CN104113248B - 双凸极发电机电压调节控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双凸极发电机电压调节控制方法，包括双凸极发电机、交-直流转换电路和励磁调节器，所述交-直流转换电路和励磁调节器分别与双凸极发电机电连接，交-直流转换电路与励磁调节器电连接；其具体调节步骤是：以双凸极发电机输出直流电压偏差、输出直流电压偏差的导数与积分作为独立状态变量构建一阶线性滑模面方程<i>S</i>，并实时计算滑模面方程<i>S</i>的输出，与由DSP微处理器产生的三角形载波进行交截，从而得到励磁调节器的开关管Q₂的通断信号，进而调节励磁电流并使发电机的输出直流电压得以调节和稳定。本发明能够克服发电机系统由于长期运行，结构参数变化而导致的发电性能下降的缺点，并提高电机的动态响应。

Description

双凸极发电机电压调节控制方法

技术领域

本发明具体涉及一种双凸极发电机电压调节控制方法。

背景技术

上世纪90年代由美国Lipo教授提出的双凸极电机，经过多年的研究与发展，已在许多领域得到了应用。该电机的转子结构简单，转子上无绕组，无铜损，适合高速运行，因而较适合作高速发电机使用。根据不同的励磁方式，双凸极电机的衍生型——电励磁和混合励磁双凸极电机，由于存在励磁绕组，调节电机磁场方便，尤其适合发电应用场合。另外，当发电机出现故障而使得输出电压过高时，可以通过切断励磁电流进行发电机灭磁，使输出电压为零。尽管针对电励磁和混合励磁双凸极发电机的励磁调节器（即发电机电压调节器）很早就被人提出并加以应用，但其控制方式依然是传统的输出电压反馈PI控制，动态性能较差，后经改进，引入了励磁电流前馈控制，改善了发电机的动态性能。发电机在长期运行状态下，由于温度等环境因素变化，发电机各相绕组的电阻将会增加，为维持既定的输出功率，励磁电流将会增大，以维持输出恒定的电枢电流，发电机的参数将会改变，其发电机输出电压与励磁电流输入间的传递函数结构将会发生改变，原有的固定PI参数就不一定是最佳参数，发电机性能下降，根据实验数据证明，发电机的输出电压跌落低于6.5V，且其励磁电流变化在7.5-15A之间，而输出电压恢复时间在500ms。

发明内容

本发明的目的是：提供一种能够克服发电机系统由于长期运行，结构参数变化而导致的发电性能下降的缺点，并提高电机的动态响应的双凸极发电机电压调节控制方法，以克服现有技术的不足。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种双凸极发电机电压调节控制方法，包括双凸极发电机、与负载电路电连接的交-直流转换电路以及励磁调节器；所述双凸极发电机的A、B、C三相电压输出端与交-直流转换电路的输入端电连接，交-直流转换电路的输出端与励磁调节器相应的连接端电连接，所述双凸极发电机的励磁绕组连接端与励磁调节器相应的连接端电连接，其创新点在于，其具体控制步骤是：

步骤a、所述励磁调节器包括励磁功率变换器，而励磁功率变换器包括开关管Q₁、Q₂，且开关管Q₁为恒导通状态，根据所述交-直流转换电路的滤波电路的电容C_o值和负载电路的最大负载值R_L，建立励磁功率变换器的开关管Q₂的滑模方程S；方程表达式如下:

公式1

其中：α₁、α₂、α₃表示的是滑模系数，β表示的是经励磁调节器的输出电压检测电路处理后输出的电压缩放比例；β/C_o表示的是经励磁调节器的电容电流检测电路处理后输出的电压缩放比例；U_r为双凸极发电机通过交-直流转换电路输出的直流电压参考值；U₀为双凸极发电机输出的三相电压送至交-直流转换电路得到的直流电压；k表示当前采样时刻；U₀（k）为所述直流电压U₀在经过输出电压检测电路后当前采样时刻的值；I_Co[k]为流过电容C_o的电流I_Co经过电容电流检测电路后当前采样时刻的值；T为励磁调节器的DSP微处理器的定时器T1所设定的采样周期；e[k]为双凸极发电机输出的直流电压参考值U_r与U₀（k）的差值；L为双凸极发电机的电感，其值为A相和B相的相电感之和减去2倍的A、B相间互感；

