CN104967380A - 具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置及方法。通过检测发电机输出电压，构建三阶线性状态观测器，并利用输出电压参考值、线性状态观测器参数建立电压调节器的开关管控制率，对发电机输出实现了预测校正，提高了发电机的动态响应，减小了静差，实现了自抗扰功能，克服了传统控制技术的不足。本发明控制方法的实现需要结合相关硬件电路，其所需硬件电路结构简单，控制方法主要依靠微处理器执行相关算法完成，整体方案使用器件少，生产成本比较低，具有极强的抗扰动性能和输出电压静差。

Description

具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置及方法

技术领域

本发明具体涉及一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置及方法。

技术背景

双凸极电机是上世纪90年代发展起来的一种新型磁阻型电机，具有结构简单、可靠和适合高速运行等优点。双凸极电机根据激磁方式的不同分为双凸极永磁电机(DSPM)、双凸极电励磁电机(DSEM)以及双凸极混合励磁电机(DSHEM)。DSEM和DSHEM由于存在电励磁绕组，励磁调节非常方便，便于故障时进行灭磁，因而适合作发电机运行。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。但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。同时，负载和励磁电源端的大范围扰动以及环境电磁干扰也会大大影响和降低发电机的性能。

根据实验测试证明，在传统的PI固定参数控制下，发电机的输出电压(电压调节点28.5V)从空载到满载(负载电流从0A到250A)，输出电压跌落了0.5V；发电机在转速为6000r/min时，负载电流从250A到50A突卸时，电压飘升12V，输出电压的恢复时间为300ms；负载电流从50A到250A突加时，输出电压跌落近7V，输出电压恢复时间为300ms。

发明内容

本发明的目的：针对励磁电源、负载扰动以及环境温度变化，提供了一种能够克服发电机系统长期运行，结构参数变化而导致的发电性能下降的一种控制装置及其方法，通过对控制对象(发电机输出电压)构建三阶线性状态观测器，并利用输出电压参考值、线性状态观测器观测到的发电机输出电压、输出电压微分和扰动量建立电压调节器的开关管控制率，对发电机输出实现了预测校正，提高了发电机的动态响应，减小了静差，实现了自抗扰功能，克服了传统控制技术的不足。

为了达到上述目的，采用的技术方案是：

一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，包括双凸极发电机、交-直流转换电路、负载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。

作为优选方案，上述交-直流转换电路包括三相整流桥与滤波电容C_o，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的三个桥臂中点电连接；所述滤波电容C_o的正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与三相整流桥的共阳极端电连接；所述交直流转换电路具有与负载电路电连接的连接端子E和F，所述连接端子E和F输出端串接负载电阻R_L。

作为优选方案，上述励磁调节器包括输出电压检测电路、DSP微处理器、励磁电流检测电路和双向励磁功率变换器；所述双凸极发电机的励磁绕组连接端与励磁功率变换器相应的连接端电连接，所述交直流转换电路的连接端子E、F同时和负载电路输入端及输出电压检测电路的输入端电连接；所述输出电压检测电路的输出端分别与DSP微处理器相应的连接端电连接，所述DSP微处理器相应的输出端与双向励磁功率变换器相应的输入端电连接，所述双凸极发电机的励磁绕组连接端、DSP微处理器和双向励磁功率变换器分别与励磁电流检测电路相应的连接端电连接。

作为优选方案，上述励磁功率变换器包括励磁电源U_f，开关管Q1、开关管Q2、二极管D11、二极管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。

作为优选方案，上述励磁电流检测电路包括电阻R₅和检测双凸极发电机励磁绕组电流的电流传感器LEM1，所述双凸极发电机的励磁绕组输出端通过电流传感器LEM1与励磁功率变换器相应的连接端电连接，电阻R₅的一端与电流传感器LEM1的检测端以及DSP微处理器相应的连接端电连接，电阻R₅的另一端接地。

