CN110611468A - 发电机的热冗余励磁控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电机的热冗余励磁控制系统和方法。一种发电机的热冗余励磁控制系统包括:第一DSP控制检测器;第二DSP控制检测器;以及继电器,其中,在正常励磁时,所述第一DSP控制检测器通过所述继电器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号,而当所述第一DSP控制检测器发生故障时,所述第一DSP控制检测器自动将所述继电器切换为使得所述第二DSP控制检测器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号。
Description
技术领域
本发明涉及供电控制领域,尤其涉及一种内燃机车的发电机的热冗余励磁控制系统和方法。
背景技术
内燃机车以内燃机作为原动力,通过传动装置驱动车轮。在我国铁路上采用的内燃机绝大多数是柴油机,柴油在气缸内燃烧,将热能转换为机械能,但并不用来直接驱动动轮,而是通过电力传动装置转换为适合机车牵引特性要求的机械能,再通过走行部驱动机车动轮在轨道上转动。
内燃机车的电力传动装置中的发电机需要由微机进行励磁控制。图1示意性示出了一般性的发电机微机励磁控制系统。在此基础上,当前,通常采用两种方式进行内燃机车的发电机的励磁控制。
一种方式是采用双微机冷备份,当一个微机出现故障时,司机手动切换到另一个微机。但是此种方式,需要备份的装置插件多,导致成本高、结构复杂、占的空间大,而且还不能自动进行微机的切换。
另一种方式是由一台微机进行励磁控制,当微机出现故障时,需要司机手动切换到故障励磁。图2示意性示出了一般性的发电机故障励磁控制方式。如图2所示,故障励磁时,励磁绕组经蓄电池串联一个可调电位器,固定励磁电流,从而进入故障运行模式。但故障励磁时励磁电流固定,发出的电只够机车缓慢拖回机务段进行检修,并且司机手柄位不能拉到高位,容易导致过压。
有鉴于此,存在对能解决上述问题的新的内燃机车的发电机励磁控制方式的需要。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种内燃机车的发电机的热冗余励磁控制系统和方法,其实现了发电机的励磁控制的自动切换,增强了励磁控制的可靠性。
根据本发明的一个方面,提供了一种发电机的热冗余励磁控制系统,包括:
第一DSP控制检测器;
第二DSP控制检测器;以及
继电器,
其中,在正常励磁时,所述第一DSP控制检测器通过所述继电器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号,
而当所述第一DSP控制检测器发生故障时,所述第一DSP控制检测器自动将所述继电器切换为使得所述第二DSP控制检测器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号。
优选地,所述第一DSP控制检测器通过采集司机档位信号来确定输出电压目标值,以基于该输出电压目标值控制所述发电机的励磁,并且,所述第一DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并基于所述电压信号与所述输出电压目标值的偏差对所述发电机输出的电压进行PID调节。
优选地,所述第一DSP控制检测器还监测所述发电机输出的电流信号,并且根据检测到的电压信号和电流信号计算所述发电机输出的功率,以基于该功率限制励磁输出的占空比。
优选地,所述热冗余励磁控制系统还包括频率采集电路,其中,所述第二DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并经由所述频率采集电路计算出所述发电机的频率信号,以根据所述频率信号确定司机档位信号,从而确定输出电压目标值。
优选地,所述热冗余励磁控制系统还包括DO数字输出电路,所述DO数字输出电路连接所述第一DSP控制检测器和所述继电器,用于实现所述继电器的切换。
根据本发明的另一个方面,提供了一种发电机的热冗余励磁控制方法,包括:
在正常励磁时,利用通过继电器连接到所述发电机的励磁绕组的第一DSP控制检测器,控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号;
而当所述第一DSP控制检测器发生故障时,所述第一DSP控制检测器自动将所述继电器切换为使得所述第二DSP控制检测器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号。
优选地,利用所述第一DSP控制检测器采集司机档位信号,来确定输出电压目标值,以基于该输出电压目标值控制所述发电机的励磁,并且,利用所述第一DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并基于所述电压信号与所述输出电压目标值的偏差对所述发电机输出的电压进行PID调节。