由公式1可得：

公式2

由公式2得：

公式3

上述的公式2和公式3中，S[k]为当前采样时刻的滑模方程S输出的值；S[k-1]为前一采样时刻的滑模方程S输出的值；△S[k]为当前采样时刻的滑模方程S输出的增量，即为滑模方程S在当前采样时刻输出值S[k]与前一采样时刻输出值S[k-1]之差；I_Co[k-1]为流过电容C_o的电流经过电容电流检测电路后前一采样时刻的值；e[k-1]为直流电压参考值U_r与前一采样时刻U₀（k-1）的差值；

步骤b、由所述励磁调节器的DSP微处理器进行功能口设定并初始化变量；

将DSP微处理器的PWM1、PWM2口定义为I/O口，并初始化模数转换通道ADCINA0和ADCINA1；设定U_r=0、U₀（k）=0、U₀[k-1]=0、I_Co[k]=0、I_Co[k-1]=0、e[k]=0、e[k-1]=0、S[k]=0、S[k-1]=0、ΔS[k]=0;根据公式1进行参数计算，并设定α₁、α₂、α₃的值；

步骤c、初始化DSP微处理器的定时器T1，并由定时器T1管理AD中断，定义并使能AD中断；初始化DSP微处理器的定时器T2，并产生固定频率的三角形载波：

设定所述DSP微处理器中定时器T1的工作模式为连续增模式，且设定定时器T1的周期寄存器T1PR中的值，并初始化定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值为零，利用定时器T1的周期中断响应启动AD中断，即AD中断的响应条件为定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值；

设定DSP微处理器中定时器T2的工作模式为连续增减模式，且定时器T2的计数寄存器T2CNT中的值为零；定时器T2的周期寄存器T2PR中的设定值为：

公式4

上述公式4中，为定时器T2的工作频率，为所造三角载波的频率；定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值小于定时器T2的周期寄存器T2PR中的设定值；

启动定时器T1的计数寄存器T1CNT和定时器T2的计数寄存器T2CNT，由所述DSP微处理器的定时器T1的计数寄存器T1CNT开始进行计数；所述DSP微处理器的定时器T2的计数寄存器T2CNT开始进行计数，从而产生固定频率为f_s的三角形载波；

步骤d、当定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值时，响应AD中断，计数寄存器T1CNT自动清零，检测当前时刻双凸极发电机通过交-直流转换电路输出的直流电压U₀，并送至DSP微处理器的模数转换通道ADCINA1进行模数转换后得到当前时刻的双凸极发电机输出检测电压U₀（k）；检测流过滤波电路的电容C₀的电流I_Co，并送至DSP微处理器的模数转换通道ADCINA0进行模数转换后得到当前时刻的电容电流I_Co[k]；

步骤e、计算当前时刻e[k]=U_r-U₀[k]；并按公式2计算滑模面方程S输出在当前时刻的增量ΔS[k]和S[k]；比较S[k]与周期寄存器T2PR中的设定值，若S[k]≥周期寄存器T2PR中的设定值，则开通开关管Q₂，且令S[k]=周期寄存器T2PR中的设定值；否则，比较S[k]≤0是否成立，若S[k]≤0，则关断开关管Q₂，并令S[k]=0；否则，比较S[k]与计数寄存器T2CNT中的值，若S[k]≥计数寄存器T2CNT中的值，则开关管Q₂导通，励磁电流上升，双凸极发电机通过交-直流转换电路输出的直流电压上升；若S[k]<计数寄存器T2CNT中的值，则开关管Q₂关断，励磁电流下降，双凸极发电机通过交-直流转换电路输出的直流电压减小；

再按如下公式更新数值，以便进行在下一次AD中断响应时，计算滑模面方程S输出并给出开关管Q₂的通断状态，

公式5

在更新数值后，则开关管Q₂完成了1次通断调整；当定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值再次等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值时，重复步骤d和步骤e，通过实时对开关管Q₂通断的调整，可实现对双凸极发电机通过交-直流转换电路输出直流电压的调整。

在上述技术方案中，所述励磁调节器还包括励磁电流检测电路，所述双凸极发电机的励磁绕组连接端和DSP微处理器分别与励磁电流检测电路相应的连接端电连接。

在上述技术方案中，所述励磁电流检测电路包括电阻R₆、R₈和检测双凸极发电机励磁绕组电流的电流传感器LEM2，所述电阻R₆的一端与双凸极发电机的励磁绕组连接输出端电连接，电阻R₆的另一端通过电流传感器LEM2与励磁功率变换器相应的连接端电连接，电阻R₈的一端与电流传感器LEM2的检测端以及DSP微处理器相应的连接端电连接，电阻R₈的另一端接地。

