CN103532455B - 一种混合动力系统发电机励磁控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合动力系统发电机励磁控制系统及其方法。本发明采用了功率电压双闭环方式的控制方式；通过调节发电机电流，使发电机工作在恒功率限压模式下，实现串联直耦式油电混合动力系统中内燃发电机组与动力蓄电池组之间的功率分配控制，并对动力蓄电池组浮充电压、最大充电电流进行了限制，保证了动力蓄电池的安全性和循环寿命。因此，本发明具有如下优点：1.根据被控系统的稳态和动态响应情况，检测误差的绝对值和变化率；2.根据整车控制器的给定控制发电机的励磁电流，从而实现前功率链的最优功率分配，配置最小功率的内燃发电机组和动力蓄电池组，大大降低了设备的造价和体积重量，提高了内燃机的平均效率。

Description

一种混合动力系统发电机励磁控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种发电机励磁控制系统及其方法，尤其是涉及一种混合动力系统发电机励磁控制系统及其方法。

背景技术

近年来，随着能源和环境问题的日益突出，“节能减排”已经成为世界各国不得不选择的发展理念，新能源车辆的研究和产品化方兴未艾，其中混合动力车辆是其中一个重要的分支。由内燃发电机组和动力蓄电池组组成的串联式油电混合动力系统由于系统简单、技术较成熟、适用范围广、发动机工作状态不受车辆行驶工况的影响等显著优点，应用极为广泛。在该类系统中动力蓄电池组与柴油发电机组的电耦合有直接耦合和通过变流器间接耦合两种方式，其中直接耦合方式，结构和控制策略简单、系统造价低，所以在实际系统中更常见一些。对于已知的这种串联直耦式油电混合动力系统，其发电机励磁调节由常用的AVR实现，通过AVR的下垂特性，实现车辆大功率牵引时，动力蓄电池组的放电。然而，动力蓄电池组的放电能力与端电压是非线性关系，该传统控制方式无法精确控制内燃发电机组和动力蓄电池组二者之间的功率分配。为保证车辆的牵引功率，往往采取同时放大内燃机组功率和动力蓄电池组容量的方式，导致了设备成本、体积重量的增加和内燃机总体运行效率的降低。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种混合动力系统发电机励磁控制系统，其特征在于：控制结构为功率、电压双闭环控制，其中功率环为外环，电压环为内环，包括功率调节器，电压调节器，发电机参数采集模块，PWM脉冲发生器，电压限幅模块；所述的功率调节器的输出作为电压调节器的给定，电压调节器的输出作为PWM脉冲发生器的给定，PWM脉冲发生器实现软硬件的接口，发电机参数采集模块是功率环和电压环的反馈环节，电压限幅模块输出作用于功率调节器的输出。

本发明创造性的采用了功率电压双闭环方式的控制方式；通过调节发电机电流，使发电机工作在恒功率限压模式下，实现串联直耦式油电混合动力系统中内燃发电机组与动力蓄电池组之间的功率分配控制，并对动力蓄电池组浮充电压、最大充电电流进行了限制，保证了动力蓄电池的安全性和循环寿命。

本发明针对用于发电机整流带蓄电池+逆变器这种时变、非线性具有较大摄动负载的控制系统，为解决传统PID调节器无法兼顾系统超调，积分饱和与静差之间的矛盾，为提高系统稳定裕量、抑制干扰能力和较快的响应，采用一种基于变速积分的改进型数字PID调节器，根据被控系统的稳态和动态响应情况，检测误差的绝对值和变化率，利用经验的控制规律，以智能的方式实时调整控制参数，提高系统品质。

其基本思想及其具体软件实施方法是：改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢，反之越快。

一种混合动力系统发电机励磁控制方法，其特征在于：通过调节发电机电流，使发电机工作在恒功率限压模式下，发电机的励磁控制结构包括两个控制环，外环是功率控制环，内环是电压控制环；功率控制环的给定来自于整车控制器，功率控制环的输出为电压控制环的给定，其中功率调节器的输出上限幅由动力蓄电池组浮充电压、发电机组最大功率和动力蓄电池组的浮充功率限幅三者的最小值决定，功率调节器的输出下限幅对应动力蓄电池组的最低放电电压；电压调节器的给定来自于功率控制环的输出，电压调节器的输出限幅值取决于同步发电机的额定励磁电流和额定励磁电压，实现串联直耦式油电混合动力系统中内燃发电机组与动力蓄电池组之间的功率控制。

