CN110661460B - 一种航空用宽变频交流发电机的数字调压装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种航空用宽变频交流发电机的数字调压装置，永磁机发出的三相交流电通过全桥整流变成直流电，用于为调压控制器提供电源以及提供励磁电流，励磁电流通过快速励磁回路，由双DSP进行冗余调压控制，变换出适配的励磁电流，励磁电流用于为所述励磁机的励磁线圈产生励磁磁场，励磁机的转子绕组旋转产生电流，通过旋转整流器变成直流电产生磁场给所述主发电机，主发电机用于发出三相交流电。本申请采用双DSP冗余备份设计优势互补协同完成调压与保护功能，具有调压精度高、动态特性好稳定可靠等优点，适用于航空宽变频交流电源系统。

Description

一种航空用宽变频交流发电机的数字调压装置
技术领域
本发明属于电机设计技术领域，具体涉及一种航空用宽变频交流发电机的数字调压装置。
背景技术
在航空电源领域，发电机控制器是飞机电源系统控制和保护的核心，负责对影响发电机输出电压的各种因素进行调节，使电源系统的输出电能符合供电标准的要求，还要对系统的各种故障予以保护和隔离，需要对系统进行供电转换等。目前使用的发电机主要为大功率宽变频三级式交流发电机。早期的交流发电机控制器采用模拟电路分立元件完成对电源系统的调压、控制和保护。近年来出现了以微处理器为核心的半数字式发电机控制器，这种控制器采用单片机为控制核心，除了对电源系统实现控制保护功能外，还具有自检测、故障检测与隔离和通讯等功能。与传统控制器相比，其性能、响应速度都有了很大的提高。但是在宽变频交流电源系统实现动态特性较高的电压调节功能时，仍旧要采用模拟电路实现的。有的在采样处理上改变了传统的峰值采样，尝试通过有效值芯片进行采样处理，但是动态特性还是不能满足要求。相较于传统的400Hz的恒频交流电源系统和窄变频(340Hz～450Hz)交流，变频交流电源系统发出的交流电为360～800Hz的三相交流电，发电机的转速变化范围也扩展为10800r/min～19200r/min，过速时甚至达到了22000r/min。传统的基于模拟式调压的控制器已经难以满足技术指标的需求，尤其是发电机的动态特性指标(特别是加卸载时)很难满足要求。急需突破基于数字式快速调压的关键技术。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种航空用宽变频交流发电机的数字调压装置，用于对航空用宽变频交流发电机进行调压，所述航空用宽变频交流发电机包括永磁机、励磁机及主发电机，所述永磁机发出的三相交流电通过全桥整流变成直流电，用于为调压控制器提供电源以及提供励磁电流，励磁电流通过快速励磁回路，由双DSP进行冗余调压控制，变换出适配的励磁电流，所述励磁电流用于为所述励磁机的励磁线圈产生励磁磁场，励磁机的转子绕组旋转产生电流，通过旋转整流器变成直流电产生磁场给所述主发电机，所述主发电机用于发出三相交流电。
优选的是，所述双DSP进行冗余调压控制包括两组功率MOSFET管，每组功率MOSFET管包括两个功率MOSFET单管并联，每个调压DSP均连接有各功率MOSFET单管。
优选的是，每个所述调压DSP各通过开关连接各功率MOSFET单管，所述开关由主MCU进行控制，所述主MCU用于实现K1和K2的状态检测以及调压DSP1和调压DSP2的电路的状态检测。
优选的是，所述双DSP的各调压电路均连接有全波整流与调理电路，所述全波整流与调理电路连接主发电机及负载，分别用于获取主电机三路电压及负载三路电流，双DSP的各调压电路与所述全波整流与调理电路共同实现电压环PID调节与电流环PID调节。
优选的是，所述所述全波整流与调理电路还连接有所述励磁机，用于将获取的励磁电流引入闭环控制。