在上述技术方案中，所述滤波电路具有与负载电路电连接的连接端子E、F；所述滤波电路还包括电流传感器LEM1和电阻R₇，电容C₀与电流传感器LEM1串接并引出连接端子E、F，且连接端子E、F与负载电路的两端相并联，电流传感器LEM1的检测端与电阻R₇的一端以及电容电流检测电路相应的输入端电连接，电阻R₇的另一端接地，电流传感器LEM1的电源端接电源。

在上述技术方案中，所述励磁调节器的输出电压检测电路是由分压电阻构成的电压检测电路，或者是由运算放大器构成差动式电压检测电路。

在上述技术方案中，所述励磁调节器的励磁功率变换器还包括励磁电源U_f和二极管D11、D12；所述开关管Q₁的漏极与二极管D11的阴极以及励磁电源U_f的正极电连接，开关管Q₁的源极与二极管D12的阴极以及双凸极发电机的励磁绕组连接输入端电连接；所述开关管Q₂的源极与二极管D12的阳极以及励磁电源U_f的负极电连接，开关管Q₂的漏极与二极管D11的阳极电连接并经励磁电流检测电路与双凸极发电机的励磁绕组连接输出端电连接；开关管Q₁的栅极和开关管Q₂的栅极分别与DSP微处理器相应的连接端电连接。

在上述技术方案中，所述电容电流检测电路包括运算放大器U₁和二极管d₁、d₂；所述输出电压检测电路是运算放大器构成差动式电压检测电路，包括运算放大器U₂、U₃，二极管d₃、d₄，电阻R₃、R₄、R₅、R₉；所述电阻R₄的一端、电阻R₉的一端同时与运算放大器U₃的同相端电连接，而电阻R₉的另一端接地，电阻R₄的另一端与滤波电路的连接端子E电连接；所述滤波电路的连接端子F经电阻R₃与运算放大器U₃的反相端电连接，电阻R₅跨接在运算放大器U₃的输出端和反相端之间，并与电阻R₃构成电压缩放比例模块；所述运算放大器U₃的输出端与运算放大器U₂的同相端电连接，而运算放大器U₂的反相端与运算放大器U₂的输出端电连接，并构成电压跟随模块；所述运算放大器U₂的输出端同时与二极管d₃的阳极以及二极管d₄的阴极电连接，并与DSP微处理器相应的连接端电连接，二极管d₃的阴极与电源电连接，二极管d₄的阳极接地；所述运算放大器U₁的同相端与滤波电路相应的连接端电连接，运算放大器U₁的反相端与运算放大器U₁的输出端电连接，并同时与二极管d₁的阳极以及二极管d₂的阴极电连接，以及与DSP微处理器相应的连接端电连接，二极管d₁的阴极与电源电连接，二极管d₂的阳极接地。

本发明所具有的积极效果是：本发明是通过以双凸极发电机输出直流电压偏差、输出直流电压偏差的导数与积分作为独立状态变量构建一阶线性滑模面方程S，并实时计算滑模面方程S的输出，与由DSP微处理器产生的三角形载波进行交截，从而得到励磁调节器的开关管Q2的通断信号（专业术语称占空比信号），进而调节励磁电流并使发电机的输出直流电压得以调节和稳定；采用本发明的电压调节方法后，根据实验数据证明，该方法使得双凸极发电机从负载50A到负载250A的输出电压静压差为0.13V，在突加负载（50A到250A)时的输出电压跌落低于7.5V（额定电压为28.5V)，且其励磁电流变化在7.5-15A之间，而输出电压恢复时间在50ms。本发明的电压调节控制方法不仅实现简单、生产成本低，而且在保持较快动态性能的同时，降低了稳态发电时的输出电压静压差，减小了输出电压纹波；且具有环境适应性和抗扰动性强、能克服发电机在长期运行过程中由于阻抗变化而引起对系统性能的影响，鲁棒性强，能实现精确跟踪和极快的动态响应。

附图说明

图1是本发明第一种具体实施方式的电路原理方框示意图；

图2是本发明的具体实施方式的电路原理示意图；

图3是本发明的流程示意图；

图4本发明的开关管Q2的驱动逻辑信号产生示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

如图1、2、3、4所示，一种双凸极发电机电压调节控制方法，包括双凸极发电机1、与负载电路4电连接的交-直流转换电路2以及励磁调节器3；所述双凸极发电机1的A、B、C三相电压输出端与交-直流转换电路2的输入端电连接，交-直流转换电路2的输出端与励磁调节器3相应的连接端电连接，所述双凸极发电机1的励磁绕组连接端与励磁调节器3相应的连接端电连接，其具体控制步骤是：