作为优选方案，上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U₁、运算放大器U₂、二极管d₁、二极管d₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄；所述电阻R₂的一端、电阻R₃的一端同时与运算放大器U₂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的连接端子E电连接；所述交直流转换电路的连接端子F经电阻R₁与运算放大器U₂的反相端电连接，电阻R₄跨接在运算放大器U₂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U₂的输出端与运算放大器U₁的同相端电连接，而运算放大器U₁的反相端与运算放大器U₁的输出端电连接，并构成电压跟随模块；所述运算放大器U₁的输出端同时与二极管d₁的阳极以及二极管d₂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d₁的阴极与电源电连接，二极管d₂的阳极接地。

一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制方法，利用上述的装置，其具体控制步骤是：

步骤a、建立发电机输出电压调节控制器的状态观测器及发电机输出状态变量方程,其表达式分别如

公式(1)

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{Z}}_1=Z_2+a_1({\mathrm{\βU}}_o-Z_1)\\ {\stackrel{\·}{Z}}_2=Z_3+a_2({\mathrm{\βU}}_o-Z_1)+b_{0}u=a_2({\mathrm{\βU}}_o-Z_1)+k_p(U_r-Z_1)+k_d{Z}_2\\ {\stackrel{\·}{Z}}_3=a_3({\mathrm{\βU}}_o-Z_1)\end{array}\right.---\left(1\right)$

和公式(2):

x₁＝βU_o＝U_o[k]            (2)

上述式中，β为经过电压检测电路处理后的输出电压缩放比例；U_o[k]为直流输出电压U_o经过直流输出电压检测电路后的当前采样值；a₁，a₂，a₃为状态观测器的参数；k_p，k_d，b₀为PD控制器参数。

由公式(1)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔZ}}_1=T_s\[Z_2\[k-1\]+a_1\left(U_o\[k\]-Z_1\[k-1\]\right)\]\\ {\mathrm{\ΔZ}}_2=T_s\[a_2\left(U_o\[k\]-Z_1\[k-1\]\right)+k_p\left(U_r-Z_1\[k-1\]\right)+k_d{Z}_2\[k-1\]\]\\ {\mathrm{\ΔZ}}_2=T_s{a}_3\left(U_o\[k\]-Z_1\[k-1\]\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

相应地

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_1\[k\]=Z_1\[k-1\]+{\mathrm{\ΔZ}}_1\\ Z_2\[k\]=Z_2\[k-1\]+{\mathrm{\ΔZ}}_2\\ Z_3\[k\]=Z_3\[k-1\]+{\mathrm{\ΔZ}}_3\end{array}\right.---\left(4\right)$

电压调节控制器中开关管Q2的控制率表达式如下

u＝[k_p(U_r-Z₁[k-1])+k_dZ₂[k-1]-Z₃[k-1]]/b₀     (5)

上式中，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的参考值；Z₁[k-1]，Z₂[k-1]，Z₃[k-1]为前一时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值；Z₁[k]，Z₂[k]，Z₃[k]为当前时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值；ΔZ₁，ΔZ₂，ΔZ₃为ADRC三阶观测器相应采样值在采样周期T_s内的增量；

所述励磁调节器包括励磁功率变换器，励磁功率变换器包括开关管Q1和开关管Q2，且开关管Q1为恒定导通状态，开关管Q2的开关状态由控制率u决定，由公式(5)建立励磁功率变换器的开关管Q₂的控制率方程u。

步骤b、由所述励磁调节器的DSP微处理器进行功能设定并初始化变量；

将DSP微处理器的PWM1、PWM2口定义为I/O口，并初始化ADCIN1；给a₁、a₂、a₃、k_p、k_d、b₀、U_r赋一初值；设定变量U_o[k]、Z₁[k]、Z₁[k-1]、Z₂[k]、Z₂[k-1]、Z₃[k]、Z₃[k-1]、ΔZ₁[k]、ΔZ₂[k]、ΔZ₃[k]并将这些变量初始化为零；设定采样周期并初始化T_s＝10μs；控制率u的上限值Up＝T2PR和下限值Low＝0。

