CN104660131A - 混合励磁直流发电机电压调节装置及其电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合励磁直流发电机电压调节装置及电压调节方法，装置包括混合励磁发电机、交直流转换电路、双向励磁调节器以及负载电路；混合励磁发电机的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，交直流转换电路的直流输出接入负载电路中，交直流转换电路中的三相整流桥的输出端和滤波电容C_o与励磁调节器相应的连接端电连接，混合励磁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。本发明电路结构简单，生产成本比较低，其具有很快的动态响应，能得到较好的动态性能，降低了发电时的输出电压静差。

Description

混合励磁直流发电机电压调节装置及其电压调节方法

技术领域

本发明具体涉及混合励磁直流发电机电压调节装置及其电压调节方法。

背景技术

近年来，为了兼具永磁电机高效和电励磁电机易于实现磁场调节的优点，众多电机专家提出了混合励磁式电机，即电机有两个磁势源，分别为永磁体和电励磁磁势。混合励磁电机作发电机时，在效率下降不多的情况下，使发电机获得了更宽的发电运行转速范围和灭磁保护能力。然而，作为新型的混合励磁发电机，其励磁调节器需具备励磁电流双向调节能力，即励磁电流既可以正向调节，又可进行负向调节。同时，纵观以往发电机的励磁调节器控制大多采用普通的输出电压反馈加励磁电流前馈等控制方式，其控制环调节仍然为PI控制，动态性能较差。同时，这种控制方式并不能改变发电机由于环境温度等因素变化而引起发电机参数变化所造成的发电机性能下降。因此，需要一种强鲁棒性，并对外界环境具有抗扰性的新型控制方法来作为励磁调节器的控制策略，以实现发电机的快速动态调节，并获得良好的稳态与动态性能。

发明内容

本发明的目的：为混合励磁发电机提供一种双向励磁调节器，并配以能自动适应环境和发电机参数结构变化的控制策略，以实现发电机的快速励磁调节，并使发电机获得优良的稳态和动态性能，以克服传统技术的不足。

为了达到上述目的，采用的技术方案是：一种混合励磁直流发电机装置，包括混合励磁发电机(1)、交直流转换电路(2)、双向励磁调节器(3)以及负载电路(4)；所述混合励磁发电机(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，所述交直流转换电路(2)的直流输出接入负载电路(4)中，所述交直流转换电路(2)中的三相整流桥的输出端和滤波电容C_o与励磁调节器(3)相应的连接端电连接，所述混合励磁发电机(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。

上述交直流转换电路(2)包括三相整流桥、电流传感器LEM1、电阻R₅以及滤波电容，所述混合励磁发电机(1)的A、B、C三相电压输出端与三相整流桥的三个桥臂中点电连接；所述滤波电容C_o的负极引出端经铜导体与三相整流桥的共阴极端进行电连接；所述滤波电容C_o的负极引出端通过铜导体经电流传感器LEM1串接后与三相整流桥的共阳极端电连接；所述电流传感器LEM1的检测端与电阻R₅的一端以及双向励磁调节器(3)相应的输入端电连接，所述电阻R₅的另一端接地，所述电流传感器LEM1的电源端接电源；所述交直流转换电路(2)具有与负载电路(4)电连接的连接端子E和F，所述连接端子E和F输出端串接负载电阻R_L。

上述励磁调节器(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)、励磁电流检测电路(3-4)和双向励磁功率变换器(3-5)；所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接端与双向励磁功率变换器(3-5)相应的连接端电连接；所述交直流转换电路(2)的连接端子E、F同时和负载电路(4)输入端及输出电压检测电路(3-2)的输入端电连接；所述电容电流检测电路(3-1)的输入端与电流传感器LEM1的检测端与电阻R₅的一端电连接，所述电容电流检测电路(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，所述DSP微处理器(3-3)相应的输出端与双向励磁功率变换器(3-5)相应的输入端电连接，所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接端、DSP微处理器(3-3)和双向励磁功率变换器(3-5)分别与励磁电流检测电路(3-4)相应的连接端电连接。

