CN108649844B - 一种无刷直流发电系统前馈控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种无刷直流发电系统前馈控制方法及控制系统，通过负载电流前馈环节对负载变化进行快速响应，当大负载突加或突卸时，负载电流瞬间产生较大的变化，负载电流前馈环节立即参与励磁电流I_f的调节，实现快速的动态响应；慢速负载变化时，输出电压主要由PI调节器控制，负载电流前馈环节根据所检测到负载电流的波动情况改变调节状态，使整个系统更加稳定。当负载电流有小幅波动时，通过修正小负载电流波动量，能够避免小的负载电流波动进入前馈分量对系统造成扰动，提升系统的抗干扰能力。所述的无刷直流发电系统前馈控制方法能够应对原动机宽转速变化工况下的稳压控制需求，前馈分量充分考虑了转速的影响，提升了系统的动态响应能力。

Description

一种无刷直流发电系统前馈控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种直流发电系统闭环调压控制方法，特别是指一种无刷直流发电系统前馈控制方法。

背景技术

无刷直流发电系统调压控制方法，是将励磁电流和输出电压等量采样后通过控制算法运算并输出控制信号，实现无刷直流发电系统闭环控制实现稳定输出的一种控制方法。

传统的无刷直流发电系统调压方式有双闭环控制和三环控制：双闭环控制是以输出电压环为外环，以励磁电流环为内环的调压控制方法，通过两级PI调节器进行输出电压的调节，在这种控制方法下当负载出现突加或突卸情况时，根据无刷直流发电机的外特性，负载电流和输出电压会出现较大的波动，由于滤波电容的稳压作用，输出电压的变化缓慢，仅通过输出电压的反馈量进行闭环调节速度缓慢，所以这种控制方法下系统动态响应缓慢并且稳定性差；三环控制中，加入了负载电流作为中间环，构成了三环调压控制系统，该系统能够加快调压控制系统的响应速度，实现快速调节输出电压，但是传统的前馈控制方法，根据负载电流线性计算得到前馈分量，负载电流的微小变化都会引起电压闭环调节，对控制硬件检测电路和传感器要求较高，系统抗扰能力差。

基于以上分析，本发明提出一种新型的前馈控制方法，以克服现有前馈控制方法的不足，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有前馈控制方法的不足，提供一种具有新型前馈闭环控制方法的无刷直流发电系统控制方法，在飞机、舰船、汽车等独立电源直流发电系统中有重要应用价值。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

无刷直流发电系统包括无刷直流发电机和无刷直流发电系统控制器。其中无刷直流发电机将原动机机械能转化为电能；无刷直流发电系统控制器将无刷直流发电机产生的电能变换为直流电并输出给负载。

无刷直流发电系统控制器由三相不控整流电路、滤波电容、励磁功率电路、电流传感器、电压传感器、励磁电流调理电路、负载电流调理电路、输出电压调理电路、转速检测电路、辅助电源和DSP(数字信号处理器)组成，其中辅助电源分别给励磁功率电路、DSP、励磁电流调理电路、负载电流调理电路、输出电压调理电路供电；其中励磁功率电路输出端设置励磁电流传感器，采样后的励磁电流信号经过励磁电流调理电路输入DSP；无刷直流发电机的输出电压经过整流和滤波后，分别接负载和输出电压传感器，采样后的输出电压信号经过输出电压调理电路输入DSP；滤波电容输出端设置负载电流传感器，负载电流信号采样后经过负载电流调理电路输入DSP；DSP通过控制算法对各量进行计算产生PWM信号来控制励磁电流大小。

其中控制算法中，最外环为电压反馈环：将给定的基准电压V_ref与负载电压反馈量V_O进行比较后经过第一PI调节器计算后输出励磁电流第一给定I_ref1；负载电流前馈分量计算环节根据负载电流修正值I_L'和无刷直流发电机转速n进行计算，输出前馈分量I_{f_f}；内环的励磁电流给定值I_ref由两部分相加组成：I_ref＝I_ref1+I_{f_f}，其中第一部分是外环电压反馈环PI输出的励磁电流第一给定值I_ref1，第二部分是前馈分量计算环节输出的前馈分量I_{f_f}；励磁电流给定值I_ref与励磁电流反馈量I_f比较后通过第二PI调节器计算输出占空比，控制励磁功率回路的开关管状态，从而调节励磁电流大小，进而达到稳定输出电压的目的。