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：

$T2PR=\frac{f_{T2}}{2f_s}---\left(6\right)$

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；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和所述DSP微处理器的定时器T2的计数寄存器T2CNT从零开始进行计数，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U_o，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U_o[k]；

步骤e、根据公式(3)计算观测器的Z₁、Z₂、Z₃变量在单位采样周期内的增量ΔZ₁、ΔZ₂、ΔZ₃的值，再根据公式(5)计算得到控制率u的值，将u与三角波的上下限进行比较，若u>Up,则令u＝Up，若u<Low,则令u＝Low；否则，则将u的值与T2CNT的值进行比较来确定开关管的开通与关断。若u>＝T2CNT，则功率开关管Q2导通，励磁电流上升，双凸极发电机(1)的输出直流电压上升；若u<T2CNT，则功率开关管Q2关断，励磁电流下降，双凸极发电机(1)的输出直流电压减小；

然后根据公式(4)计算Z₁[k]、Z₂[k]、Z₃[k]的值，并按下述公式进行数值更新，以便为下一次的计算做准备，随后清除中断标志位，以便能响应下次中断；

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_1\&lsqb;k\&rsqb;\\ z_2\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_2\&lsqb;k\&rsqb;\\ z_3\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_3\&lsqb;k\&rsqb;\end{array}\right.---\left(7\right)$

更新数值后，进行中断子程序的返回，至此，功率开关管完成了1次调整；并且当再次满足中断触发条件时，即(T1CNT＝T1PR)，系统再次进入中断，重复重复步骤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。

本发明所具有的积极效果是：通过对控制对象(发电机输出电压)构建三阶线性状态观测器，并利用输出电压参考值、线性状态观测器观测到的发电机输出电压、输出电压微分和扰动量建立电压调节器的开关管控制率，从而对功率开关管Q2进行PWM控制，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。这种电压调节控制方法可以脱离系统精确的数学模型，具有较强的适应性和鲁棒性，不仅保留了经典PID控制器的优点，而且与滑模控制相比少了电容电流检测电路，提高了可靠性，降低了成本。另外，还在一定程度上改善了它的适用范围和控制品质，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，能稳定的跟踪到给定并且消除系统的静差。

采用本发明的电压调节方法后的实验数据证明，在传统的PI固定参数控制下，发电机的输出电压(电压调节点28.5V)从空载到满载(负载电流从0A到250A)，输出电压几乎保持不变，非常稳定；发电机在转速为6000r/min时，负载电流从250A到50A突卸时，电压飘升9V，输出电压的恢复时间为100ms；负载电流从50A到250A突加时，输出电压跌落近7V，输出电压恢复时间为100ms；与传统的PI固定参数控制相比，稳态和动态性能大大提高。

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为线性状态观测器的内部连接示意图；

图4本发明的开关管Q2的驱动逻辑信号产生示意图；

图5为本发明方法的流程图。

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所示，一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，包括双凸极发电机1、负载电路4、与负载电路电连接的交-直流转换电路2以及励磁调节器3；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，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。

如图1所示，交-直流转换电路2包括三相整流桥与滤波电容C_o，双凸极发电机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；滤波电容C_o的正极引出端经铜导体与三相整流桥的共阴极端进行电连接；滤波电容C_o的负极引出端通过铜导体与三相整流桥的共阳极端电连接；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。

如图1所示，励磁调节器3包括输出电压检测电路3-1、DSP微处理器3-2、励磁电流检测电路3-3和双向励磁功率变换器3-4；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，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3-1的输入端电连接；输出电压检测电路3-1的输出端分别与DSP微处理器3-2相应的连接端电连接，DSP微处理器3-2相应的输出端与双向励磁功率变换器3-4相应的输入端电连接，双凸极发电机1的励磁绕组连接端、DSP微处理器3-2和双向励磁功率变换器3-4分别与励磁电流检测电路3-3相应的连接端电连接。

