CN111224590A - 一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置及方法 - Google Patents
一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置及方法，将PI调节环节及PWM信号生成改由数字式软件模块完成，PI参数可随高压直流发电机的工作状态进行实时整定，进而优化高压直流发电机稳态及瞬态输出电压波形。经过试验对比分析，在转速、负载均不发生变化时，数字式调压系统能将高压直流发电机输出电压调节至相关标准要求的范围内。而当转速发生变化或负载发生变化或转速与负载均发生变化时，模拟式调压系统的瞬态调节效果远不如数字式调压系统，通过对比分析可知，本发明提出的数字式调压控制系统改善了高压直流发电机输出电压的稳态及瞬态特性曲线，且实验结果曲线满足标准的要求，该发明切实有效。
Description
技术领域
本发明属于航空电气技术，涉及一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置及方法。
背景技术
目前单通道的航空高压直流发电系统主要包括高压直流发电机、发电机控制器、线路电流互感器、负载电流互感器、主接触器等产品。其中发电机控制器通过传统模拟式调压控制方法对高压直流发电机的输出电压进行调节，其调压控制子模块主要包括信号调理模块、PI调节模块、PWM信号生成模块和功率模块；参考电压信号以及调理后的发电机调压点电压信号输入至PI调节模块，PI调节模块输出调制信号至PWM信号生成模块，生成PWM波控制功率模块，由功率模块产生电压信号控制励磁电流。通过调节励磁电流大小达到调节高压直流发电机输出电压的目的。
随着宽转速范围航空高压直流发电机的研制发展，上述传统的模拟式调压控制系统已无法满足宽转速范围航空高压直流发电机输出电压的技术指标要求，主要原因是传统的模拟式调压控制系统PI调节环节是通过硬件电路搭建而成，因此其对应的PI参数无法随高压直流发电机的工作状态进行改变，当发电机转速增加或减少，增加负载或减少负载等工作情况发生时，往往会出现高压直流发电机的输出电压瞬态波形超过了相关标准的要求，对后端接入的负载会产生较大冲击，甚至会引发因电压过高烧毁负载的严重后果。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，将PI调节环节及PWM信号生成改由数字式软件模块完成，PI参数可随高压直流发电机的工作状态进行实时整定，进而优化高压直流发电机稳态及瞬态输出电压波形。
本发明的技术方案为：
所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，包括PI调节模块和PWM信号生成模块，其特征在于：PI调节模块和PWM信号生成模块采用在数字式处理器中通过软件算法实现；在数字式处理器中，PI调节模块计算得到PWM波的占空比，然后输出给PWM信号生成模块，PWM信号生成模块输出对应占空比的PWM波；
所述PI调节模块接收参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号；根据公式得到PWM波的占空比：
D(k)＝K0E(k)-K1E(k-1)+D(k-1)
其中D(k)和D(k-1)为当前和上一周期的占空比，E(k)和E(k-1)为当前和上一周期的发电机调压点电压实际值与参考电压值的偏差，K0和K1分别为数字调压算法中的系数，
Kp和Ki分别为根据发电机转速信号整定的PI参数，T为PI调节周期。
进一步的优选方案，所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，其特征在于：在PI调节模块中，先对发电机调压点电压信号进行判断，若发电机调压点电压小于220V，则调节占空比为0.9，若发电机调压点电压大于290V，则调节占空比为0，若发电机调压点电压处于220V～290V之间，则根据参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号进行PI调节。
进一步的优选方案，所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，其特征在于：Kp和Ki根据发电机转速信号采用分段函数确定：
当发电机转速n处于12000rmp≤n<16000rmp时，则Kp＝0.6和Ki＝15；
当发电机转速n处于16000rmp≤n<19000rmp时，则Kp＝0.42和Ki＝2.5；
当发电机转速n处于19000rmp≤n<22000rmp时，则Kp＝0.40和Ki＝3；
当发电机转速n处于22000rmp≤n<27000rmp时，则Kp＝0.32和Ki＝3.5；
当发电机转速n<12000rmp时，取K0＝0.6和K1＝0.6；
当发电机转速n>27000rmp时，取K0＝0.32和K1＝0.32。