所述的无刷直流发电系统前馈控制方法，其特征在于所述前馈控制方法采用基于转速n和负载电流修正值I_L'的前馈计算单元。依据如下公式计算：

I_{f_f}＝k₁×k₂×I_L′

I_{f_f}为前馈计算单元的输出；

I_L′为负载电流修正值。

k₁与转速n成线性关系的系数，具体数值取决于发电机特性，该特性根据实验或仿真的数据标定得到；k₂为负载电流系数，k₂根据负载变化时实际所需稳压状态下励磁的大小关系进行确定。

其中负载电流修正值I_L'通过如下技术方式实现：在一定的采样周期下，通过负载电流检测调理电路对负载电流进行采样，采样值输入到DSP中，将当前周期的负载电流采样值I_L与当前负载电流预修正值I_{L_f}进行差值运算(负载电流修正值初始值为0)，将所述差值运算的绝对值与确定的阈值ΔI比较大小，同时将当前采样周期与上一次负载电流预修正值I_{L_f}更新的周期相距时间t_L与时间阈值Δt比较；如果所述负载电流差值运算的绝对值大于阈值ΔI，同时相距时间t_L小于时间阈值Δt，则判断为负载快速变化，则负载电流修正值I_L'和负载电流预修正值I_{L_f}更新为当前周期负载电流采样值，同时从当前周期开始计时，计算下一次负载电流与负载电流预修正值I_{L_f}差值的绝对值大于阈值ΔI的采样周期与当前采样周期相距时间t_L；如果所述差值运算的绝对值大于阈值ΔI，同时相距时间t_L大于时间阈值Δt，则判断为负载慢速变化，则负载电流预修正值I_{L_f}更新为当前周期负载电流采样值，负载电流修正值I_L'保持原来的值不变，前馈计算单元不起前馈作用；如果所述差值运算的绝对值小于阈值ΔI，则负载电流修正值I_L'和负载电流预修正值I_{L_f}均保持原来的值不变，不进行更新。ΔI根据所检测到负载电流的波动情况确定。

本发明所述的无刷直流发电系统前馈控制方法通过电压反馈环、负载电流前馈环和励磁电流反馈环三环控制，其中负载电流修正值计算单元中，当负载电流出现快速变化并且负载电流变化超过一定范围ΔI时，负载电流修正值I_L'才更新；当大负载突加或突卸时，输出电压和输出电流会出现较大波动，本专利提出的前馈控制方法能够有效克服传统直流发电系统双环调压方式系统稳定性差，动态响应慢的缺点，能够兼顾大负载突加或突卸对电压动态响应的要求：突加负载时，负载电流I_L会短时间内迅速增加，同时负载电流预修正值I_{L_f}增大，根据无刷直流发电机的外特性，输出电压V_O随之下降，但此时负载电流修正值I_L'迅速增加，增大励磁电流I_f，进而使输出电压迅速稳定在给定值V_ref；突卸负载时，负载电流I_L会短时间内迅速减小，同时负载电流预修正值I_{L_f}减小，根据无刷直流发电机的外特性，输出电压V_O随之上升，但此时负载电流修正值I_L'迅速减小，减小励磁电流I_f，使输出电压迅速稳定在给定值V_ref。

本发明所述的无刷直流发电系统前馈控制方法能够兼顾快速负载变化和慢速负载变化两种情况：快速负载变化时，负载电流在短时间内大幅变化，所以负载电流修正值计算单元中负载电流预修正值I_{L_f}和负载电流修正值I_L'能够快速响应，前馈环节立即参与励磁电流I_f的调节，迅速增大或减小励磁电流给定值，使输出电压V_O迅速回到给定值，实现快速的动态响应；慢速负载变化时，即使负载电流采样值I_L与负载电流预修正值I_{L_f}的差值绝对值超过了阈值ΔI，但是由于负载电流慢速变化，从计时开始到当前采样周期经过的时间t_L超过了时间阈值Δt，负载电流修正值计算单元仅更新负载电流预修正值I_{L_f}，负载电流修正值I_L'保持不变，所以慢速负载变化时前馈分量计算单元不起作用，调压系统主要由PI调节器控制。

本发明所述的无刷直流发电系统前馈控制方法能够应对原动机宽转速变化工况下的稳压控制需求，前馈分量充分考虑了转速的影响，提升了系统的动态响应能力和抗干扰能力。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

(1)可以兼顾大负载突加突卸对电压动态响应的要求，快速负载变化时负载电流前馈环节立即参与输出电压和励磁电流的调节与控制，加快响应速度；慢速负载变化时，主要依靠PI调节器进行输出电压和励磁电流的调节，增强系统的稳定性；