如图2所示，励磁功率变换器3-4包括励磁电源U_f，开关管Q1、开关管Q2、二极管D11、二极管D12；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；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3-3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3-2相应的连接端电连接。

如图2所示，励磁电流检测电路3-3包括电阻R₅和检测双凸极发电机1励磁绕组电流的电流传感器LEM1，双凸极发电机1的励磁绕组输出端通过电流传感器LEM1与励磁功率变换器3-4相应的连接端电连接，电阻R₅的一端与电流传感器LEM1的检测端以及DSP微处理器3-3相应的连接端电连接，电阻R₅的另一端接地。

如图2所示，输出电压检测电路3-1是运算放大器构成差动式电压检测电路，包括运算放大器U₁、运算放大器U₂、二极管d₁、二极管d₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄；所述电阻R₂的一端、电阻R₃的一端同时与运算放大器U₂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U₂的反相端电连接，电阻R₄跨接在运算放大器U₂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U₂的输出端与运算放大器U₁的同相端电连接，而运算放大器U₁的反相端与运算放大器U₁的输出端电连接，并构成电压跟随模块；所述运算放大器U₁的输出端同时与二极管d₁的阳极以及二极管d₂的阴极电连接，并与DSP微处理器3-2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5所示，一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制方法，利用上述装置，其具体控制步骤是：

步骤a、建立发电机输出电压调节控制器的状态观测器及发电机输出状态变量方程,其表达式分别如

公式(1)

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{Z}}_1=Z_2+a_1({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{Z}}_2=Z_3+a_2({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)+b_{0}u=a_2({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)+k_p(U_r-Z_1)+k_d{Z}_2\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{Z}}_3=a_3({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)\end{array}\right.---\left(1\right)$

和公式(2):

x₁＝βU_o＝U_o[k]       (2)

上述式中，β为经过电压检测电路处理后的输出电压缩放比例；U_o[k]为直流输出电压U_o经过直流输出电压检测电路后的当前采样值；a₁，a₂，a₃为状态观测器的参数；k_p，k_d，b₀为PD控制器参数。

由公式(1)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;Z}}_1=T_s\&lsqb;Z_2\&lsqb;k-1\&rsqb;+a_1(U_o\&lsqb;k\&rsqb;-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)\&rsqb;\\ {\mathrm{\&Delta;Z}}_2=T_s\&lsqb;a_2(U_o\&lsqb;k\&rsqb;-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)+k_p(U_r-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)+k_d{Z}_2\&lsqb;k-1\&rsqb;\&rsqb;\\ {\mathrm{\&Delta;Z}}_3=T_s{a}_3(U_o\&lsqb;k\&rsqb;-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)\end{array}\right.---\left(3\right)$

相应地

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_1\&lsqb;k\&rsqb;=Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;+{\mathrm{\&Delta;Z}}_1\\ Z_2\&lsqb;k\&rsqb;=Z_2\&lsqb;k-1\&rsqb;+{\mathrm{\&Delta;Z}}_2\\ Z_3\&lsqb;k\&rsqb;=Z_3\&lsqb;k-1\&rsqb;+{\mathrm{\&Delta;Z}}_3\end{array}\right.---\left(4\right)$

电压调节控制器中开关管Q2的控制率表达式如下

u＝[k_p(U_r-Z₁[k-1])+k_dZ₂[k-1]-Z₃[k-1]]/b₀    (5)

上式中，U_r为双凸极发电机(1)通过交-直流转换电路(2)输出的直流电压的参考值；Z₁[k-1]，Z₂[k-1]，Z₃[k-1]为前一时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值；Z₁[k]，Z₂[k]，Z₃[k]为当前时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值；ΔZ₁，ΔZ₂，ΔZ₃为ADRC三阶观测器相应采样值在采样周期T_s内的增量；

励磁调节器3包括励磁功率变换器，励磁功率变换器包括开关管Q1和开关管Q2，且开关管Q1为恒定导通状态，开关管Q2的开关状态由控制率u决定，由公式(5)建立励磁功率变换器的开关管Q2的控制率方程u。