步骤a、所述励磁调节器3包括励磁功率变换器3-4，而励磁功率变换器3-4包括开关管Q₁、Q₂，且开关管Q₁为恒导通状态，根据所述交-直流转换电路2的滤波电路2-2的电容C_o值和负载电路4的最大负载值R_L，建立励磁功率变换器3-4的开关管Q₂的滑模方程S；方程表达式如下:

公式1

其中：α₁、α₂、α₃表示的是滑模系数，β表示的是经励磁调节器3的输出电压检测电路3-2处理后输出的电压缩放比例；β/C_o表示的是经励磁调节器3的电容电流检测电路3-1处理后输出的电压缩放比例；U_r为双凸极发电机1通过交-直流转换电路2输出的直流电压参考值；U₀为双凸极发电机1输出的三相电压送至交-直流转换电路2得到的直流电压；k表示当前采样时刻；U₀（k）为所述直流电压U₀在经过输出电压检测电路3-2后当前采样时刻的值；I_Co[k]为流过电容C_o的电流I_Co经过电容电流检测电路3-1后当前采样时刻的值；T为励磁调节器3的DSP微处理器3-3的定时器T1所设定的采样周期；e[k]为双凸极发电机1输出的直流电压参考值U_r与U₀（k）的差值；L为双凸极发电机1的电感，其值为A相和B相的相电感之和减去2倍的A、B相间互感；

由公式1可得：

公式2

由公式2得：

公式3

上述的公式2和公式3中，S[k]为当前采样时刻的滑模方程S输出的值；S[k-1]为前一采样时刻的滑模方程S输出的值；△S[k]为当前采样时刻的滑模方程S输出的增量，即为滑模方程S在当前采样时刻输出值S[k]与前一采样时刻输出值S[k-1]之差；I_Co[k-1]为流过电容C_o的电流经过电容电流检测电路3-1后前一采样时刻的值；e[k-1]为直流电压参考值U_r与前一采样时刻U₀（k-1）的差值；

步骤b、由所述励磁调节器3的DSP微处理器3-3进行功能口设定并初始化变量；

将DSP微处理器3-3的PWM1、PWM2口定义为I/O口，并初始化模数转换通道ADCINA0和ADCINA1；设定U_r=0、U₀（k）=0、U₀[k-1]=0、I_Co[k]=0、I_Co[k-1]=0、e[k]=0、e[k-1]=0、S[k]=0、S[k-1]=0、ΔS[k]=0;根据公式1进行参数计算，并设定α₁、α₂、α₃的值；

步骤c、初始化DSP微处理器3-3的定时器T1，并由定时器T1管理AD中断，定义并使能AD中断；初始化DSP微处理器3-3的定时器T2，并产生固定频率的三角形载波：

设定所述DSP微处理器3-3中定时器T1的工作模式为连续增模式，且设定定时器T1的周期寄存器T1PR中的值，并初始化定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值为零，利用定时器T1的周期中断响应启动AD中断，即AD中断的响应条件为定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值；

设定DSP微处理器3-3中定时器T2的工作模式为连续增减模式，且定时器T2的计数寄存器T2CNT中的值为零；定时器T2的周期寄存器T2PR中的设定值为：

公式4

上述公式4中，为定时器T2的工作频率，为所造三角载波的频率；定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值小于定时器T2的周期寄存器T2PR中的设定值；

启动定时器T1的计数寄存器T1CNT和定时器T2的计数寄存器T2CNT，由所述DSP微处理器3-3的定时器T1的计数寄存器T1CNT开始进行计数；所述DSP微处理器3-3的定时器T2的计数寄存器T2CNT开始进行计数，从而产生固定频率为f_s的三角形载波；

步骤d、当定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值时，响应AD中断，计数寄存器T1CNT自动清零，检测当前时刻双凸极发电机1通过交-直流转换电路2输出的直流电压U₀，并送至DSP微处理器3-3的模数转换通道ADCINA1进行模数转换后得到当前时刻的双凸极发电机输出检测电压U₀（k）；检测流过滤波电路2-2的电容C₀的电流I_Co，并送至DSP微处理器3-3的模数转换通道ADCINA0进行模数转换后得到当前时刻的电容电流I_Co[k]；