一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制方法，其特征在于：接收参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号；根据公式得到PWM波的占空比：
D(k)＝K0E(k)-K1E(k-1)+D(k-1)
其中D(k)和D(k-1)为当前和上一周期的占空比，E(k)和E(k-1)为当前和上一周期的发电机调压点电压实际值与参考电压值的偏差，K0和K1分别为数字调压算法中的系数，
Kp和Ki分别为根据发电机转速信号整定的PI参数，T为PI调节周期。
进一步的优选方案，所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制方法，其特征在于：
先对发电机调压点电压信号进行判断，若发电机调压点电压小于220V，则调节占空比为0.9，若发电机调压点电压大于290V，则调节占空比为0，若发电机调压点电压处于220V～290V之间，则根据参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号进行PI调节。
进一步的优选方案，所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制方法，其特征在于：
Kp和Ki根据发电机转速信号采用分段函数确定：
当发电机转速n处于12000rmp≤n<16000rmp时，则Kp＝0.6和Ki＝15；
当发电机转速n处于16000rmp≤n<19000rmp时，则Kp＝0.42和Ki＝2.5；
当发电机转速n处于19000rmp≤n<22000rmp时，则Kp＝0.40和Ki＝3；
当发电机转速n处于22000rmp≤n<27000rmp时，则Kp＝0.32和Ki＝3.5；
当发电机转速n<12000rmp时，取K0＝0.6和K1＝0.6；
当发电机转速n>27000rmp时，取K0＝0.32和K1＝0.32。
有益效果
经过试验对比分析，在转速、负载均不发生变化时，模拟式调压系统及数字式调压系统均能将高压直流发电机输出电压调节至相关标准要求的范围内，即两种调压方式在恒转速、恒负载状态下，稳态调压效果均较好。而当转速发生变化或负载发生变化或转速与负载均发生变化时，模拟式调压系统的瞬态调节效果远不如数字式调压系统。通过对比分析可知，本发明提出的数字式调压控制系统改善了高压直流发电机输出电压的稳态及瞬态特性曲线，且实验结果曲线满足标准的要求，该发明切实有效。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：高压直流发电机模拟式调压系统原理框图；
图2：高压直流发电机数字式调压系统原理框图；
图3：数字调压流程；
图4：电压控制回路；
图5：数字调压器硬件在环验证示意图；
图6：实施例中的系统结构示意图；
图7：供电模块电路原理图；
图8：电压调理电路原理图；
图9：软件功能示意图；
图10：功率模块图；
图11：13500rpm下数字式调压系统建压特性曲线；
图12：20000rpm下数字式调压系统建压特性曲线；
图13：25000rpm下数字式调压系统建压特性曲线；
图14：转速为13500rpm，负载由10％突加至85％再突卸至10％时，模拟式调压系统瞬态特性曲线；
图15：转速为13500rpm，负载由10％突加至85％再突卸至10％时，数字式调压系统瞬态特性曲线；
图16：转速为20000rpm，负载由20％突加至170％再突卸至20％时，模拟式调压系统瞬态特性曲线；
图17：转速为20000rpm，负载由20％突加至170％再突卸至20％时，数字式调压系统瞬态特性曲线；
图18：转速为25000rpm，负载由20％突加至170％再突卸至20％时，模拟式调压系统瞬态特性曲线；
图19：转速为25000rpm，负载由20％突加至170％再突卸至20％时，数字式调压系统瞬态特性曲线。
具体实施方式
本发明提出的针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，其中的PI调节环节、PWM信号生成环节由CPU中的软件算法实现，突破了模拟式调压系统通过硬件搭建PI调节环节后PI参数无法改变的问题。
将发电机调压点(Point Of Regulation，简称POR)电压信号采集回来，经信号调理电路处理后送入调压控制装置的CPU模块，同时，CPU结合采集到的发电机转速信号对PI参数进行赋值，将采集的POR电压信号与参考电压进行信号进行误差运算，对误差进行PI调节并得出此时的PWM信号占空比，输出对应占空比的PWM信号并经功率模块进行驱动能力放大，进而控制励磁机的励磁电流，达到控制高压直流发电机输出电压的目的。
当发电机转速发生变化、负载状态发生变化时，数字式调压控制装置的软件会根据采集的状态信息进行相应处理运算，得出对应工作状态下的合适PI参数，进而输出符合占空比要求的PWM波。