步骤b、由所述励磁调节器3的DSP微处理器3-2进行功能设定并初始化变量；

将DSP微处理器3-2的PWM1、PWM2口定义为I/O口，并初始化ADCIN1；给a₁、a₂、a₃、k_p、k_d、b₀、U_r赋一初值；设定变量U_o[k]、Z₁[k]、Z₁[k-1]、Z₂[k]、Z₂[k-1]、Z₃[k]、Z₃[k-1]、ΔZ₁[k]、ΔZ₂[k]、ΔZ₃[k]并将这些变量初始化为零；设定采样周期并初始化T_s＝10μs；控制率u的上限值Up＝T2PR和下限值Low＝0。

步骤c、初始化DSP微处理器3-2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3-2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3-2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3-2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：

$T2PR=\frac{f_{T2}}{2f_s}---\left(6\right)$

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；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3-2的定时器T1的计数寄存器T1CNT和所述DSP微处理器3-2的定时器T2的计数寄存器T2CNT从零开始进行计数，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U_o，并送至DSP微处理器3-2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]；

步骤e、根据公式(3)计算观测器的Z₁、Z₂、Z₃变量在单位采样周期内的增量ΔZ₁、ΔZ₂、ΔZ₃的值，再根据公式(5)计算得到控制率u的值，将u与三角波的上下限进行比较，若u>Up,则令u＝Up，若u<Low,则令u＝Low；否则，则将u的值与T2CNT的值进行比较来确定开关管的开通与关断。若u>＝T2CNT，则功率开关管Q2导通，励磁电流上升，双凸极发电机1的输出直流电压上升；若u<T2CNT，则功率开关管Q2关断，励磁电流下降，双凸极发电机1的输出直流电压减小；

然后根据公式(4)计算Z₁[k]、Z₂[k]、Z₃[k]的值，并按下述公式进行数值更新，以便为下一次的计算做准备，随后清除中断标志位，以便能响应下次中断；

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_1\&lsqb;k\&rsqb;\\ z_2\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_2\&lsqb;k\&rsqb;\\ z_3\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_3\&lsqb;k\&rsqb;\end{array}\right.---\left(7\right)$

更新数值后，进行中断子程序的返回，至此，功率开关管完成了1次调整；并且当再次满足中断触发条件时，即(T1CNT＝T1PR)，系统再次进入中断，重复重复步骤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3所示，发电机输出电压U_o通过观测器参数β₁与观测器状态变量Z₂相加得到进入积分器，输出得到状态变量Z₁，即输出电压的跟踪值；输出电压通过观测器参数β₂与观测器状态变量Z₃相加得到进入积分器，输出得到状态变量Z₂，即输出电压微分的跟踪值；输出电压通过观测器参数β₃便是进入积分器，输出得到状态变量Z₃，即扰动量的值；通过观测器的这些输出值和给定电压参考值U_r，就可以构建励磁功率变换器中功率开关管Q2的控制率u。

如图4、5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f_s＝f_T2/(2T2PR)。

开关管Q2的驱动信号由开关管控制率u的输出值与三角形载波交截而得到，如图4、5所示，当控制率u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；当控制率u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；而当滑模方程S输出的值≤0时，则开关管Q2就关断。

通过对控制对象(发电机输出电压)构建三阶线性状态观测器，并利用输出电压参考值、线性状态观测器观测到的发电机输出电压、输出电压微分和扰动量建立电压调节器的开关管控制率，从而对功率开关管Q2进行PWM控制，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。这种电压调节控制方法可以脱离系统精确的数学模型，具有较强的适应性和鲁棒性，不仅保留了经典PID控制器的优点，还在一定程度上改善了它的适用范围和控制品质，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，能稳定的跟踪到给定并且消除系统的静差。

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)