本申请解决了传统的模拟式调压控制器、半数字式控制器以及采用有效值芯片的调压控制器不能满足特定指标的要求，解决了负载变化引起的电压波形畸变造成采样不准等问题，解决了采用有效值芯片响应速度慢等问题。本申请采用双DSP冗余备份设计优势互补协同完成调压与保护功能，具有调压精度高、动态特性好稳定可靠等优点，适用于航空宽变频交流电源系统。
附图说明
图1是本申请航空用宽变频交流发电机的数字调压装置的结构示意图。
图2是本申请一实施例的双DSP调压电路连接示意图。
图3是本申请图2所示实施例的双DSP调压电路闭环控制简图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
本发明提供的航空用宽变频交流发电机的数字调压装置参考图1，主要包括1-永磁机全桥整流电路；2-励磁电流可快速泄放的快速励磁电路；3-DSP数字调压电路1；4-DSP数字调压电路2；5-全波整流与调理电路；6-主MCU电路；7-通讯接口电路。
目前，宽变频交流发电系统已经成为主流和趋势，传统的模拟式调压已经不能满足所需要的技术指标，本设计的航空三级式变频交流发电机的双DSP数字调压控制器即是为了解决其关键技术应运而生。从图中可以看出航空用宽变频交流发电机与传统的三级式发电机一样，分为永磁机、励磁机、主发电机三部分，但是调压控制器已经完全不同，采用全数字化设计、模块化设计和冗余化设计理念，工作原理，首先永磁机发出的三相交流电通过全桥整流变成直流电，分压后可以为调压控制器提供电源也可以提供励磁电流，励磁电流通过快速励磁回路，由双DSP进行冗余调压控制，变换出合适的励磁电流给励磁机的励磁线圈产生励磁磁场，励磁机的转子绕组旋转产生电流，通过旋转整流器变成直流电产生磁场给主发电机，发出三相交流电。本设计的采样调理电路改变了传统的峰值采样，采用全波整流通过DSP的强大的运算能力，进行电压与电流的采集形成调压控制算法的闭环。双DSP调压是热备份冗余设计提高了调压控制器的可靠性和安全性。主MCU主要实现了调压控制器的信息综合处理和部分保护以及与外部的通讯等功能。
其中冗余设计的快速励磁电路相较于传统的励磁电路，功率MOSFET管采用冗余备份，参考图2，1为永磁机；2为永磁机输出整流滤波电路；Q1/Q5-功率MOSFET开关管；Q2/Q6-功率MOSFET开关管；Q3-续流二极管；Q4-续流二极管；Ief-励磁线圈电流，本申请中，Q1与Q5、Q2与Q6同时动作，两个MOSFET并联可以减小通过单管的电流，降低功耗，提高了余度与可靠性，即使有一个管子损坏也不影响正常工作。此励磁电路工作方式为发电机正常工作时Q1/Q5一直处于导通状态，只有Q2/Q6为PWM工作方式，Q3、Q4为励磁线圈的续流二极管，其调压器的工作与传统的一样。但是当变频发电机短时卸去较大负载时，调节点的电压会瞬时超过某个临界值，此时Q1/Q5截止，Q2/Q6也截止，励磁线圈的励磁电流Ief会通过Q3、Q4续流，励磁绕组的磁能返回励磁机，其电路方程为，Lef(dIef/dt)＝-E-IefRef，此电路的励磁电流下降速度很快，中间没有过多的损耗，不会转化成热量，也不增加Q2/Q6关断时的电压，对其也是一种保护，并且一旦Q2/Q6发生短路，Q1/Q5还可将励磁回路切断，避免发电机严重过压。
PWM1和PWM2的信号由两个调压DSP产生，根据冗余设计有以下两种工作模式：1、当正常工作时，调压DSP1控制Q1/Q5实现通断，调压DSP2控制Q2/Q6的通断来控制励磁线圈的励磁电流；2、当调压DSP有一个损坏时另外一个可以单独进行Q1/Q5和Q2/Q6的控制。(假设DSP1故障，主MCU可以通过控制K1和K2，调整为DSP2全权控制Q1/Q5和Q2/Q6)。主MCU实现K1和K2的状态检测以及调压DSP1和调压DSP2的电路的状态检测，并与DSP1和DSP2进行通讯进行总体的规划和布局。通过此种电路可以实现双DSP的冗余设计，提高数字调压电路的可靠性。