上述双向励磁功率变换器(3-5)包括励磁电源U_f，四个功率开关管，四个二极管；所述功率开关管分别为开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄，所述二极管分别为d₁₁、d₁₂、d₁₃、d₁₄；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，所述开关管Q₁的源极与二极管的d₁₁的阳极、d₁₄的阴极、开关管Q₄的漏极以及混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接输入端电连接；所述开关管Q₂的源极与d₁₂的阳极以及励磁电源U_f的负极电连接；所述开关管Q₃的源极与二极管d₁₃的阳极、d₁₂的阴极、开关管Q₂的漏极电连接并经励磁电流检测电路(3-4)与混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接输出端电连接；所述开关管Q₁的栅极和开关管Q₂的栅极与DSP微处理器(3-3)的PWM1输出端电连接；所述开关管Q₃的栅极和开关管Q₄的栅极与DSP微处理器(3-3)的PWM2输出端电连接。

上述励磁电流检测电路(3-4)包括电阻R₉和检测混合励磁发电机(1)励磁绕组电流的电流传感器LEM2，所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组输出端通过电流传感器LEM2与励磁功率变换器(3-5)相应的连接端电连接，电阻R₉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R₉的另一端接地。

上述电容电流检测电路(3-1)包括运算放大器U₁，二极管d₁、d₂，电阻R₆、R₇、R₈；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R₁、R₂、R₃、R₄；所述电阻R₂的一端、电阻R₃的一端同时与运算放大器U₃的同相端电连接，而电阻R₃的另一端接地，电阻R₂的另一端与交直流转换电路(2)的连接端子E电连接；所述交直流转换电路(2)的连接端子F经电阻R₁与运算放大器U₃的反相端电连接，电阻R₄跨接在运算放大器U₃的输出端和反相端之间，并与电阻R₁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的同相端经电阻R₆与电流传感器LEM1的输出检测端进行电连接；电阻R₈跨接于运算放大器U₁的同相端和输出端，并与电阻R₆构成电压比例模块；运算放大器U₁的输出端电同时与二极管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。

一种混合励磁发电机电压调节方法，利用上述的装置，其调节步骤如下：

步骤a、建立终端滑模控制器的滑模方程S以及控制率u，表达式如下：

$S=x_2+\mathrm{\α}(e^{x_1}-1)$

$u=-\frac{C_{o}L}{\mathrm{\β}{e}_{\mathrm{ab}}}[\frac{x_1}{C_{o}L}+\frac{x_2}{C_o{R}_L}-\frac{U_r}{C_{o}L}-\mathrm{\α}{x}_2{e}^{x_1}-\mathrm{K\; sgn}\left(S\right)]---\left(1\right)$

x₁＝U_r-βu_o＝U_r-U_o[k]＝e[k]

$x_2=-\frac{\mathrm{\β}}{C_o}{i}_{\mathrm{Co}}=-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right]$

式中，α表示的滑模系数，u_o为发电机输出瞬时电压，β/C_o表示的是经电容电流检测电路处理后输出的电压缩放比例，β为经过输出电压检测电路处理后输出电压的缩放比例系数，R_L为负载电阻的阻值，i_Co为负载电路中滤波电容上流过的充放电电流，U_r为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)输出直流电压的参考值，U_o为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)的直流输出电压经过直流输出电压检测电路后的当前采样值，I_Co为电容电流经过电容电流检测电路后的当前时刻采样值，e_k为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)的直流输出电压在当前时刻的输出电压误差值；x₁为设定的输出电压参考值与发电机输出电压检测值之差；x₂为x₁的微分，为滤波电容当前时刻的充放电电流的负值；L为混合励磁电机的等效电感，其值可按a、b两相电感之和减去2倍的a、b两相间互感进行计算，即满足L＝L_a+L_b-2L_ab；K为控制率和切换函数Sgn(S)之间的稳定系数，K＞0；

由公式(1)将滑模方程S通过数学变换改写为如下格式：

$S\≈-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right]+\mathrm{\α}\left[e\right[k]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3]$

