DE68912103T2

DE68912103T2 - Generatorspannungsregelung mit nicht-linearer Kompensierung.

Info

Publication number: DE68912103T2
Application number: DE1989612103
Authority: DE
Inventors: David Alan Fox
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-12-29
Also published as: DE68912103D1; CN1021391C; CN1043838A; EP0377327A2; CA2005092A1; EP0377327A3; JPH02228299A; EP0377327B1

Description

Die Erfindung betrifft die Spannungsregelung von Stromgeneratoren und insbesondere ein Verfahren und eine Schaltung zum Pegeln der Ausgangsspannung eines Stromgenerators, der wechselnden Lasten ausgesetzt ist und der mit wechselnden Drehzahlen angetrieben werden kann.
Typische Spannungsregler, die zum Pegeln der Ausgangsspannung von Stromgeneratoren verwendet werden, enthalten eine Abtastschaltung, die ein Spannungssignal erzeugt das proportional zu der Wechselstrom- oder Gleichstrom-Ausgangsgröße des Generators ist. Dieses Signal wird von einem Referenzsignal subtrahiert, um ein Signal zu entwickeln, das proportional zum Fehler der Generatorausgangsgröße ist. Ein Kompensator modifiziert die Verstärkung des Regelkreises des Spannungsreglers. Die Ausgangsgröße des Kompensators wird verstärkt und dazu verwendet, den Erregerfeldstrom im Generator zu steuern. Die Ausgangsgröße des Generators ist dem Erregerfeldstrom proportional. Die Verstärkung und das Verhalten jedes Elements im Pegelkreis können gemessen werden, und der Komparator kann dafür ausgelegt werden, das gewunschte Einschwingverhalten gemäß bekannter Pegelverfahren zu erreichen.
In manchen elektrischen Systemen wie denen, die man in Flugzeugen antrifft, muß der Generator uber einem breiten Drehzahlbereich arbeiten. Da die Verstärkung (das Verhältnis der Ausgangsspannung zum Erregerfeldstrom) eines Generators proportional zu seiner Drehzahl ist und abnimmt, wenn eine Last angelegt wird, können Spannungsregler, die wie oben erörtert aufgebaut sind, ein nicht mehr akzeptables Einschwingverhalten zeigen, wenn bei unterschiedlichen Drehzahlen eine Last an den Generator angelegt oder von ihm weggenommen wird. Wenn beispielsweise eine Last an einen Generator angelegt wird, der in der Nähe des unteren Endes seines Arbeitsdrehzahlbereichs arbeitet, nimmt die Generatorausgangsgröße anfänglich ab und erholt sich langsam, da die Verstärkung des Spannungsregelkreises relativ niedrig ist. Die Verstärkung kann nicht wesentlich vergrößert werden, da eine Lastwegnahme bei hoher Drehzahl zu einem ernstlich unterdämpften Zustand führen würde. Es gibt erhebliche Unterschiede im Einschwingverhalten über dem geforderten Drehzahl- und Lastbereich. Die vorliegende Erfindung sucht einen Spannungsregler zu schaffen, der das Generatoreinschwingverhalten über dem erwarteten Arbeitsdrehzahl- und -lastbereich verbessert.
Die JP-PS 59 127 596 zeigt einen Generatorspannungsregler, der ein nichtlineares Element im Pegelkreis enthält. Die vorliegende Erfindung zeigt die Verwendung eines nichtlinearen Elements mit einer besonderen Charakteristik, die die Verstärkung des Generators über einem erwarteten Drehzahl- und Lastbereich repräsentiert Dies kompensiert Verstärkungsveränderungen im Generator aufgrund von Drehzahl und Laständerungen, wodurch das Gesamt-Einschwingverhalten des Systems verbessert wird. Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Regeln der Ausgangsspannung eines Stromgenerators, das die Schritte enthält, ein erstes Signal zu erzeugen, das die Ist-Ausgangsgröße des Generators repräsentiert, und das erste Signal mit einem Referenzsignal zu kombinieren, um ein Steuersignal zu erhalten, das sich im Verhältnis zu der Differenz zwischen der Soll-Ausgangsgröße des Generators und der Ist-Ausgangsgröße ändert. Das Steuersignal wird mittels einer nichtlinearen Transferfunktion modifiziert, die die Verstärkung des Generators über einem erwarteten Arbeitsdrehzahl- und -lastbereich repräsentiert, und der Erregerfeldstrom des Generators wird auf das resultierende modifizierte Steuersignal hin gesteuert, wodurch die Ist-Ausgangsgröße dazu gebracht wird, sich der Soll-Ausgangsgröße zu nähern. Die Generatorausgangsgröße kann entweder eine Ausgangsspannung, die eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung sein kann, oder ein Ausgangsstrorn sein, der ein Wechselstrom oder ein Gleichstrom sein kann.
Die Erfindung umfaßt außerdem Spannungsregelkreise, die das obige Verfahren durchführen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die nichtlineare Transferfunktion eine Exponentialfunktion des Steuersignals.
Die Erfindung ergibt sich noch deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung ihrer bevorzugten, lediglich beispielhaft gezeigten Ausführungsform, wobei in den beigefügten Zeichnungen:
Figur 1 ein Blockdiagramm eines gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten Spannungsreglers ist;
Figur 2 eine graphische Darstellung der nichtlinearen Transferfunktion ist, die in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 3 ein Graph ist, der die Verstärkung des nichtlinearen Elements in Figur 1 darstellt; und
Figur 4 ein schematisches Diagramm eines nichtlinearen Elements ist, das in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird.