如图3所示，本实施例中，当采集调压点电压小于220V时，调节占空比为0.9，实现建压过程，使得电压上升；当采集调压点电压大于290V时，调节占空比为0，不进行励磁，电压降低。当电压处于220V～290V之间，进行PI调节。
PI调节采用分段PI算法，根据转速值实时整定PI参数，使系统在不同转速下都能有良好的稳态及瞬态特性，控制回路如图4所示，其中PI调节环节的控制参数随转速实时整定。
设PI环节的传递函数为P(s)，其输入为参考值与实际值的偏差E(s)，输出为占空比D(s)，则
软件实现时需将上述公式离散化，Tusitin方法可以满足离散精度的要求，因此选用该方法进行离散化，即
将上式代入P(s)可得离散后的PI环节为
其中
T为PI调节周期，软件中由T2定时器周期中断控制，T＝40μs。
发电机转速的工作范围为13500rpm～25000rpm，依据仿真分析结果，将其划分为四个区间，即可使系统在不同转速和不同工况下都能有良好的稳态及瞬态特性，转速范围的划分及对应的PI参数如表1所示。
表1 转速区间划分及相应控制参数
下面详细描述本发明的实施实例，所述实例是示范性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中基于半物理仿真平台，图5为数字调压器硬件在环验证示意图。将需测试的数字调压算法用数字调压装置实物实现，三级式高压直流发电机用模型实现，即在半物理平台仿真系统中搭建发电机仿真模型，仿真模型通过实时目标机、信号调理设备与数字调压装置相连，数字调压装置控制发电机仿真模型的正常运行，完成数字调压装置的硬件在环测试，验证数字调压装置的有效性。
图6所示为系统结构示意图，其中的三级式发电机为全数字模型，数字调压装置为硬件实物。仿真模型通过实时目标机将转速及POR电压输入至数字调压装置的信号调理电路，调理后的信号通过CPU进行采集，运行在CPU内的数字调压算法依据转速实时整定控制参数并调节占空比，再由CPU输出PWM波，经过功率模块进行驱动能力放大，然后将其送至实时目标机，通过改变PWM波占空比调节发电机模型中励磁电流的平均值，进而调节发电机输出电压值，使其满足相关标准要求。
该针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置及外围电路，包括高压直流发电机输出电压信号调理电路、发电机转速采集电路、CPU模块、PWM驱动模块、供电模块、功率模块等部分。。其输入为高压直流发电机输出电压信号、发电机转速信号，输出为某占空比的PWM信号。
供电模块主要将外部供给的28V直流电变换为+15V、+5V输出，其中+15V为运算放大器、光耦等部件进行供电，供电模块选用两个电源模块，其电路原理图如图7所示。
发电机输出电压信号调理电路将POR电压经过分压处理，通过设置R4、R6两个定值电阻的阻值可以调整分压比例，然后再经过运算放大器实现电压跟随，并通过稳压二极管Z2实现输出电压限幅，最终将符合要求的POR_IN信号送入CPU模拟量采样引脚。发电机输出电压信号调理电路原理图如图8所示。
CPU模块将采集的POR信号与基准电压进行误差比较，得出此时输出电压与要求的电压值之间的差值，经PI控制算法作用后，输出符合要求的PWM波，软件功能示意如图9所示。PI控制算法会根据采集的转速信息确定当时状态下PI参数的值，实现全转速范围内数字调压。
由CPU输出的PWM波经过功率模块进行驱动能力放大，然后将其送至半物理仿真平台，通过改变PWM波占空比调节励磁电流的平均值，进而调节高压直流发电机输出电压值，使其满足相关标准要求。功率模块如图10所示。
本实例已经在实验室半物理仿真平台上完成了实验验证，在高压直流发电机宽转速运行范围情况下，该数字式调压控制装置作用下，发电机输出电压稳态波形较好，能够满足相关标准要求；在转速升高或转速降低、负载增加或负载减少或两者结合作用等各种复杂条件影响下，该数字式调压控制装置作用下，发电机输出电压瞬态波形较好，能够满足相关标准要求。对比传统的模拟式调压控制装置，该数字式调压控制装置改善了高压直流发电机输出电压品质。
此外，对于模拟式调压系统及本发明提出的数字式调压系统还进行了对比试验分析：
1、在转速、负载均不发生变化时，模拟式调压系统及数字式调压系统均能将高压直流发电机输出电压调节至相关标准要求的范围内，即两种调压方式在恒转速、恒负载状态下，稳态调压效果均较好。
图11～图13给出了典型转速作用下数字式调压系统建压特性曲线，可以看出数字式调压控制算法作用下高压直流发电机建压过程中系统的超调量(即电压上冲的尖峰)较小，调节时间(即由0V到输出270V时间)较短，调节的稳态误差(即最终稳态电压与270V之间差值)较低。高压直流发电系统建压特性曲线符合相关标准的技术要求。
2、当转速发生变化或负载发生变化或转速与负载均发生变化时，模拟式调压系统的瞬态调节效果远不如数字式调压系统。