(2)

而分量

$x_2{e}^{x_1}=E\≈-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right][1+e[k]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3]$

(3)

由公式1和公式3可得到控制率u为

u＝-b₁e[k]+b₂I_Co[k]+b₃+αα₁E+α₁Ksgn(S)

(4)

上式控制率u中的系数可由下述方程式计算：

b₁＝1/(βe_ab)

b₂＝L/(βe_abR_L)

(5)

b₃＝U_r/(βe_ab)

α₁＝C_oL/(βe_ab)

上述式(5)中，e_ab为混合励磁发电机的输出两相线电压，在进行上述参数计算时，可近似将其值看作为混合励磁发电机期望的实际输出稳定电压。

所述的励磁调节器(3)包括双向励磁功率变换器，而励磁功率功率变换器包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄，根据实际装置中的滤波电容C_o的容值和负载电路的最大负载(此时R_L值最小)，根据公式2和公式4建立滑模面方程S以及控制率u；

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ADCINA0和ADCINA1；给α、U_r赋一初值，设定U_o[k]＝0、I_Co[k]＝0、e[k]＝0、S[k]＝0；根据公式(5)进行参数计算，并设定α₁，b₁、b₂、b₃的值；

步骤c、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；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：

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：

$T2\mathrm{PR}=\frac{f_{T2}}{2f_s}---\left(6\right)$

上述公式(6)中，f_T2为定时器T2的工作频率，f_s为所造三角载波的频率；

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，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；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；

给定时器T1和T2的使能寄存器T1ENABLE和T2ENABLE2置“1”，定时器T1的计数寄存器T1CNT和定时器T2的计数寄存器T2CNT开始计数，固定频率为f_s的三角形载波开始产生；

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，检测当前时刻混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)输出的直流电压U_o，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U_o[k]；检测流过滤波电容C_o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-U_o[k]；计算表达式 $e\left[k\right]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3,$ 赋值F，使 $F=e\left[k\right]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3;$ 按照式S[k]＝-I_Co[k]+αF计算滑模面方程S[k]的当前值；计算表达式-I_Co[k][1+F]，并赋值给变量E，使E＝-I_Co[k][1+F]，按照表达式u[0]＝-b₁e[k]+b₂I_Co[k]+b₃+αα₁E计算后，将值赋给u[0]；

判断S[k]的大小，若S[k]＞0，则按式子u[k]＝u[0]+α₁K计算当前控制率u[k]；否则，则按式子u[k]＝u[0]-α₁K计算当前控制率u[k]；

比较u[k]与T2CNT的值，若u[k]＞＝T2CNT，则置PWM2口为“0”，关断功率开关管Q3、Q4,然后置PWM1口为“1”，开通功率开关管Q1、Q2；此时，励磁电流上升，混合励磁发电机(1)的输出直流电压上升；若u[k]＜T2CNT，则置PWM1口为“0”，先关断功率开关管Q1、Q2,然后置PWM2口为“1”，开通功率开关管Q3、Q4，此时，励磁电流下降，发电机(1)的输出直流电压减小；

对PWM口完成1次赋值后，即对功率开关管的动作完成了一次调整，每完成1次调整，即可清除中断标志位，进行中断返回；

当再次满足中断触发条件时，即T1CNT＝T1PR，系统将再次进入中断，重复进行步骤d-e的操作计算。

本发明所具有的积极效果是：本发明是基于非奇异终端滑模控制的电压调节控制方法，是通过以双凸极发电机输出电压偏差以及输出电压偏差的导数(一定比例的电容充放电电流)为状态变量构建的非线性指数滑模面方程以及系统的控制率，在此基础上，通过李雅普诺夫稳定性方程确定滑模系数以及控制率系数的值，实时检测输出电压以及励磁电流，计算滑模函数值S从而得到控制率u，并根据控制率u的值控制励磁调节器的相应开关管的开通与关断，从而达到调节励磁电流，进而调节输出电压的目的，使得系统输出电压稳定快速的跟踪到给定电压。由于是采用的数字控制器，所以电路结构简单，生产成本比较低，其具有很快的动态响应，虽然控制器理论设计及参数设计较复杂，但是能得到较好的动态性能，降低了发电时的输出电压静差；并且利用非奇异终端滑模控制器，其具有较强的环境适应性和抗扰动性能强，能克服电机在长期运行过程中由于绕组温升变化及阻抗变化而引起的对系统的影响，鲁棒性极强，能快速、精确和稳定地跟踪到给定。