优选地,还利用所述第一DSP控制检测器监测所述发电机输出的电流信号,并且计算所述发电机输出的功率,以基于该功率限制励磁输出的占空比。
优选地,利用所述第二DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并经由所述频率采集电路计算出所述发电机的频率信号,以根据所述频率信号确定司机档位信号,从而确定输出电压目标值。
优选地,利用连接所述第一DSP控制检测器和所述继电器的DO数字输出电路实现所述继电器的切换。
与现有技术相比,上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果:
本发明提供的内燃机车的发电机的热冗余励磁控制系统和方法实现了发电机的励磁控制的自动切换,增强了励磁控制的可靠性。
正常励磁时采用了完善的PID调节方案,既有完善的电压闭环控制,同时也有电流限流环和功率限制环,如负载突变时能避免过流和过载故障的出现几率,从而提高了整个励磁控制系统的鲁棒性。
故障励磁模式下,通过交流电压反馈信号直接推算出发电机频率信号,以获取柴油机转速信号和司机档位,从而得出输出电压目标值。这样能减少外部接口,简化电路,降低成本,同时增强励磁控制系统的可靠性。
采用脉冲变压器驱动继电器的继电器线圈,避免了DSP控制检测器失效时IO管脚处于不定状态的风险,使继电器的切换更加可靠。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例共同用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1示意性示出了一般性的发电机微机励磁控制系统;
图2示意性示出了一般性的发电机故障励磁控制方式;
图3示意性示出了根据本发明一实施例的内燃机车的发电机的热冗余励磁控制系统;
图4示意性示出了正常励磁时的PID调节;
图5示意性示出了故障励磁时的PID调节;
图6示意性示出了根据本发明一实施例的继电器的驱动电路;
图7为根据本发明一实施例的内燃机车的发电机的热冗余励磁控制方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时,在以下说明中,出于解释的目的而阐述了许多具体细节,以提供对本发明实施例的彻底理解。然而,对本领域的技术人员来说显而易见的是,本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
如上所述,现有技术中的内燃机车的发电机的励磁控制方式均存在弊端。为此,本发明提出了一种新的发电机的热冗余励磁控制系统和方法。图3示意性示出了根据本发明一实施例的内燃机车的发电机的热冗余励磁控制系统。
如图3所示,发电机的热冗余励磁控制系统包括:正常励磁部分301和故障励磁部分302。与此相对应地,发电机的热冗余励磁控制系统存在两种工作模式:正常励磁模式和故障励磁模式。正常励磁部分301和故障励磁部分302的输出端均经由继电器K1和K2与发电机的励磁绕组303连接。继电器K1和K2可以为两个继电器,也可以为带有两组触点的单个继电器,本发明对此不作限制。
正常励磁部分301具体包括第一DSP(数字信号处理)控制检测器3011、DO数字输出电路3012、DIN数字输入电路3013、第一驱动隔离电路3014和第一电源3015等。故障励磁部分302具体包括第二DSP控制检测器3021、频率采集电路3022、第二驱动隔离电路3024和第二电源3025等。第一DSP控制检测器3011和第二DSP控制检测器3021可以为DSP控制芯片或其他单片机等。第一驱动隔离电路3014和第二驱动隔离电路3024用于弱电信号与强电信号的隔离。第一电源3015和第二电源3025分别用于为第一DSP控制检测器3011和第二DSP控制检测器3021提供工作电源。在不同条件下,第一DSP控制检测器3011和第二DSP控制检测器3021均可单独控制发电机的励磁绕组303的运行。
在正常励磁模式下,第一DSP控制检测器3011通过DO数字输出电路3012驱动继电器K1和K2进行切换,使励磁回路工作在正常励磁部分斩波电路中。同时,第一DSP控制检测器3011通过电路3013采集司机档位信号,根据司机档位信号进行输出电压目标值给定,以基于该输出电压目标值控制发电机的励磁。
第一DSP控制检测器3011监测发电机输出的电压信号,采集电压信号进行反馈,并基于所采集的电压信号与输出电压目标值的偏差对发电机输出的电压进行PID(比例积分微分)调节,以使发电机输出的电压满足机车牵引特性要求。PID参数采用可变参数进行调节,即根据实际差值进行比较。当差值比较大时,采取大的P参数;当差值比较小时,采取小的P参数,从而进行快速电压跟踪控制。
同时,为了避免出现发电机的输出电流偏大的情况,第一DSP控制检测器3011还监测发电机输出的电流信号,并且根据发电机输出的电压信号和电流信号计算发电机输出的功率,以限制励磁输出的占空比(即,驱动隔离电路的导通时间与机车功率管的开关周期的比值),使发电机输出的电压满足机车牵引特性要求的同时避免发电机过流和过载。图4示意性示出了正常励磁时的PID调节。