在上述的一种混合动力系统发电机励磁控制方法，其特征在于，基于公式：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\left\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\Σ}}e\right(i)+f\[e\left(k\right)\]e\left(k\right)\}{T}_s+k_d\[e\left(k\right)-e(k-1)\]$

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。其中，k、i为采样序号，e为调节器偏差信号，u为调节器输出信号，T_s为采样周期，A、B为阈值常数；改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢，反之越快。

上述公式的理论基础来自以下：设置系数f[e(k)]，是e(k)的函数，当|e(k)|增大时，f[e(k)]减小，反之，f[e(k)]增大。积分项表达式为：

$u_i\left(k\right)=k_i\left\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\Σ}}e\right(i)+f\[e\left(k\right)\]e\left(k\right)\}T$

系数f[e(k)]与偏差当前值|e(k)|的关系可以是线性的或非线性的，可以设为：

$f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|e\left(k\right)\right|\&le;B\\ \frac{A-\left|e\left(k\right)\right|+B}{A}& B<\left|e\left(k\right)\right|\&le;A+B\\ 0& \left|e\left(k\right)\right|>A+B\end{array}\right.$

f[e(k)]值在区间[0,1]内变化，当偏差|e(k)|大于所给分离区间A+B后，f＝0，不再对当前值e(k)进行继续累加，当偏差|e(k)|小于B时，加入当前值e(k)e(k)，即积分项变为与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速，而当偏差|e(k)|在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|大小而变化，因此，其积分速度在 $u_i\left(k\right)=k_i\underset{i=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}e\left(i\right)T_s$ 和 $u_i\left(k\right)=k_i\underset{i=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(i\right)T_s$ 之间，整个算法为：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\left\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}e\right(i)+f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;e\left(k\right)\}{T}_s+k_d\&lsqb;e\left(k\right)-e(k-1)\&rsqb;$

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。其中，k、i为采样序号，e为调节器偏差信号，u为调节器输出信号，T_s为采样周期，A、B为阈值常数。上式为对参数A、B要求并不精确，参数整定容易，鲁棒性高。

因此，本发明具有如下优点：1.针对用于发电机整流带蓄电池+逆变器这种时变、非线性具有较大摄动负载的控制系统，为使系统保持较大的稳定裕量、抑制干扰能力和较快的响应，采用一种基于变速积分的改进型数字PID调节器，根据被控系统的稳态和动态响应情况，检测误差的绝对值和变化率，利用经验的控制规律，以智能的方式实时调整控制模型的结构和参数改变积分的速度，提高系统品质；2.可以根据车辆功率实际需求，根据整车控制器的给定控制发电机的励磁电流，从而实现前功率链的最优功率分配，配置最小功率的内燃发电机组和动力蓄电池组，大大降低了设备的造价和体积重量，提高了内燃机的平均效率。

附图说明

图1为混合动力系统原理框图(圈中一个叉的符号是控制中的“求和号”)。

图2为本发明发电机励磁控制器控制结构图。

图3为本发明涉及到电力电子中不控整流+PWM斩波器的经典拓扑示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明包括功率调节器，电压调节器，电压、电流等系统参数数据采集模块，功率、电压、电流参考值计算模块，PWM脉冲发生模块，限幅模块，不控整流+PWM斩波器的主拓扑。

其硬件回路采用不控整流+PWM斩波器拓扑，主电源来自发电机辅助绕组或外部独立电压，主电输出接发电机的励磁绕组或发电机励磁机的励磁绕组，其检测接口包括发电机相电压，相电流蓄电池电压电流等。其控制接口包括2路数字量输入、2路数字量输出、2路模拟量输入和2路模拟量输出。其通讯端口包括RS485接口、CAN接口和RS232接口。

其软件实现为数字式可编程控制器，其控制软件编程通过PC平台的软件和RS232接口实现。其控制方式为功率电压双闭环方式。通过调节发电机电流，使发电机工作在恒功率限压模式下，发电机的励磁控制结构包括两个控制环，外环是功率控制环，内环是电压控制环；功率控制环的给定来自于整车控制器，功率控制环的输出为电压控制环的给定，其中功率调节器的输出上限幅由动力蓄电池组浮充电压、柴油发电机组最大功率和动力蓄电池组的浮充功率限幅三者的最小值决定，功率调节器的输出下限幅对应动力蓄电池组的最低放电电压；电压调节器的给定来自于功率控制环的输出，电压调节器的输出限幅值取决于同步发电机的额定励磁电流和额定励磁电压。实现串联直耦式油电混合动力系统中内燃发电机组与动力蓄电池组之间的功率控制。