附图说明

图1为本发明装置的结构框图；

图2为本发明装置的硬件电路连接图；

图3为PWM信号发生示意图；

图4为本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，一种混合励磁直流发电机装置，包括混合励磁发电机(1)、交直流转换电路(2)、双向励磁调节器(3)以及负载电路(4)；所述混合励磁发电机(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，所述交直流转换电路(2)的直流输出接入负载电路(4)中，所述交直流转换电路(2)中的三相整流桥的输出端和滤波电容C_o与励磁调节器(3)相应的连接端电连接，所述混合励磁发电机(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。

如图2所示，交直流转换电路(2)包括三相整流桥、电流传感器LEM1、电阻R₅以及滤波电容，所述混合励磁发电机(1)的A、B、C三相电压输出端与三相整流桥的三个桥臂中点电连接；所述滤波电容C_o的负极引出端经铜导体与三相整流桥的共阴极端进行电连接；所述滤波电容C_o的负极引出端通过铜导体经电流传感器LEM1串接后与三相整流桥的共阳极端电连接；所述电流传感器LEM1的检测端与电阻R₅的一端以及双向励磁调节器(3)相应的输入端电连接，所述电阻R₅的另一端接地，所述电流传感器LEM1的电源端接电源；所述交直流转换电路(2)具有与负载电路(4)电连接的连接端子E和F，所述连接端子E和F输出端串接负载电阻R_L。

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)、励磁电流检测电路(3-4)和双向励磁功率变换器(3-5)；所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接端与双向励磁功率变换器(3-5)相应的连接端电连接；所述交直流转换电路(2)的连接端子E、F同时和负载电路(4)输入端及输出电压检测电路(3-2)的输入端电连接；所述电容电流检测电路(3-1)的输入端与电流传感器LEM1的检测端与电阻R₅的一端电连接，所述电容电流检测电路(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，所述DSP微处理器(3-3)相应的输出端与双向励磁功率变换器(3-5)相应的输入端电连接，所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接端、DSP微处理器(3-3)和双向励磁功率变换器(3-5)分别与励磁电流检测电路(3-4)相应的连接端电连接。

双向励磁功率变换器(3-5)包括励磁电源U_f，四个功率开关管，四个二极管；所述功率开关管分别为开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄，所述二极管分别为d₁₁、d₁₂、d₁₃、d₁₄；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，所述开关管Q₁的源极与二极管的d₁₁的阳极、d₁₄的阴极、开关管Q₄的漏极以及混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接输入端电连接；所述开关管Q₂的源极与d₁₂的阳极以及励磁电源U_f的负极电连接；所述开关管Q₃的源极与二极管d₁₃的阳极、d₁₂的阴极、开关管Q₂的漏极电连接并经励磁电流检测电路(3-4)与混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接输出端电连接；所述开关管Q₁的栅极和开关管Q₂的栅极与DSP微处理器(3-3)的PWM1输出端电连接；所述开关管Q₃的栅极和开关管Q₄的栅极与DSP微处理器(3-3)的PWM2输出端电连接。

励磁电流检测电路(3-4)包括电阻R₉和检测混合励磁发电机(1)励磁绕组电流的电流传感器LEM2，所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组输出端通过电流传感器LEM2与励磁功率变换器(3-5)相应的连接端电连接，电阻R₉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R₉的另一端接地。

电容电流检测电路(3-1)包括运算放大器U₁，二极管d₁、d₂，电阻R₆、R₇、R₈；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R₁、R₂、R₃、R₄；所述电阻R₂的一端、电阻R₃的一端同时与运算放大器U₃的同相端电连接，而电阻R₃的另一端接地，电阻R₂的另一端与交直流转换电路(2)的连接端子E电连接；所述交直流转换电路(2)的连接端子F经电阻R₁与运算放大器U₃的反相端电连接，