(2)抑制负载电流波形对电压和励磁电流的控制的影响，提高了系统的抗扰能力；

(3)能够应对原动机宽转速变化工况下的稳压控制需求，前馈分量充分考虑了转速的影响，提升了系统的动态响应能力和抗干扰能力；

(4)降低对负载电流采样的精度要求，可采用低精度的传感器对负载电流进行检测，降低了系统成本。

附图说明

图1是本发明的控制方法示意图；

图2是本发明的电气连接图；

图3是本发明的负载电流修正值I_L′计算单元流程图；

图4是本发明的前馈分量I_{f_f}计算单元流程图；

图5是本发明的前馈控制方法模型与传统调压模型突加负载时输出电压波形对比；

图6是本发明的前馈控制方法模型与传统调压模型突加负载时占空比波形对比；

图7是本发明的前馈控制方法模型与传统调压模型突卸负载时输出电压波形对比；

图8是本发明的前馈控制方法模型与传统调压模型突卸负载时占空比波形对比。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明实施例提供了一种无刷直流发电系统前馈控制方法及控制系统，其中，方法部分的示意图如图1所示，包括无刷直流发电机、三相不控整流电路、励磁功率电路、负载电流修正值I_L′计算单元、前馈分量I_{f_f}计算单元、第一PI调节器和第二PI调节器。其中最外环为电压反馈环，无刷直流发电机的输出电压采样值V_O与输出电压给定值V_ref比较后输入第一PI调节器，第一PI调节器输出第一给定值I_ref1；负载电流采样值I_L输入负载电流修正值I_L′计算单元并将负载电流修正值I_L′输入前馈分量计算单元；无刷直流发电机上的转速采样值n输入前馈分量I_{f_f}计算单元；前馈分量计算单元输出I_{f_f}为励磁电流第二给定值，两个给定值相加作为内环励磁电流的给定值I_ref，I_ref＝I_ref1+I_{f_f}；励磁电流采样值与励磁电流给定值比较后输入第二PI调节器，第二PI调节器输出量作为占空比控制励磁功率回路的开关管状态，从而调节励磁电流大小，进而达到稳定输出电压的目的。

如图2所示无刷直流发电系统电气连接图，包括无刷直流发电机、负载和无刷直流发电系统控制器；其中无刷直流发电机将机械能转换为电能；图2中虚线框内是无刷直流发电系统控制器，无刷直流发电系统控制器包括三相不控整流电路、滤波电容、励磁功率电路、励磁电流采样电路、负载电流采样电路、输出电压采样电路、转速采样电路、辅助电源和DSP；辅助电源分别给DSP、励磁电流采样电路、负载电流采样电路、输出电压采样电路和励磁功率电路提供电源；其中无刷直流发电机的输出电压经过整流和滤波后，分别接负载和输出电压传感器，采样后的输出电压信号经过输出电压调理电路输入DSP；励磁功率电路输出端设置励磁电流传感器，采样后的励磁电流信号经励磁调理电路输入DSP；负载的输入一端设置负载电流传感器，采样后的负载电流信号输入DSP；DSP中的控制算法对各输入量进行计算产生占空比，控制励磁电流大小。上述三相不控整流电路、滤波电容、励磁功率电路、励磁电流采样电路、负载电流采样电路、输出电压采样电路、转速采样电路、辅助电源和DSP各电路都采用现有技术中的常规电气连接方式。

如图3所示负载电流修正值I_L′计算单元流程图，下面是具体计算过程：在负载电流修正值计算单元中设置计时器，每当负载电流预修正值I_{L_f}更新就将计时器清零并且开始计时；在当前采样周期下，负载电流I_L与上一周期负载电流预修正值I_{L_f}作差并取其绝对值|ΔI_L|(负载电流修正值初始值为0)，判断|ΔI_L|与阈值ΔI的大小关系，如果|ΔI_L|大于阈值ΔI，则再判断从计时开始到当前采样周期相距时间t_L与时间阈值Δt的大小，若相距时间t_L小于时间阈值Δt，则判断为负载快速变化，则负载电流修正值I_L'和负载电流预修正值I_{L_f}更新为当前周期负载电流采样值I_L，同时将计时器清零并且从当前周期开始计时，计算下一次负载电流与负载电流预修正值I_{L_f}差值的绝对值大于阈值ΔI的采样周期与当前采样周期相距时间t_L；如果所述差值运算的绝对值大于阈值ΔI，同时相距时间t_L大于时间阈值Δt，则判断为负载慢速变化，则负载电流预修正值I_{L_f}更新为当前周期负载电流采样值，负载电流修正值I_L'保持原来的值不变，前馈计算单元不起前馈作用，但是要把计时器清零并且从当前周期开始计时，计算下一次负载电流与负载电流预修正值I_{L_f}差值的绝对值大于阈值ΔI的采样周期与当前采样周期相距时间t_L；如果所述差值运算的绝对值小于阈值ΔI，则负载电流修正值I_L'和负载电流预修正值I_{L_f}均保持原来的值不变，不进行更新。