步骤e、计算当前时刻e[k]=U_r-U₀[k]；并按公式2计算滑模面方程S输出在当前时刻的增量ΔS[k]和S[k]；比较S[k]与周期寄存器T2PR中的设定值，若S[k]≥周期寄存器T2PR中的设定值，则开通开关管Q₂，且令S[k]=周期寄存器T2PR中的设定值；否则，比较S[k]≤0是否成立，若S[k]≤0，则关断开关管Q₂，并令S[k]=0；否则，比较S[k]与计数寄存器T2CNT中的值，若S[k]≥计数寄存器T2CNT中的值，则开关管Q₂导通，励磁电流上升，双凸极发电机1通过交-直流转换电路2输出的直流电压上升；若S[k]<计数寄存器T2CNT中的值，则开关管Q₂关断，励磁电流下降，双凸极发电机1通过交-直流转换电路2输出的直流电压减小；

再按如下公式更新数值，以便进行在下一次AD中断响应时，计算滑模面方程S输出并给出开关管Q₂的通断状态，

公式5

在更新数值后，则开关管Q₂完成了1次通断调整；当定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值再次等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值时，重复步骤d和步骤e，通过实时对开关管Q₂通断的调整，可实现对双凸极发电机1通过交-直流转换电路2输出直流电压的调整。

如图1所示，所述交-直流转换电路2包括三相整流桥2-1和滤波电路2-2，所述双凸极发电机1的A、B、C三相电压输出端与三相整流桥2-1的输入端电连接，三相整流桥2-1的输出端与滤波电路2-2的输入端电连接；

所述励磁调节器3包括电容电流检测电路3-1、输出电压检测电路3-2、DSP微处理器3-3、励磁功率变换器3-4和励磁电流检测电路3-5；所述双凸极发电机1的励磁绕组连接端与励磁功率变换器3-4相应的连接端电连接，滤波电路2-2的连接端子E、F同时与电容电流检测电路3-1的输入端和输出电压检测电路3-2的输入端电连接，电容电流检测电路3-1的输出端和输出电压检测电路3-2的输出端分别与DSP微处理器3-3相应的连接端电连接，DSP微处理器3-3相应的输出端与励磁功率变换器3-4相应的输入端电连接，所述双凸极发电机1的励磁绕组连接端、DSP微处理器3-3和励磁功率变换器3-4分别与励磁电流检测电路3-5相应的连接端电连接。

如图1、2所示，所述励磁调节器3还包括励磁电流检测电路3-5，所述双凸极发电机1的励磁绕组连接端和DSP微处理器3-3分别与励磁电流检测电路3-5相应的连接端电连接。

如图2所示，所述励磁电流检测电路3-5包括电阻R₆、R₈和检测双凸极发电机1励磁绕组电流的电流传感器LEM2，所述电阻R₆的一端与双凸极发电机1的励磁绕组连接输出端电连接，电阻R₆的另一端通过电流传感器LEM2与励磁功率变换器3-4相应的连接端电连接，电阻R₈的一端与电流传感器LEM2的检测端以及DSP微处理器3-3相应的连接端电连接，电阻R₈的另一端接地。

如图2所示，所述滤波电路2-2具有与负载电路4电连接的连接端子E、F；所述滤波电路2-2还包括电流传感器LEM1和电阻R₇，电容C₀与电流传感器LEM1串接并引出连接端子E、F，且连接端子E、F与负载电路4的两端相并联，电流传感器LEM1的检测端与电阻R₇的一端以及电容电流检测电路3-1相应的输入端电连接，电阻R₇的另一端接地，电流传感器LEM1的电源端接电源。

本发明所述励磁调节器3的输出电压检测电路3-2是由分压电阻构成的电压检测电路，或者是由运算放大器构成差动式电压检测电路。

如图2所示，所述励磁调节器3的励磁功率变换器3-4还包括励磁电源U_f和二极管D11、D12；所述开关管Q₁的漏极与二极管D11的阴极以及励磁电源U_f的正极电连接，开关管Q₁的源极与二极管D12的阴极以及双凸极发电机1的励磁绕组连接输入端电连接；所述开关管Q₂的源极与二极管D12的阳极以及励磁电源U_f的负极电连接，开关管Q₂的漏极与二极管D11的阳极电连接并经励磁电流检测电路3-5与双凸极发电机1的励磁绕组连接输出端电连接；开关管Q₁的栅极和开关管Q₂的栅极分别与DSP微处理器3-3相应的连接端电连接。