Mit Bezug auf die Zeichnungen ist Figur 1 ein Blockdiagramm eines Generators und eines Spannungsreglers, der gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Ein Generator 10 ist an eine nicht gezeigte externe Kraftmaschine gekoppelt, die den Generator mit wechselnden Drehzahlen antreibt. Der Generator erzeugt auf einer Leitung eine Ausgangs-Gleich- oder -Wechselspannung. Diese Spannung wird von einer Abtastschaltung 14 abgetastet, um auf einer Leitung 16 ein erstes Spannungssignal V&sub1; zu erzeugen, das die Generatorausgangsspannung repräsentiert. Eine Referenzspannung Vr-f, die ein Gleichspannungssignal sein kann, das der gewünschten Ausgangsspannung des Generators proportional ist, wird an einem Punkt 18 zugeführt. Das erste Spannungssignal V&sub1; wird an einem Kombinationspunkt 20 von dem Referenzspannungssignal Vr-f subtrahiert, um ein Fehlersignal Ve auf einer Leitung 22 zu erzeugen. Ein Kompensator 24 empfängt das Fehlersignal und erzeugt ein Steuersignal, das als Eingangssignal Vin, für das nichtlineare Element 26 dient. Die Transferfunktion des nichtlinearen Elements modifiziert das Steuersignal Vin, um ein Ausgangssignal Vo zu erzeugen. Ein Verstärker 28 steuert den Erregerfeldstrom des Generators 10 über eine Leitung 30 auf das Ausgangssignal eines nichtlinearen Elements hin.
Mit Ausnahme des nichtlinearen Elements 26 trifft man sämtliche Elemente in Figur 1 in bestehenden Spannungsreglern an. Die Erfindung fügt das nichtlineare Element hinzu, wobei die Verstärkung dieses Elements dafür eingerichtet wird, Verstärkungsveränderungen im Generator zu kompensieren, so dar die Gesamtverstärkung des Regelkreises über dem Arbeitsdrehzahl- und -lastbereich des Generators im wesentlichen konstant ist. Der Generator-Erregerfeldstrom EFA enthält die Informationen, die benötigt werden, um die Verstärkung des nichtlinearen Elements zu bestimmen. Bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten ist der EFA hoch. Bei hohen Drehzahlen und leichten Lasten ist der EFA niedrig. Somit sollte die Verstärkung des nichtlinearen Elements proportional zum Generator-EFA sein. Diese Verstärkung ist eine differentielle Verstärkung, die der Ableitung der Transferfunktion am Arbeitspunkt äquivalent ist. Der Verstärker 28 steuert den Generator-EFA so, dar er proportional zu Vo, der Ausgangsgröße des nichtlinearen Elements, ist.
Die ideale Funktion für einen nichtlinearen Kompensator wahre exponentiell. Sie ist ideal, weil die Ableitung der Exponentialfunktion proportional zu der Funktion selbst ist. Falls die Funktion ist:
wobei K und C Konstanten sind, dann gilt:
weshalb die Verstärkung proportional zu Vo ist, welche proportional zum EFA ist. Leider nutzen erhältliche Exponentialfunktionsmodule eine Dioden-Spannungs-Strom-Charakteristik, die temperaturempfindlich ist. Eine Temperaturdrift im Kompensatornetzwerk ist unerwünscht. Daher verwendet die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Funktion der Form:
oder
wobei K eine Konstante ist. Dann gilt
Falls n grob ist, ist dann die Verstärkung wie gewünscht annähernd proportional zu Vo. Figur 2 zeigt die Transferfunktion 32 (Vo gegen Vin) des nichtlinearen Elements, und eine Kurve 34 in Figur 3 zeigt die Verstärkung gegen Vo für n = 6, was bei Funktionsmodulen in integrierter Schaltung leicht erreichbar ist. Es ist bemerkenswert, dar die durch die Kurve 34 dargestellte Verstärkung nur leicht von einer geraden Linie abweicht, die proportional zu Vo ist.
Figur 4 ist ein schematisches Diagramm des nichtlinearen Kompensatorelements, das in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird. Das aktive Element ist ein Multifunktionswandler Burr-Brown 4302, der so geschaltet ist, dar er die folgende Transferfunktion entwickelt:
Mit m = 5 und einer Referenzeingangsgröße von 5 Volt wird die Funktion:
Die Verstärkung ist dann:
was die gewünschte Form ist.
Dadurch, dar die oben beschriebene nichtlineare Transferfunktion verwendet wird, wird das Systemverhalten für fast alle Einschwingbedingungen verbessert. Dies ergibt ein konsistentes Einschwingverhalten über dem geforderten Drehzahl- und Lastbereich. Die Einfügung des nichtlinearen Elements ist außerdem zu vorhandenen Abtast- und Verstärkerschaltungen kompatibel, und die Technik der Erfindung ist sowohl auf Wechselstrom- als auch auf Gleichstromsysteme anwendbar.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung im Sinne dessen beschrieben, was zur Zeit als ihre bevorzugte Ausführungsform angesehen wird, es ist aber für den Fachmann offensichtlich, dar verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können andere Transferfunktionen für das nichtlineare Element entwickelt werden, mit Eingangsgrößen für die Generatordrehzahl- und Last, um das System weiterhin feinabzustimmen, um besonderen Anforderungen zu entsprechen. Außerdem kann, auch wenn die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Generatorausgangsspannungs-Abtastung verwendete, eine Ausgangsstromabtastung oder eine Kombination aus Strom- und Spannungsabtastung verwendet werden. Es ist daher beabsichtigt, daß die beigefügten Patentansprüche solche Änderungen mit abdecken. IDENTIFIZIERUNG DER IN DEN ZEICHNUNGEN VERWENDETEN BEZUGSZEICHEN AUFSCHRIFT BEZUGSZEICHEN FIGUR ABTASTSCHALTUNG KOMPENSATOR NICHTLINEARES ELEMENT VERSTÄRKER