发电机励磁控制器，采用一种基于变速积分的改进型数字PID调节器，其基本思想是：根据被控系统的稳态和动态响应情况，检测误差的绝对值和变化率，利用经验的控制规律，以智能的方式实时调整控制参数，提高系统品质。

其具体软件实施方法是：改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢，反之越快。

设置系数f[e(k)]，是e(k)的函数，当|e(k)|增大时，f[e(k)]减小，反之，增大。积分项表达式为：

$u_i\left(k\right)=k_i\left\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}e\right(i)+f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;e\left(k\right)\}T$

系数f[e(k)]与偏差当前值|e(k)|的关系设为：

$f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|e\left(k\right)\right|\&le;B\\ \frac{A-\left|e\left(k\right)\right|+B}{A}& B<\left|e\left(k\right)\right|\&le;A+B\\ 0& \left|e\left(k\right)\right|>A+B\end{array}\right.$

f[e(k)]值在区间[0,1]内变化，当偏差|e(k)|大于所给分离区间A+B后，f＝0，不再对当前值e(k)进行继续累加，当偏差|e(k)|小于B时，加入当前值e(k)，e(k)即积分项变为与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速，而当偏差|e(k)|在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|大小而变化，因此，其积分速度在 $u_i\left(k\right)=k_i\underset{i=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}e\left(i\right)T_s$ 和 $u_i\left(k\right)=k_i\underset{i=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(i\right)T_s$ 之间，整个算法为：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\left\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}e\right(i)+f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;e\left(k\right)\}{T}_s+k_d\&lsqb;e\left(k\right)-e(k-1)\&rsqb;$

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。其中，k、i为采样序号，e为调节器偏差信号，u为调节器输出信号，T_s为采样周期，A、B为阈值常数。上式为对参数A、B要求并不精确，参数整定容易，鲁棒性高。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种混合动力系统发电机励磁控制系统，其特征在于：控制结构为功率、电压双闭环控制，其中功率环为外环，电压环为内环，包括功率调节器，电压调节器，发电机参数采集模块，PWM脉冲发生器，电压限幅模块；PWM脉冲发生器实现软硬件的接口，发电机参数采集模块是功率环和电压环的反馈环节，电压限幅模块输出作用于功率调节器的输出；所述控制系统的控制方法在于：通过调节发电机电流，使发电机工作在恒功率限压模式下，功率控制环的给定来自于整车控制器，功率调节器的输出上限幅由动力蓄电池组浮充电压、发电机组最大功率和动力蓄电池组的浮充功率限幅三者的最小值决定，功率调节器的输出下限幅对应动力蓄电池组的最低放电电压；电压调节器的给定来自于功率控制环的输出，电压调节器的输出限幅值取决于同步发电机的额定励磁电流和额定励磁电压，实现串联直耦式油电混合动力系统中内燃发电机组与动力蓄电池组之间的功率控制。

2.根据权利要求1所述混合动力系统，其特征在于，所述控制方法具体是：改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应，偏差越大，积分越慢，反之越快；

即：定义设置系数f[e(k)]，是e(k)的函数，当|e(k)|增大时，f[e(k)]减小，反之，f[e(k)]增大；积分项表达式为：

$u_i\left(k\right)=k_i\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(i\right)+f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;e\left(k\right)\}{T}_S$

系数f[e(k)]与偏差当前值|e(k)|的关系设为：

$f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|e\left(k\right)\right|\&le;B\\ \frac{A-\left|e\left(k\right)\right|+B}{A}& B<\left|e\left(k\right)\right|\&le;A+B\\ 0& \left|e\left(k\right)\right|>A+B\end{array}\right.$

f[e(k)]值在区间[0,1]内变化，当偏差|e(k)|大于所给分离区间A+B后，f＝0，不再对当前值e(k)进行继续累加，当偏差|e(k)|小于B时，加入当前值e(k)，即积分项变为与一般PID积分项相同，积分动作达到最高速，而当偏差|e(k)|在B与A+B之间时，则累加计入的是部分当前值，其值在0～|e(k)|之间随|e(k)|大小而变化，因此，其积分速度在和之间，整个算法为：

$u\left(k\right)=k_{p}e\left(k\right)+k_i\{\underset{i=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}e\left(i\right)+f\&lsqb;e\left(k\right)\&rsqb;e\left(k\right)\}{T}_s+k_d\&lsqb;e\left(k\right)-e(k-1)\&rsqb;$

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，其中，k、i为采样序号，e为调节器偏差信号，u为调节器输出信号，T_s为采样周期，A、B为阈值常数；阈值的取值根据用户自行设定。