如图2所示，所述电容电流检测电路3-1包括运算放大器U₁和二极管d₁、d₂；所述输出电压检测电路3-2是运算放大器构成差动式电压检测电路，包括运算放大器U₂、U₃，二极管d₃、d₄，电阻R₃、R₄、R₅、R₉；所述电阻R₄的一端、电阻R₉的一端同时与运算放大器U₃的同相端电连接，而电阻R₉的另一端接地，电阻R₄的另一端与滤波电路2-2的连接端子E电连接；所述滤波电路2-2的连接端子F经电阻R₃与运算放大器U₃的反相端电连接，电阻R₅跨接在运算放大器U₃的输出端和反相端之间，并与电阻R₃构成电压缩放比例模块；所述运算放大器U₃的输出端与运算放大器U₂的同相端电连接，而运算放大器U₂的反相端与运算放大器U₂的输出端电连接，并构成电压跟随模块；所述运算放大器U₂的输出端同时与二极管d₃的阳极以及二极管d₄的阴极电连接，并与DSP微处理器3-3相应的连接端电连接，二极管d₃的阴极与电源电连接，二极管d₄的阳极接地；所述运算放大器U₁的同相端与滤波电路2-2相应的连接端电连接，运算放大器U₁的反相端与运算放大器U₁的输出端电连接，并同时与二极管d₁的阳极以及二极管d₂的阴极电连接，以及与DSP微处理器3-3相应的连接端电连接，二极管d₁的阴极与电源电连接，二极管d₂的阳极接地。

如图4所示，定时器T2工作在连续增减模式，T2CNT先从零开始增计数，逐步增加到T2定时器周期寄存器T2PR的设定值后，再逐步进行减计数到零，从而得到如上图所示的固定频率的三角形载波，其频率为。

开关管Q₂的驱动信号由滑模面方程S的输出值与三角形载波交截而得到，如图3、4所示，当滑模方程S输出的值≥定时器T2的计数寄存器T2CNT中的值时，开关管Q₂就导通；当滑模方程S输出的值＜定时器T2的计数寄存器T2CNT中的值时，开关管Q₂就关断；两个特例，当滑模方程S输出的值≥定时器T2的周期寄存器T2PR的设定值时，开关管Q₂就导通，并令S[k]=周期寄存器T2PR的设定值；而当滑模方程S输出的值≤0时，则开关管Q₂就关断，并令S[k]=0。

本发明是通过以双凸极发电机输出直流电压偏差、输出直流电压偏差的导数与积分作为独立状态变量构建一阶线性滑模面方程S，并实时计算滑模面方程S的输出，与由DSP微处理器产生的三角形载波进行交截，从而得到励磁调节器的开关管Q₂的通断信号（专业术语称占空比信号），进而调节励磁电流并使发电机的输出直流电压得以调节和稳定；使得所述负载电路的输入电压保持稳定。本发明的电压调节控制方法不仅实现简单、生产成本低，而且在保持较快动态性能的同时，降低了稳态发电时的输出电压静压差，减小了输出电压纹波；且具有环境适应性和抗扰动性强、能克服发电机在长期运行过程中由于阻抗变化而引起对系统性能的影响，鲁棒性强，能实现精确跟踪和极快的动态响应。

本发明不仅适用于双凸极发电机，也同样适用于其他通过调节励磁电流来调节发电机输出电压幅值的发电机系统。它具有环境适应性和鲁棒性强，能实现自我调节，同时，还具有快速的动态性能和较好的调压精度。因而，在发电机调压系统具有很高的应用价值。

Claims (7)

1.一种双凸极发电机电压调节控制方法，包括双凸极发电机（1）、与负载电路（4）电连接的交-直流转换电路（2）以及励磁调节器（3）；所述双凸极发电机（1）的A、B、C三相电压输出端与交-直流转换电路（2）的输入端电连接，交-直流转换电路（2）的输出端与励磁调节器（3）相应的连接端电连接，所述双凸极发电机（1）的励磁绕组连接端与励磁调节器（3）相应的连接端电连接，其特征在于，其具体控制步骤是：

步骤a、所述励磁调节器（3）包括励磁功率变换器（3-4），而励磁功率变换器（3-4）包括开关管Q₁、Q₂，且开关管Q₁为恒导通状态，根据所述交-直流转换电路（2）的滤波电路（2-2）的电容C_o值和负载电路（4）的最大负载值R_L，建立励磁功率变换器（3-4）的开关管Q₂的滑模方程S；方程表达式如下:

公式1

其中：α₁、α₂、α₃表示的是滑模系数，β表示的是经励磁调节器（3）的输出电压检测电路（3-2）处理后输出的电压缩放比例；β/C_o表示的是经励磁调节器（3）的电容电流检测电路（3-1）处理后输出的电压缩放比例；U_r为双凸极发电机（1）通过交-直流转换电路（2）输出的直流电压参考值；U₀为双凸极发电机（1）输出的三相电压送至交-直流转换电路（2）得到的直流电压；k表示当前采样时刻；U₀（k）为所述直流电压U₀在经过输出电压检测电路（3-2）后当前采样时刻的值；I_Co[k]为流过电容C_o的电流I_Co经过电容电流检测电路（3-1）后当前采样时刻的值；T为励磁调节器（3）的DSP微处理器（3-3）的定时器T1所设定的采样周期；e[k]为双凸极发电机（1）输出的直流电压参考值U_r与U₀（k）的差值；L为双凸极发电机（1）的电感，其值为A相和B相的相电感之和减去2倍的A、B相间互感；

由公式1可得：

公式2

由公式2得：

公式3

上述的公式2和公式3中，S[k]为当前采样时刻的滑模方程S输出的值；S[k-1]为前一采样时刻的滑模方程S输出的值；△S[k]为当前采样时刻的滑模方程S输出的增量，即为滑模方程S在当前采样时刻输出值S[k]与前一采样时刻输出值S[k-1]之差；I_Co[k-1]为流过电容C_o的电流经过电容电流检测电路（3-1）后前一采样时刻的值；e[k-1]为直流电压参考值U_r与前一采样时刻U₀（k-1）的差值；

步骤b、由所述励磁调节器（3）的DSP微处理器（3-3）进行功能口设定并初始化变量；

将DSP微处理器（3-3）的PWM1、PWM2口定义为I/O口，并初始化模数转换通道ADCINA0和ADCINA1；设定U_r=0、U₀（k）=0、U₀[k-1]=0、I_Co[k]=0、I_Co[k-1]=0、e[k]=0、e[k-1]=0、S[k]=0、S[k-1]=0、ΔS[k]=0;根据公式1进行参数计算，并设定α₁、α₂、α₃的值；

步骤c、初始化DSP微处理器（3-3）的定时器T1，并由定时器T1管理AD中断，定义并使能AD中断；初始化DSP微处理器（3-3）的定时器T2，并产生固定频率的三角形载波：

设定所述DSP微处理器（3-3）中定时器T1的工作模式为连续增模式，且设定定时器T1的周期寄存器T1PR中的值，并初始化定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值为零，利用定时器T1的周期中断响应启动AD中断，即AD中断的响应条件为定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值；

设定DSP微处理器（3-3）中定时器T2的工作模式为连续增减模式，且定时器T2的计数寄存器T2CNT中的值为零；定时器T2的周期寄存器T2PR中的设定值为：

公式4

上述公式4中，为定时器T2的工作频率，为所造三角载波的频率；定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值小于定时器T2的周期寄存器T2PR中的设定值；

启动定时器T1的计数寄存器T1CNT和定时器T2的计数寄存器T2CNT，由所述DSP微处理器（3-3）的定时器T1的计数寄存器T1CNT开始进行计数；所述DSP微处理器（3-3）的定时器T2的计数寄存器T2CNT开始进行计数，从而产生固定频率为f_s的三角形载波；

步骤d、当定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值时，响应AD中断，计数寄存器T1CNT自动清零，检测当前时刻双凸极发电机（1）通过交-直流转换电路（2）输出的直流电压U₀，并送至DSP微处理器（3-3）的模数转换通道ADCINA1进行模数转换后得到当前时刻的双凸极发电机输出检测电压U₀（k）；检测流过滤波电路（2-2）的电容C₀的电流I_Co，并送至DSP微处理器（3-3）的模数转换通道ADCINA0进行模数转换后得到当前时刻的电容电流I_Co[k]；

步骤e、计算当前时刻e[k]=U_r-U₀[k]；并按公式2计算滑模方程S输出在当前时刻的增量ΔS[k]和S[k]；比较S[k]与周期寄存器T2PR中的设定值，若S[k]≥周期寄存器T2PR中的设定值，则开通开关管Q₂，且令S[k]=周期寄存器T2PR中的设定值；否则，比较S[k]≤0是否成立，若S[k]≤0，则关断开关管Q₂，并令S[k]=0；否则，比较S[k]与计数寄存器T2CNT中的值，若S[k]≥计数寄存器T2CNT中的值，则开关管Q₂导通，励磁电流上升，双凸极发电机（1）通过交-直流转换电路（2）输出的直流电压上升；若S[k]<计数寄存器T2CNT中的值，则开关管Q₂关断，励磁电流下降，双凸极发电机（1）通过交-直流转换电路（2）输出的直流电压减小；