为了对发电机的输出电压进行调节，实现飞机电源系统正常供电。为实现该功能，需要的模拟信号输入，参考图2及图3。发电机电压3路Ua、Ub、Uc用于计算POR点电压，实现电压环控制；永磁机电压信号1路UPMG，用于测定永磁机频率；励磁电流1路Iex，用于励磁电流控制，为励磁限制做准备；负载电流3路Ia、Ib、Ic，用于负载电流反馈补偿。控制器必须对发电机输出电压进行反馈闭环调节。变频交流发电机工作范围内转速和负载变化较大，为了满足电压调节的动态要求，因此引入励磁电流控制闭环，通过电流和电压闭环调节实现宽变频发电机的电压调节。
本发明的航空三级式变频交流发电机的双DSP数字调压控制器能够满足宽变频电源系统性能指标要求，满足发电机速度宽变化范围引起的动态指标超标的问题，双DSP冗余设计提高了可靠性与安全性，适用于航空系统，采样调理电路改变了传统的峰值采样电路因电压畸变而采样不准的问题，也解决了有效值芯片的动态响应问题，通过软件算法实现过流、过压等保护，通过主MCU和高速航空总线接口实现通讯，是一种全新的数字控制器设计。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种航空用宽变频交流发电机的数字调压装置，用于对航空用宽变频交流发电机进行调压，所述航空用宽变频交流发电机包括永磁机、励磁机及主发电机，其特征在于，所述永磁机发出的三相交流电通过全桥整流变成直流电，用于为调压控制器提供电源以及提供励磁电流，励磁电流通过快速励磁回路，由双DSP进行冗余调压控制，变换出适配的励磁电流，所述励磁电流用于为所述励磁机的励磁线圈产生励磁磁场，励磁机的转子绕组旋转产生电流，通过旋转整流器变成直流电产生磁场给所述主发电机，所述主发电机用于发出三相交流电；
其中，所述双DSP进行冗余调压控制包括两组功率MOSFET管，每组功率MOSFET管包括两个功率MOSFET单管并联，每个调压DSP均连接有各功率MOSFET单管，其中，第一组功率MOSFET管包括Q1及Q5，第二组功率MOSFET管包括Q2及Q6，Q1与Q5、Q2与Q6同时动作，两个MOSFET并联以减小通过单管的电流，降低功耗；励磁电路工作方式为发电机正常工作时Q1、Q5一直处于导通状态，只有Q2、Q6为PWM工作方式，Q3、Q4为励磁线圈的续流二极管，当变频发电机短时卸去较大负载时，调节点的电压会瞬时超过某个临界值，此时Q1、Q5截止，Q2、Q6也截止，励磁线圈的励磁电流Ief通过Q3、Q4续流，励磁绕组的磁能返回励磁机，其电路方程为：Lef(dIef/dt)＝-E-IefRef，其中，Lef为励磁绕组中的等效电感的电感值，Ref为励磁绕组中的等效电阻的电阻值，E为励磁绕组的电压，dIef/dt是励磁电流Ief的导数，用于表示电流的变化；
其中，双DSP进行冗余调压控制包括：调压DSP1控制Q1、Q5实现通断，调压DSP2控制Q2、Q6的通断来控制励磁线圈的励磁电流；DSP1故障时，调整为DSP2全权控制Q1、Q5和Q2、Q6。
2.如权利要求1所述的航空用宽变频交流发电机的数字调压装置，其特征在于，每个所述调压DSP各通过开关连接各功率MOSFET单管，所述开关由主MCU进行控制，所述主MCU用于实现K1和K2的状态检测以及调压DSP1和调压DSP2的电路的状态检测。
3.如权利要求1所述的航空用宽变频交流发电机的数字调压装置，其特征在于，所述双DSP的各调压电路均连接有全波整流与调理电路，所述全波整流与调理电路连接主发电机及负载，分别用于获取主电机三路电压及负载三路电流，双DSP的各调压电路与所述全波整流与调理电路共同实现电压环PID调节与电流环PID调节。
4.如权利要求3所述的航空用宽变频交流发电机的数字调压装置，其特征在于，所述全波整流与调理电路还连接有所述励磁机，用于将获取的励磁电流引入闭环控制。
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