电阻R₄跨接在运算放大器U₃的输出端和反相端之间，并与电阻R₁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的同相端经电阻R₆与电流传感器LEM1的输出检测端进行电连接；电阻R₈跨接于运算放大器U₁的同相端和输出端，并与电阻R₆构成电压比例模块；运算放大器U₁的输出端电同时与二极管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3、图4所示，一种混合励磁发电机电压调节方法，利用上述的装置，其调节步骤如下：

步骤a、建立终端滑模控制器的滑模方程S以及控制率u，表达式如下：

$S=x_2+\mathrm{\α}(e^{x_1}-1)$

$u=-\frac{C_{o}L}{\mathrm{\β}{e}_{\mathrm{ab}}}[\frac{x_1}{C_{o}L}+\frac{x_2}{C_o{R}_L}-\frac{U_r}{C_{o}L}-\mathrm{\α}{x}_2{e}^{x_1}-\mathrm{K\; sgn}\left(S\right)]---\left(1\right)$

x₁＝U_r-βu_o＝U_r-U_o[k]＝e[k]

$x_2=-\frac{\mathrm{\β}}{C_o}{i}_{\mathrm{Co}}=-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right]$

式中，α表示的滑模系数，u_o为发电机输出瞬时电压，β/C_o表示的是经电容电流检测电路处理后输出的电压缩放比例，β为经过输出电压检测电路处理后输出电压的缩放比例系数，R_L为负载电阻的阻值，i_Co为负载电路中滤波电容上流过的充放电电流，U_r为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)输出直流电压的参考值，U_o为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)的直流输出电压经过直流输出电压检测电路后的当前采样值，I_Co为电容电流经过电容电流检测电路后的当前时刻采样值，e_k为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)的直流输出电压在当前时刻的输出电压误差值；x₁为设定的输出电压参考值与发电机输出电压检测值之差；x₂为x₁的微分，为滤波电容当前时刻的充放电电流的负值；L为混合励磁电机的等效电感，其值可按a、b两相电感之和减去2倍的a、b两相间互感进行计算，即满足L＝L_a+L_b-2L_ab；K为控制率和切换函数Sgn(S)之间的稳定系数，K＞0；

由公式(1)将滑模方程S通过数学变换改写为如下格式：

$S\≈-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right]+\mathrm{\α}\left[e\right[k]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3]---\left(2\right)$

而分量

$x_2{e}^{x_1}=E\≈-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right][1+e[k]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3]---\left(3\right)$

由公式1和公式3可得到控制率u为

u＝-b₁e[k]+b₂I_Co[k]+b₃+αα₁E+α₁Ksgn(S)   (4)

上式控制率u中的系数可由下述方程式计算：

b₁＝1/(βe_ab)

b₂＝L/(βe_abR_L)   (5)

b₃＝U_r/(βe_ab)

α₁＝C_oL/(βe_ab)

上述式(5)中，e_ab为混合励磁发电机的输出两相线电压，在进行上述参数计算时，可近似将其值看作为混合励磁发电机期望的实际输出稳定电压。

所述的励磁调节器(3)包括双向励磁功率变换器，而励磁功率功率变换器包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄，根据实际装置中的滤波电容C_o的容值和负载电路的最大负载(此时R_L值最小)，根据公式2和公式4建立滑模面方程S以及控制率u；

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ADCINA0和ADCINA1；给α、U_r赋一初值，设定U_o[k]＝0、I_Co[k]＝0、e[k]＝0、S[k]＝0；根据公式(5)进行参数计算，并设定α₁，b₁、b₂、b₃的值；

步骤c、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；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：

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：

$T2\mathrm{PR}=\frac{f_{T2}}{2f_s}---\left(6\right)$

上述公式(6)中，f_T2为定时器T2的工作频率，f_s为所造三角载波的频率；

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，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；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；