正常励磁时采用了完善的PID调节方案,既有完善的电压闭环控制,同时也有电流限流环和功率限制环,如负载突变时能避免过流和过载故障的出现几率,从而提高了整个励磁控制系统的鲁棒性。
当第一DSP控制检测器3011发生故障时,返回参考图3,第一DSP控制检测器3011的DO数字输出为0,继电器K1和K2的控制线圈失电后自动切换到常闭触点(即,图3中所示出的继电器K1和K2的状态)。此时,继电器K1和K2将第一DSP控制检测器3011从励磁回路中断开,而将第二DSP控制检测器3021连接到发电机的励磁绕组,即,系统进入故障励磁模式。
为了减少外部接口,故障励磁模式下,第二DSP控制检测器3021只监测发电机输出的电压信号作为反馈,而不监测发电机输出的电流信号。交流电压反馈信号通过处理电路被转换成第二DSP控制检测器3021可直接采集的0-3V的AD信号。
故障励磁部分302中的频率采集电路3022根据电压反馈信号可以计算出发电机频率信号。第二DSP控制检测器3021能够根据频率采集电路3022所计算出的发电机频率信号确定柴油机转速信号和司机档位信号,从而根据司机档位信号确定输出电压目标值。与正常励磁模式类似,第二DSP控制检测器3021根据电压反馈信号与输出电压目标值的偏差进行PID调节,以使发电机输出的电压满足机车牵引特性要求。图5示意性示出了故障励磁时的PID调节。
与正常励磁模式不同的是,故障励磁模式下,通过交流电压反馈信号直接推算出发电机频率信号,以获取柴油机转速信号和司机档位,从而得出输出电压目标值。这样能减少外部接口,简化电路(例如减少了电流传感器和数字输入输出电路),降低成本,同时增强励磁控制系统的可靠性。
如上所述,继电器K1和K2能够在第一DSP控制检测器发生故障时自动切换。图6示意性示出了根据本发明一实施例的继电器的驱动电路。如图6所示,并结合参考图3,第一DSP控制检测器的DO数字输出包括IO输出和PWM(脉宽调制)输出。正常励磁时,PWM输出驱动脉冲变压器,以驱动继电器K1的继电器线圈。当第一DSP控制检测器工作异常时,PWM输出中断,且允许信号IO输出变低,使得脉冲输出消失,脉冲变压器副端失电,从而继电器K1断开。继电器K2的工作驱动原理与继电器K1相同。
本发明采用脉冲变压器驱动继电器K1和K2的继电器线圈,避免了第一DSP控制检测器失效时IO管脚处于不定状态的风险,使继电器K1和K2的切换更加可靠。
在本发明的一实施例中,第二DSP控制检测器3021还与第一DSP控制检测器3011连接,并且,第二DSP控制检测器3021监测发电机的电压是否正常。如果正常励磁部分的传感器出现故障,则第二DSP控制检测器3021可以请求第一DSP控制检测器3011,通过交流电压反馈直接推算出频率信号,从而获取柴油机转速信号和司机档位,从而得出输出电压目标值。这样能减少外部接口,降低成本,同时增强励磁控制系统的可靠性。
本发明还公开了一种内燃机车的发电机的热冗余励磁控制方法,包括:步骤S701,在正常励磁时,利用通过继电器连接到所述发电机的励磁绕组的第一DSP控制检测器,控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号;步骤S702,当所述第一DSP控制检测器发生故障时,所述第一DSP控制检测器自动将所述继电器切换为使得所述第二DSP控制检测器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号。
在正常励磁模式下,利用第一DSP控制检测器采集司机档位信号,来确定输出电压目标值,以控制发电机的励磁,并且,利用第一DSP控制检测器监测发电机输出的电压信号,并将电压信号与输出电压目标值的偏差进行PID调节。
在正常励磁模式下,还利用第一DSP控制检测器监测发电机输出的电流信号,并且计算发电机输出的功率,以限制励磁输出的占空比。
在故障励磁模式下,利用第二DSP控制检测器监测发电机输出的电压信号,并经由所述频率采集电路计算出发电机的频率信号,以根据频率信号确定司机档位信号,从而确定输出电压目标值。
利用连接第一DSP控制检测器和继电器的DO数字输出电路实现继电器的切换。
综上所述,本发明提供了一种内燃机车的发电机的热冗余励磁控制系统和方法,其实现了发电机的励磁控制的自动切换,增强了励磁控制的可靠性。正常励磁时采用了完善的PID调节方案,既有完善的电压闭环控制,同时也有电流限流环和功率限制环,如负载突变时能避免过流和过载故障的出现几率,从而提高了整个励磁控制系统的鲁棒性。故障励磁模式下,通过交流电压反馈信号直接推算出发电机频率信号,以获取柴油机转速信号和司机档位,从而得出输出电压目标值。这样能减少外部接口,简化电路,降低成本,同时增强励磁控制系统的可靠性。采用脉冲变压器驱动继电器的继电器线圈,避免了DSP控制检测器失效时IO管脚处于不定状态的风险,使继电器的切换更加可靠。