再按如下公式更新数值，以便进行在下一次AD中断响应时，计算滑模方程S输出并给出开关管Q₂的通断状态，

公式5

在更新数值后，则开关管Q₂完成了1次通断调整；当定时器T1的计数寄存器T1CNT中的值再次等于定时器T1的周期寄存器T1PR中的设定值时，重复步骤d和步骤e，通过实时对开关管Q₂通断的调整，可实现对双凸极发电机（1）通过交-直流转换电路（2）输出直流电压的调整。

2.根据权利要求1所述的双凸极发电机电压调节控制方法，其特征在于：所述励磁调节器（3）还包括励磁电流检测电路（3-5），所述双凸极发电机（1）的励磁绕组连接端和DSP微处理器（3-3）分别与励磁电流检测电路（3-5）相应的连接端电连接。

3.根据权利要求2所述的双凸极发电机电压调节控制方法，其特征在于：所述励磁电流检测电路（3-5）包括电阻R₆、R₈和检测双凸极发电机（1）励磁绕组电流的电流传感器LEM2，所述电阻R₆的一端与双凸极发电机（1）的励磁绕组连接输出端电连接，电阻R₆的另一端通过电流传感器LEM2与励磁功率变换器（3-4）相应的连接端电连接，电阻R₈的一端与电流传感器LEM2的检测端以及DSP微处理器（3-3）相应的连接端电连接，电阻R₈的另一端接地。

4.根据权利要求1所述的双凸极发电机电压调节控制方法，其特征在于：所述滤波电路（2-2）具有与负载电路（4）电连接的连接端子E、F；所述滤波电路（2-2）还包括电流传感器LEM1和电阻R₇，电容C₀与电流传感器LEM1串接并引出连接端子E、F，且连接端子E、F与负载电路（4）的两端相并联，电流传感器LEM1的检测端与电阻R₇的一端以及电容电流检测电路（3-1）相应的输入端电连接，电阻R₇的另一端接地，电流传感器LEM1的电源端接电源。

5.根据权利要求1所述的双凸极发电机电压调节控制方法，其特征在于：所述励磁调节器（3）的输出电压检测电路（3-2）是由分压电阻构成的电压检测电路，或者是由运算放大器构成差动式电压检测电路。

6.根据权利要求1所述的双凸极发电机电压调节控制方法，其特征在于：所述励磁调节器（3）的励磁功率变换器（3-4）还包括励磁电源U_f和二极管D11、D12；所述开关管Q₁的漏极与二极管D11的阴极以及励磁电源U_f的正极电连接，开关管Q₁的源极与二极管D12的阴极以及双凸极发电机（1）的励磁绕组连接输入端电连接；所述开关管Q₂的源极与二极管D12的阳极以及励磁电源U_f的负极电连接，开关管Q₂的漏极与二极管D11的阳极电连接并经励磁电流检测电路（3-5）与双凸极发电机（1）的励磁绕组连接输出端电连接；开关管Q₁的栅极和开关管Q₂的栅极分别与DSP微处理器（3-3）相应的连接端电连接。

7.根据权利要求4所述的双凸极发电机电压调节控制方法，其特征在于：所述电容电流检测电路（3-1）包括运算放大器U₁和二极管d₁、d₂；所述输出电压检测电路（3-2）是运算放大器构成差动式电压检测电路，包括运算放大器U₂、U₃，二极管d₃、d₄，电阻R₃、R₄、R₅、R₉；所述电阻R₄的一端、电阻R₉的一端同时与运算放大器U₃的同相端电连接，而电阻R₉的另一端接地，电阻R₄的另一端与滤波电路（2-2）的连接端子E电连接；所述滤波电路（2-2）的连接端子F经电阻R₃与运算放大器U₃的反相端电连接，电阻R₅跨接在运算放大器U₃的输出端和反相端之间，并与电阻R₃构成电压缩放比例模块；所述运算放大器U₃的输出端与运算放大器U₂的同相端电连接，而运算放大器U₂的反相端与运算放大器U₂的输出端电连接，并构成电压跟随模块；所述运算放大器U₂的输出端同时与二极管d₃的阳极以及二极管d₄的阴极电连接，并与DSP微处理器（3-3）相应的连接端电连接，二极管d₃的阴极与电源电连接，二极管d₄的阳极接地；所述运算放大器U₁的同相端与滤波电路（2-2）相应的连接端电连接，运算放大器U₁的反相端与运算放大器U₁的输出端电连接，并同时与二极管d₁的阳极以及二极管d₂的阴极电连接，以及与DSP微处理器（3-3）相应的连接端电连接，二极管d₁的阴极与电源电连接，二极管d₂的阳极接地。