图14～图19给出了典型工作状态下模拟式调压系统瞬态特性曲线与数字式调压系统瞬态特性曲线，可以看出数字式调压控制算法作用下高压直流发电机在工作状态发生变化过程中系统的超调量(即电压上冲或下冲的尖峰)比模拟式调压系统小，调节时间(即由0V到输出270V时间)比模拟式调压系统短，调节的稳态误差(即最终稳态电压与270V之间差值)较低。在有些工作状态下(如转速为25000rpm，负载由20％突加至170％再突卸至20％)，模拟式调压控制系统的电压上冲达到了346V，超出标准要求的范围；而数字式调压控制系统对应的值为330V，仍满足标准要求。
通过对比分析可知，数字式调压控制系统改善了高压直流发电机输出电压的稳态及瞬态特性曲线，且实验结果曲线满足标准的要求，该发明切实有效。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，包括PI调节模块和PWM信号生成模块，其特征在于：PI调节模块和PWM信号生成模块采用在数字式处理器中通过软件算法实现；在数字式处理器中，PI调节模块计算得到PWM波的占空比，然后输出给PWM信号生成模块，PWM信号生成模块输出对应占空比的PWM波；
所述PI调节模块接收参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号；根据公式得到PWM波的占空比：
D(k)＝K0E(k)-K1E(k-1)+D(k-1)
其中D(k)和D(k-1)为当前和上一周期的占空比，E(k)和E(k-1)为当前和上一周期的发电机调压点电压实际值与参考电压值的偏差，K0和K1分别为数字调压算法中的系数，
Kp和Ki分别为根据发电机转速信号整定的PI参数，T为PI调节周期。
2.根据权利要求1所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，其特征在于：在PI调节模块中，先对发电机调压点电压信号进行判断，若发电机调压点电压小于220V，则调节占空比为0.9，若发电机调压点电压大于290V，则调节占空比为0，若发电机调压点电压处于220V～290V之间，则根据参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号进行PI调节。
3.根据权利要求2所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制装置，其特征在于：Kp和Ki根据发电机转速信号采用分段函数确定：
当发电机转速n处于12000rmp≤n<16000rmp时，则Kp＝0.6和Ki＝15；
当发电机转速n处于16000rmp≤n<19000rmp时，则Kp＝0.42和Ki＝2.5；
当发电机转速n处于19000rmp≤n<22000rmp时，则Kp＝0.40和Ki＝3；
当发电机转速n处于22000rmp≤n<27000rmp时，则Kp＝0.32和Ki＝3.5；
当发电机转速n<12000rmp时，取K0＝0.6和K1＝0.6；
当发电机转速n>27000rmp时，取K0＝0.32和K1＝0.32。
4.一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制方法，其特征在于：接收参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号；根据公式得到PWM波的占空比：
D(k)＝K0E(k)-K1E(k-1)+D(k-1)
其中D(k)和D(k-1)为当前和上一周期的占空比，E(k)和E(k-1)为当前和上一周期的发电机调压点电压实际值与参考电压值的偏差，K0和K1分别为数字调压算法中的系数，
Kp和Ki分别为根据发电机转速信号整定的PI参数，T为PI调节周期。
5.根据权利要求4所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制方法，其特征在于：先对发电机调压点电压信号进行判断，若发电机调压点电压小于220V，则调节占空比为0.9，若发电机调压点电压大于290V，则调节占空比为0，若发电机调压点电压处于220V～290V之间，则根据参考电压信号、发电机调压点电压信号以及发电机转速信号进行PI调节。
6.根据权利要求5所述一种针对宽转速范围航空高压直流发电机的调压控制方法，其特征在于：
Kp和Ki根据发电机转速信号采用分段函数确定：
当发电机转速n处于12000rmp≤n<16000rmp时，则Kp＝0.6和Ki＝15；
当发电机转速n处于16000rmp≤n<19000rmp时，则Kp＝0.42和Ki＝2.5；
当发电机转速n处于19000rmp≤n<22000rmp时，则Kp＝0.40和Ki＝3；
当发电机转速n处于22000rmp≤n<27000rmp时，则Kp＝0.32和Ki＝3.5；
当发电机转速n<12000rmp时，取K0＝0.6和K1＝0.6；
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