应该理解的是,本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定处理步骤或材料,而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是,在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的,而并不意味着限制。
说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此,说明书通篇各个地方出现的短语“实施例”并不一定均指同一个实施例。
本领域的技术人员应该明白,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域的技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
虽然本发明所公开的实施方式如上,但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式,并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下,可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化,但本发明的保护范围,仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种发电机的热冗余励磁控制系统,包括:
第一DSP控制检测器;
第二DSP控制检测器;以及
继电器,
其中,在正常励磁时,所述第一DSP控制检测器通过所述继电器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号,
而当所述第一DSP控制检测器发生故障时,所述第一DSP控制检测器自动将所述继电器切换为使得所述第二DSP控制检测器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号。
2.根据权利要求1所述的热冗余励磁控制系统,其中,所述第一DSP控制检测器通过采集司机档位信号来确定输出电压目标值,以基于该输出电压目标值控制所述发电机的励磁,并且,所述第一DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并基于所述电压信号与所述输出电压目标值的偏差对所述发电机输出的电压进行PID调节。
3.根据权利要求2所述的热冗余励磁控制系统,其中,所述第一DSP控制检测器还监测所述发电机输出的电流信号,并且根据检测到的电压信号和电流信号计算所述发电机输出的功率,以基于该功率限制励磁输出的占空比。
4.根据权利要求1所述的热冗余励磁控制系统,还包括频率采集电路,其中,所述第二DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并经由所述频率采集电路计算出所述发电机的频率信号,以根据所述频率信号确定司机档位信号,从而确定输出电压目标值。
5.根据权利要求1所述的热冗余励磁控制系统,还包括DO数字输出电路,所述DO数字输出电路连接所述第一DSP控制检测器和所述继电器,用于实现所述继电器的切换。
6.一种发电机的热冗余励磁控制方法,包括:
在正常励磁时,利用通过继电器连接到所述发电机的励磁绕组的第一DSP控制检测器,控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号;
而当所述第一DSP控制检测器发生故障时,所述第一DSP控制检测器自动将所述继电器切换为使得所述第二DSP控制检测器连接到所述发电机的励磁绕组,以控制所述发电机的励磁,并监测所述发电机输出的信号。
7.根据权利要求6所述的热冗余励磁控制方法,其中,利用所述第一DSP控制检测器采集司机档位信号,来确定输出电压目标值,以基于该输出电压目标值控制所述发电机的励磁,并且,利用所述第一DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并基于所述电压信号与所述输出电压目标值的偏差对所述发电机输出的电压进行PID调节。
8.根据权利要求7所述的热冗余励磁控制方法,其中,还利用所述第一DSP控制检测器监测所述发电机输出的电流信号,并且计算所述发电机输出的功率,以基于该功率限制励磁输出的占空比。
9.根据权利要求6所述的热冗余励磁控制方法,其中,利用所述第二DSP控制检测器监测所述发电机输出的电压信号,并经由所述频率采集电路计算出所述发电机的频率信号,以根据所述频率信号确定司机档位信号,从而确定输出电压目标值。
10.根据权利要求6所述的热冗余励磁控制方法,其中,利用连接所述第一DSP控制检测器和所述继电器的DO数字输出电路实现所述继电器的切换。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191224 |