1.一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，其特征在于：包括双凸极发电机(1)、交-直流转换电路(2)、励磁调节器(3)以及负载电路(4)；其中，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，其后将交-直流转换电路(2)的直流输出接入负载电路(4)中，交-直流转换电路(2)的输出端和负载电路(4)的相应连接端进行电连接，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。

2.根据权利要求1所述的具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，其特征在于：所述交-直流转换电路(2)包括三相整流桥与滤波电容C_o，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的三个桥臂中点电连接；所述滤波电容C_o的正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与三相整流桥的共阳极端电连接；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所述的具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，其特征在于：所述励磁调节器(3)包括输出电压检测电路(3-1)、DSP微处理器(3-2)、励磁电流检测电路(3-3)和双向励磁功率变换器(3-4)；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，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(3-1)的输入端电连接；所述输出电压检测电路(3-1)的输出端分别与DSP微处理器(3-2)相应的连接端电连接，所述DSP微处理器(3-2)相应的输出端与双向励磁功率变换器(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(3-2)和双向励磁功率变换器(3-4)分别与励磁电流检测电路(3-3)相应的连接端电连接。

4.根据权利要求1所述的具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，其特征在于：所述励磁功率变换器(3-4)包括励磁电源U_f，开关管Q1、开关管Q2、二极管D11、二极管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(3-3)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(3-2)相应的连接端电连接。

5.根据权利要求1所述的具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，其特征在于：所述励磁电流检测电路(3-3)包括电阻R₅和检测双凸极发电机(1)励磁绕组电流的电流传感器LEM1，所述双凸极发电机(1)的励磁绕组输出端通过电流传感器LEM1与励磁功率变换器(3-4)相应的连接端电连接，电阻R₅的一端与电流传感器LEM1的检测端以及DSP微处理器(3-3)相应的连接端电连接，电阻R₅的另一端接地。

6.根据权利要求1所述的具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，其特征在于：所述输出电压检测电路(3-1)是运算放大器构成差动式电压检测电路，包括运算放大器U₁、运算放大器U₂、二极管d₁、二极管d₂、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄；所述电阻R₂的一端、电阻R₃的一端同时与运算放大器U₂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U₂的反相端电连接，电阻R₄跨接在运算放大器U₂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U₂的输出端与运算放大器U₁的同相端电连接，而运算放大器U₁的反相端与运算放大器U₁的输出端电连接，并构成电压跟随模块；所述运算放大器U₁的输出端同时与二极管d₁的阳极以及二极管d₂的阴极电连接，并与DSP微处理器(3-2)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。

7.一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制方法，其特征在于利用权利要求1-6所述的装置，其具体的控制步骤是：

步骤a、建立发电机输出电压调节控制器的状态观测器及发电机输出状态变量方程,其表达式分别如

公式(1)

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\&CenterDot;}{Z}}_1=Z_2+a_1({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{Z}}_2=Z_3+a_2({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)+b_{0}u=a_2({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)+k_p(U_r-Z_1)+k_d{Z}_2\\ {\stackrel{\&CenterDot;}{Z}}_3=a_3({\mathrm{\&beta;U}}_o-Z_1)\end{array}\right.---\left(1\right)$

和公式(2):

x₁＝βU_o＝U_o[k]          (2)

上述式中，β为经过电压检测电路处理后的输出电压缩放比例；U_o[k]为直流输出电压U_o经过直流输出电压检测电路后的当前采样值；a₁，a₂，a₃为状态观测器的参数；k_p，k_d，b₀为PD控制器参数。

由公式(1)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;Z}}_1=T_s\&lsqb;Z_2\&lsqb;k-1\&rsqb;+a_1(U_o\&lsqb;k\&rsqb;-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)\&rsqb;\\ {\mathrm{\&Delta;Z}}_2=T_s\&lsqb;a_2(U_o\&lsqb;k\&rsqb;-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)+k_p(U_r-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)+k_d{Z}_2\&lsqb;k-1\&rsqb;\&rsqb;\\ {\mathrm{\&Delta;Z}}_3=T_s{a}_a(U_o\&lsqb;k\&rsqb;-Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;)\end{array}\right.---\left(3\right)$