给定时器T1和T2的使能寄存器T1ENABLE和T2ENABLE2置“1”，定时器T1的计数寄存器T1CNT和定时器T2的计数寄存器T2CNT开始计数，固定频率为f_s的三角形载波开始产生；

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，检测当前时刻混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)输出的直流电压U_o，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U_o[k]；检测流过滤波电容C_o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-U_o[k]；计算表达式 $e\left[k\right]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3,$ 赋值F，使 $F=e\left[k\right]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3;$ 按照式S[k]＝-I_Co[k]+αF计算滑模面方程S[k]的当前值；计算表达式-I_Co[k][1+F]，并赋值给变量E，使E＝-I_Co[k][1+F]，按照表达式u[0]＝-b₁e[k]+b₂I_Co[k]+b₃+αα₁E计算后，将值赋给u[0]；

判断S[k]的大小，若S[k]＞0，则按式子u[k]＝u[0]+α₁K计算当前控制率u[k]；否则，则按式子u[k]＝u[0]-α₁K计算当前控制率u[k]；

比较u[k]与T2CNT的值，若u[k]＞＝T2CNT，则置PWM2口为“0”，关断功率开关管Q3、Q4,然后置PWM1口为“1”，开通功率开关管Q1、Q2；此时，励磁电流上升，混合励磁发电机(1)的输出直流电压上升；若u[k]＜T2CNT，则置PWM1口为“0”，先关断功率开关管Q1、Q2,然后置PWM2口为“1”，开通功率开关管Q3、Q4，此时，励磁电流下降，发电机(1)的输出直流电压减小；

对PWM口完成1次赋值后，即对功率开关管的动作完成了一次调整，每完成1次调整，即可清除中断标志位，进行中断返回；

当再次满足中断触发条件时，即T1CNT＝T1PR，系统将再次进入中断，重复进行步骤d-e的操作计算。

Claims (7)

1.一种混合励磁直流发电机电压调节装置，其特征在于：包括混合励磁发电机(1)、交直流转换电路(2)、双向励磁调节器(3)以及负载电路(4)；所述混合励磁发电机(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，所述交直流转换电路(2)的直流输出接入负载电路(4)中，所述交直流转换电路(2)中的三相整流桥的输出端和滤波电容C_o与励磁调节器(3)相应的连接端电连接，所述混合励磁发电机(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。

2.根据权利要求1所述的混合励磁直流发电机电压调节装置，其特征在于：所述交直流转换电路(2)包括三相整流桥、电流传感器LEM1、电阻R₅以及滤波电容，所述混合励磁发电机(1)的A、B、C三相电压输出端与三相整流桥的三个桥臂中点电连接；所述滤波电容C_o的负极引出端经铜导体与三相整流桥的共阴极端进行电连接；所述滤波电容C_o的负极引出端通过铜导体经电流传感器LEM1串接后与三相整流桥的共阳极端电连接；所述电流传感器LEM1的检测端与电阻R₅的一端以及双向励磁调节器(3)相应的输入端电连接，所述电阻R₅的另一端接地，所述电流传感器LEM1的电源端接电源；所述交直流转换电路(2)具有与负载电路(4)电连接的连接端子E和F，所述连接端子E和F输出端串接负载电阻R_L。

3.根据权利要求1所述的混合励磁直流发电机电压调节装置，其特征在于：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)、励磁电流检测电路(3-4)和双向励磁功率变换器(3-5)；所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接端与双向励磁功率变换器(3-5)相应的连接端电连接；所述交直流转换电路(2)的连接端子E、F同时和负载电路(4)输入端及输出电压检测电路(3-2)的输入端电连接；所述电容电流检测电路(3-1)的输入端与电流传感器LEM1的检测端与电阻R₅的一端电连接，所述电容电流检测电路(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，所述DSP微处理器(3-3)相应的输出端与双向励磁功率变换器(3-5)相应的输入端电连接，所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接端、DSP微处理器(3-3)和双向励磁功率变换器(3-5)分别与励磁电流检测电路(3-4)相应的连接端电连接。

