理電路圖，將發(fā)電機(jī)輸出的交流電信號(hào)Ua和Uc經(jīng)光耦進(jìn)行隔離輸出，產(chǎn)生近似方波信號(hào)，光耦輸出信號(hào)再經(jīng)過積分電路、前后沿凈化電路，消除前后沿干擾信號(hào)，將最終產(chǎn)生的同步信號(hào)送到控制器的捕捉輸入I/O口。捕捉輸入I/O口在同步信號(hào)的上升沿，將計(jì)數(shù)時(shí)間保存在相應(yīng)的寄存器中。

　圖3 同步信號(hào)調(diào)理電路圖

　同步信號(hào)的作用是使控制器能在每個(gè)周期相同的時(shí)刻產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，使對應(yīng)的可控硅導(dǎo)通。圖4為同步信號(hào)Usyn和線電壓Uac的波形圖，Usyn為0～5V的方波，對應(yīng)左側(cè)坐標(biāo)，Uac為高壓正弦波，對應(yīng)右側(cè)坐標(biāo)。

圖4 同步信號(hào)波形圖

　2.3觸發(fā)角控制

　控制器根據(jù)電壓采樣電路測得的反饋直流電壓Ud與預(yù)設(shè)參考電壓Ur比較后，通過數(shù)字PID控制器計(jì)算觸發(fā)信號(hào)控制角α，使輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)置值。

　對三相半控橋的觸發(fā)控制采用增量式PID控制算法[7]，其公式為:

　Δu(k)=K{pe(k)-e(k-1)+(T/TI)*e(k)+TD/T[e(k)-2e(k-1)+e(k-2})] (2)

　數(shù)字PID控制器主要參數(shù)是比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，式中的T為采樣周期。采用歸一參數(shù)整定法:令T=0.1Tk;TI=0.5Tk;TD=0.125Tk，式中Tk為純比例作用下的臨界振蕩周期。則:

　Δu(k)=Kp[2.45e(k)-3.5e(k-1)+1.25e(k-2)] (3)

　問題簡化為整定參數(shù)Kp，改變Kp并觀察控制效果。在本系統(tǒng)中，通過多次試驗(yàn)比較控制效果，考慮到Kp過大時(shí)系統(tǒng)超調(diào)會(huì)隨之增大，容易產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，經(jīng)過多次試驗(yàn)，采用分段PID控制。當(dāng)電壓誤差在50V以內(nèi)時(shí)，Kp取3，當(dāng)誤差在50V以上時(shí)，Kp取8，使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作且負(fù)載突變時(shí)具有較快的響應(yīng)。

　2.4觸發(fā)脈沖生成

　圖5為控制器的主程序流程圖。同步信號(hào)送入控制器dsPIC30F2010的捕捉輸入I/O口，當(dāng)同步信號(hào)的上升沿來臨時(shí)產(chǎn)生中斷，以兩次上升沿之間的定時(shí)器3計(jì)數(shù)差值計(jì)算同步信號(hào)周期T，并判斷測得的信號(hào)周期是否落在有效工作頻率范圍內(nèi)，對異常擾動(dòng)不動(dòng)作。當(dāng)同步信號(hào)周期有效，使能觸發(fā)輸出。

　根據(jù)測得的同步信號(hào)上升沿作為觸發(fā)的相位調(diào)節(jié)基準(zhǔn)計(jì)算控制角，在捕捉中斷子程序中按算得的控制角作相應(yīng)延遲，由控制器的I/O口產(chǎn)生A相觸發(fā)信號(hào)，并啟動(dòng)定時(shí)器1。在A相觸發(fā)產(chǎn)生后延遲T/3，進(jìn)入定時(shí)器1中斷子程序，根據(jù)控制角作相應(yīng)延遲，由控制器的I/O口產(chǎn)生B相觸發(fā)信號(hào)，并啟動(dòng)定時(shí)器2，關(guān)閉定時(shí)器1。在B相觸發(fā)產(chǎn)生后延遲T/3，進(jìn)入定時(shí)器2中斷子程序，根據(jù)控制角作相應(yīng)延遲，由控制器的I/O口產(chǎn)生C相觸發(fā)信號(hào)，并關(guān)閉定時(shí)器2。

　圖5 控制器的主程序流程圖

　當(dāng)下一周期三相交流電信號(hào)輸入時(shí)，重復(fù)步驟以上步驟，各相信號(hào)的起始相位與觸發(fā)控制角即時(shí)更新，與輸入的三相交流電相位保持同步，控制器產(chǎn)生的三路觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過脈沖放大電路將觸發(fā)信號(hào)發(fā)大，控制相應(yīng)的可控硅。算得的控制角乘以周期補(bǔ)償系數(shù)T2/T1(T2為當(dāng)前時(shí)刻的信號(hào)周期值，T1為上一時(shí)刻的信號(hào)周期值)為實(shí)際控制角α，以快速跟蹤頻率不斷變化的電壓信號(hào)，改變相應(yīng)可控硅的導(dǎo)通時(shí)刻，進(jìn)而改變整流輸出，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的閉環(huán)控制。

　圖6 脈沖放大電路

　為滿足可控硅門極對觸發(fā)脈沖功率的要求，采用脈沖變壓器對控制器I/O口輸出的觸發(fā)脈沖進(jìn)行隔離、放大后加至可控硅的門極。圖6為其中一路脈沖放大電路，DRVA為經(jīng)過放大的A相觸發(fā)脈沖信號(hào)。

　3、試驗(yàn)結(jié)果

　永磁汽油發(fā)電機(jī)額定功率1kW，輸出電壓為300～600V，頻率為400～700Hz，整流電壓Ud設(shè)為340V。如圖7所示，在負(fù)載不變的情況下，輸出電壓Ud十分穩(wěn)定。進(jìn)行負(fù)載切換試驗(yàn)，由600W加至1000W的整流電壓輸出波形如圖7(a)所示，由1000W減至200W的整流電壓輸出波形如圖7(b)所示?？梢钥闯鲇奢p載到重載時(shí)整流電壓降低后恢復(fù)迅速，響應(yīng)時(shí)間在100ms左右，由重載到輕載時(shí)整流電壓過沖較小，響應(yīng)迅速。

圖7 負(fù)載切換時(shí)整流電壓輸出波形

　4、結(jié)束語

　圍繞永磁汽油發(fā)電機(jī)整流穩(wěn)壓技術(shù)，使用dsPIC芯片控制可控硅半控整流電路的觸發(fā)，使得觸發(fā)電路具有集成度高、控制方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的基于dsPIC的永磁汽油發(fā)電機(jī)整流控制系統(tǒng)，提高了對整流輸出工作狀態(tài)的控制及跟蹤能力，觸發(fā)脈沖對稱度好，性能穩(wěn)定。

　本文利用故障樹建模方法對西門子TXP型DCS的工廠總線建立了可靠性模型，并對其進(jìn)行了定量分析，得出系統(tǒng)的平均壽命偏低。針對這個(gè)問題，在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用四種不同冗余方式，來改進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，通過對改進(jìn)后系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行建模仿真，總結(jié)出冗余方式一是較優(yōu)的系統(tǒng)冗余配置方式，能很好地改善系統(tǒng)可靠性。

（責(zé)任編輯：小徐）