相应地

$\left\{\begin{array}{c}{Z}_1\&lsqb;k\&rsqb;=Z_1\&lsqb;k-1\&rsqb;+{\mathrm{\&Delta;Z}}_1\\ Z_2\&lsqb;k\&rsqb;=Z_2\&lsqb;k-1\&rsqb;+{\mathrm{\&Delta;Z}}_2\\ Z_3\&lsqb;k\&rsqb;=Z_3\&lsqb;k-1\&rsqb;+{\mathrm{\&Delta;Z}}_3\end{array}\right.---\left(4\right)$

电压调节控制器中开关管Q2的控制率表达式如下

u＝[k_p(U_r-Z₁[k-1])+k_dZ₂[k-1]-Z₃[k-1]]/b₀     (5)

上述式中，U_r为双凸极发电机(1)通过交-直流转换电路(2)输出的直流电压的参考值；Z₁[k-1]，Z₂[k-1]，Z₃[k-1]为前一时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值；Z₁[k]，Z₂[k]，Z₃[k]为当前时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值；ΔZ₁，ΔZ₂，ΔZ₃为ADRC三阶观测器相应采样值在采样周期T_s内的增量；

所述励磁调节器(3)包括励磁功率变换器，励磁功率变换器包括开关管Q1和开关管Q2，且开关管Q1为恒定导通状态，开关管Q2的开关状态由控制率u决定，由公式(5)建立励磁功率变换器的开关管Q2的控制率方程u；

步骤b、由所述励磁调节器(3)的DSP微处理器(3-2)进行功能设定并初始化变量；

将DSP微处理器(3-2)的PWM1、PWM2口定义为I/O口，并初始化ADCIN1；给a₁、a₂、a₃、k_p、k_d、b₀、U_r赋一初值；设定变量U_o[k]、Z₁[k]、Z₁[k-1]、Z₂[k]、Z₂[k-1]、Z₃[k]、Z₃[k-1]、ΔZ₁[k]、ΔZ₂[k]、ΔZ₃[k]并将这些变量初始化为零；设定采样周期并初始化T_s＝10μs；控制率u的上限值Up＝T2PR和下限值Low＝0；

步骤c、初始化DSP微处理器(3-2)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(3-2)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(3-2)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(3-2)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：

$T2PR=\frac{f_{T2}}{2f_s}---\left(6\right)$

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；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(3-2)的定时器T1的计数寄存器T1CNT和所述DSP微处理器(3-2)的定时器T2的计数寄存器T2CNT从零开始进行计数，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]；

步骤e、根据公式(2)计算观测器的Z₁、Z₂、Z₃变量在单位采样周期内的增量ΔZ₁、ΔZ₂、ΔZ₃的值，再根据公式(5)计算得到控制率u的值，将u与三角波的上下限进行比较，若u>Up,则令u＝Up，若u<Low,则令u＝Low；否则，则将u的值与T2CNT的值进行比较来确定开关管的开通与关断；若u>＝T2CNT，则功率开关管Q2导通，励磁电流上升，双凸极发电机(1)的输出直流电压上升；若u<T2CNT，则功率开关管Q2关断，励磁电流下降，双凸极发电机(1)的输出直流电压减小；

然后根据公式(4)计算Z₁[k]、Z₂[k]、Z₃[k]的值，并按下述公式进行数值更新，以便为下一次的计算做准备，随后清除中断标志位，以便能响应下次中断；

$\{\begin{array}{c}{z}_1\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_1\&lsqb;k\&rsqb;\\ z_2\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_2\&lsqb;k\&rsqb;\\ z_3\&lsqb;k-1\&rsqb;=z_3\&lsqb;k\&rsqb;\end{array}---\left(7\right)$

更新数值后，进行中断子程序的返回，至此，功率开关管完成了1次调整；并且当再次满足中断触发条件时，即T1CNT＝T1PR，系统再次进入中断，重复重复步骤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。