4.根据权利要求3所述的混合励磁直流发电机电压调节装置，其特征在于：所述双向励磁功率变换器(3-5)包括励磁电源U_f，四个功率开关管，四个二极管；所述功率开关管分别为开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄，所述二极管分别为d₁₁、d₁₂、d₁₃、d₁₄；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，所述开关管Q₁的源极与二极管的d₁₁的阳极、d₁₄的阴极、开关管Q₄的漏极以及混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接输入端电连接；所述开关管Q₂的源极与d₁₂的阳极以及励磁电源U_f的负极电连接；所述开关管Q₃的源极与二极管d₁₃的阳极、d₁₂的阴极、开关管Q₂的漏极电连接并经励磁电流检测电路(3-4)与混合励磁发电机(1)的励磁绕组连接输出端电连接；所述开关管Q₁的栅极和开关管Q₂的栅极与DSP微处理器(3-3)的PWM1输出端电连接；所述开关管Q₃的栅极和开关管Q₄的栅极与DSP微处理器(3-3)的PWM2输出端电连接。

5.根据权利要求3所述的混合励磁直流发电机电压调节装置，其特征在于：所述励磁电流检测电路(3-4)包括电阻R₉和检测混合励磁发电机(1)励磁绕组电流的电流传感器LEM2，所述混合励磁发电机(1)的励磁绕组输出端通过电流传感器LEM2与励磁功率变换器(3-5)相应的连接端电连接，电阻R₉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R₉的另一端接地。

6.根据权利要求3所述的混合励磁直流发电机电压调节装置，其特征在于：所述电容电流检测电路(3-1)包括运算放大器U₁，二极管d₁、d₂，电阻R₆、R₇、R₈；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R₁、R₂、R₃、R₄；所述电阻R₂的一端、电阻R₃的一端同时与运算放大器U₃的同相端电连接，而电阻R₃的另一端接地，电阻R₂的另一端与交直流转换电路(2)的连接端子E电连接；所述交直流转换电路(2)的连接端子F经电阻R₁与运算放大器U₃的反相端电连接，电阻R₄跨接在运算放大器U₃的输出端和反相端之间，并与电阻R₁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的同相端经电阻R₆与电流传感器LEM1的输出检测端进行电连接；电阻R₈跨接于运算放大器U₁的同相端和输出端，并与电阻R₆构成电压比例模块；运算放大器U₁的输出端电同时与二极管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。

7.一种混合励磁发电机电压调节方法，其特征在于：利用权利要求1-6所述的装置，其调节步骤如下：

步骤a、建立终端滑模控制器的滑模方程S以及控制率u，表达式如下：

$S=x_2+\mathrm{\α}(e^{x_1}-1)$

$u=-\frac{C_{o}L}{\mathrm{\β}{e}_{\mathrm{ab}}}[\frac{x_1}{C_{o}L}+\frac{x_2}{C_o{R}_L}-\frac{U_r}{C_{o}L}-\mathrm{\α}{x}_2{e}^{x_1}-\mathrm{Ksgn}\left(S\right)]---\left(1\right)$

x₁＝U_r-βu_o＝U_r-U_o[k]＝e[k]

$x_2=-\frac{\mathrm{\β}}{C_o}{i}_{\mathrm{Co}}=-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right]$

式中，α表示的滑模系数，u_o为发电机输出瞬时电压，β/C_o表示的是经电容电流检测电路处理后输出的电压缩放比例，β为经过输出电压检测电路处理后输出电压的缩放比例系数，R_L为负载电阻的阻值，i_Co为负载电路中滤波电容上流过的充放电电流，U_r为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)输出直流电压的参考值，U_o[k]为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)的直流输出电压经过直流输出电压检测电路后的当前采样值，I_Co[k]为电容电流经过电容电流检测电路后的当前时刻采样值，e[k]为混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)的直流输出电压在当前时刻的输出电压误差值；x₁为设定的输出电压参考值与发电机输出电压检测值之差；x₂为x₁的微分，为滤波电容当前时刻的充放电电流的负值；L为混合励磁电机的等效电感，其值可按a、b两相电感之和减去2倍的a、b两相间互感进行计算，即满足L＝L_a+L_b-2L_ab；K为控制率和切换函数Sgn(S)之间的稳定系数，K＞0；