如图4所示前馈分量I_{f_f}计算单元流程图，其中：先对转速n取倒数，因为转速上升时，输出电压会随转速上升而增大，同时根据电机外特性以及输出功率的限制，输出电流会减小，此时应减小励磁电流的给定值，使输出电压降回到给定值V_ref；转速下降时，输出电压会随转速下降而减小，同时输出电流增大，此时应增大励磁电流的给定值，使输出电压回升到给定值V_ref，将转速n取倒数，使前馈分量的大小变化与转速的变化趋势相反，起到负反馈的调节效果，形成闭环控制；转速倒数

乘以K₁₁得到转速系数K₁，其中K₁₁是一个与电机特性有关的系数，通过发电机额定工作情况下转速范围而定，一般取正常转速范围的平均值；K₁变化范围过大会影响前馈分量I_{f_f}的前馈效果，导致系统稳定性变差，为了减少过大的转速变化影响前馈分量的前馈效果，需要对转速系数K₁进行幅值限制；同时，当前周期的负载电流修正值I_L′乘负载电流系数K₂，K₂能够放大负载电流修正值I_L′的前馈效果，但是过大的负载电流系数K₂会导致前馈分量过大，使励磁电流迅速增大，输出电压出现超调，系统不稳定，所以负载电流系数K₂应控制在合理范围内，保证负载电流修正值I_L′的前馈效果，同时保证系统的稳定性良好，所以K₂应根据负载变化时实际所需稳压状态下励磁的大小关系进行确定；将负载电流修正值I_L′与负载电流系数K₂，转速系数K₁相乘得到前馈分量I_{f_f}，依据如下公式计算：

I_{f_f}＝k₁×k₂×I_L′

I_{f_f}为前馈计算单元的输出；

k₁与转速成线性关系的系数，具体数值取决于发电机特性；

k₂为负载电流系数。

如图5所示，为本专利所述前馈控制方法的无刷直流发电系统与传统控制方法的无刷直流发电系统突加负载时输出电压的仿真波形对比图，图中实线是应用前馈控制方法的模型的仿真波形；虚线是使用传统方法的电压调节模型的仿真波形。此实例所使用无刷直流发电系统功率为10kVA，输出直流电压270V；突加负载时，负载电流I_L突然增大，根据无刷直流发电机的外特性，输出电压V_O随之下降，但此时应用前馈控制方法的模型中，负载电流修正值I_L′快速增加，增大励磁电流的第二给定值I_{f_f}，从而使励磁电流增大，迅速调节输出电压使其迅速回到给定值V_ref；如图5所示，在第4秒突加负载时，使用传统方法的电压调节模型输出电压下降最大值超过4.5V，并且调节速度缓慢；使用本专利所述前馈控制方法的模型输出电压下降最大值为1V，在30ms内能够将输出电压调节回到给定值270V，系统响应速度和鲁棒性明显优于传统控制模型。

图6所示为本专利所述前馈控制方法的无刷直流发电系统与传统控制方法的无刷直流发电系统突加负载时占空比的仿真波形对比图，图中实线是应用前馈控制方法的模型的仿真波形；虚线是使用传统方法的电压调节模型的仿真波形。使用传统调压方法的模型中占空比从0.45增大到0.55，增大了0.1；使用前馈控制方法的无刷直流发电系统模型在突加负载时占空比从0.45迅速增大到1，以最快速度调节励磁电流第二给定值I_{f_f}，使输出电压迅速调节到270V，响应速度明显快于传统控制方法的模型。

如图7所示，为本专利所述无刷直流发电系统前馈控制方法突卸负载时输出电压的仿真结果波形，图中实线是应用前馈控制方法的模型的仿真波形；虚线是使用传统方法的电压调节模型的仿真波形。突卸负载时，负载电流I_L突然减小，根据无刷直流发电机的外特性，输出电压V_O随之上升，但此时应用前馈控制方法的模型中，负载电流修正值I_L′快速减小，减小励磁电流的第二给定值I_{f_f}，从而使励磁电流减小，迅速调节输出电压使其迅速回到给定值V_ref；如图7所示，在第4秒突卸负载，使用传统方法的电压调节模型输出电压从270V上升到282.5V，上升了12.5V，并且卸载60ms之后仍未调节到给定值；使用前馈控制方法的模型输出电压从270V上升到276V，上升了6V，并且能够在50ms内迅速调节输出电压到271V，系统响应速度和鲁棒性明显优于传统控制模型。