Claims

1. Verfahren zum Regeln der Ausgangsspannung eines Stromgenerators (10) mit variabler Drehzahl das die Schritte umfaßt: Erzeugen eines ersten Signals (V&sub1;), das die Ist- Ausgangsgröße des Generators (10) repräsentiert, und Kombinieren des ersten Signals (V&sub1;) mit einem Referenzsignal (Vr-f) um ein Steuersignal (Vin) zu erhalten, das sich im Verhältnis zu der Differenz zwischen einer Soll-Ausgangsgröße des Generators und der Ist-Ausgangsgröße ändert; mit den Schritten, das Steuersignal (Vin) mittels einer nichtlinearen Transferfunktion (32) zu modifizieren und den Strom in einer Erregerfeldwicklung des Generators (10) auf das modifizierte Steuersignal (Vo) hin zu steuern, wodurch die Ist-Ausgangsgröße dazu gebracht wird, sich der Soll-Ausgangsgröße zu nähern, dadurch gekennzeichnet, dar die Transferfunktion die Verstärkung des Generators über einem erwarteten Arbeitsdrehzahl- und -lastbereich des Generators repräsentiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dar die Transferfunktion (32) eine Exponentialfunktion ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dar die Transferfunktion (32) die Form Vo = CeVin/K hat, wobei Vin das Steuersignal ist, Vo das modifizierte Steuersignal ist und C und K Konstanten sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dar die Transferfunktion (32) die Form Vo = V n/K hat, wobei Vin das Steuersignal ist, Vo das modifizierte Steuersignal ist und n und K Konstanten sind.

5. Spannungsregler zum Regeln der Ausgangsspannung eines Stromgenerators mit variabler Drehzahl welcher aufweist: eine Einrichtung (14) zum Erzeugen eines ersten Signals (V&sub1;), das die Ist-Ausgangsgröße eines Generators (10) reprasentiert, und eine Einrichtung (20) zum Kombinieren des ersten Signals (V&sub1;) mit einem Referenzsignal (Vr-f), um ein Steuersignal (Vin) zu erhalten, das sich im Verhältnis zu der Differenz zwischen einer Soll-Ausgangsgröße des Generatörs (10) und der Ist-Ausgangsgröße des Generators ändert; mit einer Einrichtung (26) zum Modifizieren des Steuersignals mittels einer nichtlinearen Transferfunktion (32) und mit einer Einrichtung (28) zum Steuern des Stroms in einer Erregerfeldwicklung des Generators (10) auf das modifizierte Steuersignal (Vo) hin, wodurch die Ist-Ausgangsgröße dazu gebracht wird, sich der Soll-Ausgangsgröße zu nähern, dadurch gekennzeichnet, dar die Transferfunktion die Verstärkung des Generators über einem erwarteten Arbeitsdrehzahl- und -lastbereich des Generators repräsentiert.

6. Spannungsregler nach Anspruch 5, der weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dar die Transferfunktion (32) eine Exponentialfunktion ist.

7. Spannungsregler nach Anspruch 5, der weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dar die Transferfunktion (32) die Form Vo = CeVin/K hat, wobei Vin das Steuersignal ist, Vo das modifizierte Steuersignal ist und C und K Konstanten sind.

8. Spannungsregler nach Anspruch 5, der weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, dar die Transferfunktion (32) die Form Vo = V n/K hat, wobei Vin das Steuersignal ist, Vo das modifizierte Steuersignal ist und n und K Konstanten sind.