由公式(1)将滑模方程S通过数学变换改写为如下格式：

$S\≈-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right]+\mathrm{\α}\left[e\right[k]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3]---\left(2\right)$

而分量

$x_2{e}^{x_1}=E\≈-I_{\mathrm{Co}}\left[k\right][1+e[k]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3]---\left(3\right)$

由公式1和公式3可得到控制率u为

u＝-b₁e[k]+b₂I_Co[k]+b₃+αα₁E+α₁Ksgn(S)       (4)

上式控制率u中的相关系数可由下述方程式计算：

b₁＝1/(βe_ab)

b₂＝L/(βe_abR_L)             (5)

b₃＝U_r/(βe_ab)

α₁＝C_oL/(βe_ab)

公式(5)中，e_ab为混合励磁发电机的输出两相线电压，在进行上述参数计算时，可近似将其值看作为混合励磁发电机期望的实际输出稳定电压；

所述的励磁调节器(3)包括双向励磁功率变换器，而励磁功率功率变换器包括开关管Q₁、开关管Q₂、开关管Q₃、开关管Q₄，根据实际装置中的滤波电容C_o的容值和负载电路的最大负载，此时R_L值最小，根据公式2和公式4建立滑模面方程S以及控制率u；

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ADCINA0和ADCINA1；给α、U_r赋一初值，设定U_o[k]＝0、I_Co[k]＝0、e[k]＝0、S[k]＝0；根据公式(5)进行参数计算，并设定α₁，b₁、b₂、b₃的值；

步骤c、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；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：

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：

$T2\mathrm{PR}=\frac{f_{T2}}{2f_s}---\left(6\right)$

上述公式(6)中，f_T2为定时器T2的工作频率，f_s为所造三角载波的频率；

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，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；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；

给定时器T1和T2的使能寄存器T1ENABLE和T2ENABLE2置“1”，定时器T1的计数寄存器T1CNT和定时器T2的计数寄存器T2CNT开始计数，固定频率为f_s的三角形载波开始产生；

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，检测当前时刻混合励磁发电机(1)通过交直流转换电路(2)输出的直流电压U_o，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U_o[k]；检测流过滤波电容C_o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-U_o[k]；计算表达式赋值F，使 $F=e\left[k\right]+\frac{1}{2!}{\left(e\right[k\left]\right)}^2+\frac{1}{3!}{\left(e\right[k\left]\right)}^3;$ 按照式S[k]＝-I_Co[k]+αF计算滑模面方程S[k]的当前值；计算表达式-I_Co[k][1+F]，并赋值给变量E，使E＝-I_Co[k][1+F]，按照表达式u[0]＝-b₁e[k]+b₂I_Co[k]+b₃+αα₁E计算后，将值赋给u[0]；

判断S[k]的大小，若S[k]＞0，则按式子u[k]＝u[0]+α₁K计算当前控制率u[k]；否则，则按式子u[k]＝u[0]-α₁K计算当前控制率u[k]；

比较u[k]与T2CNT的值，若u[k]＞＝T2CNT，则置PWM2口为“0”，关断功率开关管Q3、Q4,然后置PWM1口为“1”，开通功率开关管Q1、Q2；此时，励磁电流上升，混合励磁发电机(1)的输出直流电压上升；若u[k]＜T2CNT，则置PWM1口为“0”，先关断功率开关管Q1、Q2,然后置PWM2口为“1”，开通功率开关管Q3、Q4，此时，励磁电流下降，发电机(1)的输出直流电压减小；

对PWM口完成1次赋值后，即对功率开关管的动作完成了一次调整，每完成1次调整，即可清除中断标志位，进行中断返回；

当再次满足中断触发条件时，即T1CNT＝T1PR，系统将再次进入中断，重复进行步骤d-e的操作计算。