图8所示为本专利所述前馈控制方法的无刷直流发电系统与传统控制方法的无刷直流发电系统突卸负载时占空比的仿真波形对比图，图中实线是应用前馈控制方法的模型的仿真波形；虚线是使用传统方法的电压调节模型的仿真波形。使用前馈控制方法的无刷直流发电系统模型在突卸负载时占空比迅速减小到0，以最快速度调节励磁电流第二给定值I_{f_f}，使输出电压迅速减小并稳定在给定值，响应速度明显快于传统控制方法的模型。以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无刷直流发电系统前馈控制调压方法，其特征在于，所述方法通过电压反馈环、负载电流前馈环和励磁电流反馈环三环控制，通过负载电流前馈环节对负载变化进行快速响应，当大负载突加或突卸时，负载电流瞬间产生较大的变化，负载电流前馈环节参与励磁电流的调节，增大或减小励磁电流给定值，实现快速的动态响应；

慢速负载变化时，负载电流不进行前馈，输出电压由PI调节器控制，负载电流前馈环节根据所检测到负载电流的波动情况改变调节状态，使整个系统稳定；

当负载电流有小幅波动时，通过修正小负载电流波动量，避免小的负载电流波动进入前馈分量对系统造成扰动，提升了系统的抗干扰能力；

所述负载电流前馈环采用基于转速n和负载电流修正值I_L′的前馈计算单元，依据如下公式计算：

I_{f_f}＝k₁×k₂×I_L′

I_{f_f}为前馈计算单元的输出；

I_L′为负载电流修正值。

k₁与转速n成线性关系的系数，具体数值取决于发电机特性，该特性根据实验或仿真的数据标定得到；k₂为负载电流系数，k₂根据负载变化时实际所需稳压状态下励磁的大小关系进行确定。

2.如权利要求1所述的一种无刷直流发电系统前馈控制调压方法，其特征在于，所述方法具体包括：

最外环为电压反馈环：将给定的基准电压V_ref与负载电压反馈量V_O进行比较后经过第一PI调节器计算，输出励磁电流第一给定I_ref1；负载电流前馈分量计算环节根据负载电流修正值I_L′和无刷直流发电机转速n进行计算并输出前馈分量I_{f_f}；内环的励磁电流给定值I_ref由两部分相加组成：I_ref＝I_ref1+I_{f_f}，其中第一部分是外环电压反馈环PI输出的励磁电流第一给定值I_ref1，第二部分是前馈分量计算环节输出的前馈分量I_{f_f}；励磁电流给定值I_ref与励磁电流实际值I_f比较后通过第二PI调节器计算输出占空比，控制励磁功率回路的开关管状态，从而调节励磁电流大小，进而达到稳定输出电压的目的。

3.如权利要求1所述的一种无刷直流发电系统前馈控制调压方法，其特征在于，所述负载电流修正值I_L′通过如下过程得到：

在设定的采样周期下，通过负载电流检测调理电路对负载电流进行采样，采样值输入到数字信号处理器DSP中，将当前周期的负载电流采样值I_L与当前负载电流预修正值I_{L_f}进行差值运算，将所述差值运算的绝对值与确定的阈值ΔI比较大小，同时将当前采样周期与上一次负载电流预修正值I_{L_f}更新的周期相距时间t_L与时间阈值Δt比较；如果所述负载电流差值运算的绝对值大于阈值ΔI，同时相距时间t_L小于时间阈值Δt，则判断为负载快速变化，则负载电流修正值I_L′和负载电流预修正值I_{L_f}更新为当前周期负载电流采样值，同时从当前周期开始计时，计算下一次负载电流与负载电流预修正值I_{L_f}差值的绝对值大于阈值ΔI的采样周期与当前采样周期相距时间t_L；

如果所述差值运算的绝对值大于阈值ΔI，同时相距时间t_L大于时间阈值Δt，则判断为负载慢速变化，则负载电流预修正值I_{L_f}更新为当前周期负载电流采样值，负载电流修正值I_L′保持原来的值不变，前馈计算单元不起前馈作用；

如果所述差值运算的绝对值小于阈值ΔI，则负载电流修正值I_L′和负载电流预修正值I_{L_f}均保持原来的值不变，不进行更新；ΔI根据所检测到负载电流的波动情况确定。

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