具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明具体涉及一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置及方法。 技术背景
[0002] 双凸极电机是上世纪90年代发展起来的一种新型磁阻型电机，具有结构简单、可 靠和适合高速运行等优点。双凸极电机根据激磁方式的不同分为双凸极永磁电机（DSPM)、 双凸极电励磁电机（DSEM)以及双凸极混合励磁电机（DSHEM)。DSEM和DSHEM由于存在电 励磁绕组，励磁调节非常方便，便于故障时进行灭磁，因而适合作发电机运行。尽管针对电 励磁和混合励磁双凸极发电机的励磁调节器（即发电机电压调节器）很早就被人提出并加 以应用，但其控制方式依然是传统的输出电压反馈PI控制，动态性能较差，后经改进，引入 了励磁电流前馈控制，改善了发电机的动态性能。但发电机在长期运行状态下，由于温度等 环境因素变化，发电机各相绕组的电阻将会增加，为维持既定的输出功率，励磁电流将会增 大，以维持输出恒定的电枢电流，发电机的参数将会改变，其发电机输出电压与励磁电流输 入间的传递函数结构将会发生改变，原有的固定PI参数就不一定是最佳参数，发电机性能 下降。同时，负载和励磁电源端的大范围扰动以及环境电磁干扰也会大大影响和降低发电 机的性能。
[0003] 根据实验测试证明，在传统的PI固定参数控制下，发电机的输出电压（电压调节 点28. 5V)从空载到满载（负载电流从OA到250A)，输出电压跌落了 0. 5V;发电机在转速 为6000r/min时，负载电流从250A到50A突卸时，电压飘升12V，输出电压的恢复时间为 300ms;负载电流从50A到250A突加时，输出电压跌落近7V，输出电压恢复时间为300ms。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的：针对励磁电源、负载扰动以及环境温度变化，提供了一种能够克服 发电机系统长期运行，结构参数变化而导致的发电性能下降的一种控制装置及其方法，通 过对控制对象（发电机输出电压）构建三阶线性状态观测器，并利用输出电压参考值、线性 状态观测器观测到的发电机输出电压、输出电压微分和扰动量建立电压调节器的开关管控 制率，对发电机输出实现了预测校正，提高了发电机的动态响应，减小了静差，实现了自抗 扰功能，克服了传统控制技术的不足。
[0005] 为了达到上述目的，采用的技术方案是：
[0006] 一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制装置，包括双凸极发电机、 交-直流转换电路、负载电路以及励磁调节器；所述双凸极发电机的A、B、C三相电压输出 端与交-直流转换电路的输入端电连接，交-直流转换电路的输出端与励磁调节器相应的 连接端电连接，所述双凸极发电机的励磁绕组连接端与励磁调节器相应的连接端电连接。
[0007] 作为优选方案，上述交-直流转换电路包括三相整流桥与滤波电容C。，所述双凸极 发电机（1)的A、B、C三相电压输出端与三相整流桥的三个桥臂中点电连接；所述滤波电容 C。的正极引出端经铜导体与三相整流桥的共阴极端进行电连接；所述滤波电容C。的负极引 出端通过铜导体与三相整流桥的共阳极端电连接；所述交直流转换电路具有与负载电路电 连接的连接端子E和F，所述连接端子E和F输出端串接负载电阻
[0008] 作为优选方案，上述励磁调节器包括输出电压检测电路、DSP微处理器、励磁电流 检测电路和双向励磁功率变换器；所述双凸极发电机的励磁绕组连接端与励磁功率变换器 相应的连接端电连接，所述交直流转换电路的连接端子E、F同时和负载电路输入端及输出 电压检测电路的输入端电连接；所述输出电压检测电路的输出端分别与DSP微处理器相应 的连接端电连接，所述DSP微处理器相应的输出端与双向励磁功率变换器相应的输入端电 连接，所述双凸极发电机的励磁绕组连接端、DSP微处理器和双向励磁功率变换器分别与励 磁电流检测电路相应的连接端电连接。
[0009] 作为优选方案，上述励磁功率变换器包括励磁电源Uf，开关管Q1、开关管Q2、二极 管D11、二极管D12 ;所述开关管Ql的漏极与二极管Dll的阴极以及励磁电源叫的正极电 连接，开关管Ql的源极与二极管D12的阴极以及双凸极发电机的励磁绕组连接输入端电连 接；所述开关管Q2的源极与二极管D12的阳极以及励磁电源Uf的负极电连接，开关管Q2的 漏极与二极管Dll的阳极电连接并经励磁电流检测电路与双凸极发电机的励磁绕组连接 输出端电连接；开关管Ql的栅极和开关管Q2的栅极分别与DSP微处理器相应的连接端电 连接。
[0010] 作为优选方案，上述励磁电流检测电路包括电阻馬和检测双凸极发电机励磁绕组 电流的电流传感器LEM1，所述双凸极发电机的励磁绕组输出端通过电流传感器LEMl与励 磁功率变换器相应的连接端电连接，电阻R5的一端与电流传感器LEMl的检测端以及DSP微 处理器相应的连接端电连接，电阻馬的另一端接地。
[0011] 作为优选方案，上述输出电压检测电路是运算放大器构成差动式电压检测电路， 包括运算放大器U1、运算放大器U2、二极管Cl1、二极管d2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4; 所述电阻馬的一端、电阻R3的一端同时与运算放大器1的同相端电连接，而电阻1?3的另一 端接地，电阻R2的另一端与交直流转换电路的连接端子E电连接；所述交直流转换电路的 连接端子F经电阻R1与运算放大器U2的反相端电连接，电阻R4跨接在运算放大器U2的输 出端和反相端之间，并与电阻R1构成电压缩放比例模块；所述运算放大器U2的输出端与运 算放大器仏的同相端电连接，而运算放大器Ui的反相端与运算放大器Ui的输出端电连接， 并构成电压跟随模块；所述运算放大器U1的输出端同时与二极管di的阳极以及二极管d2 的阴极电连接，并与DSP微处理器相应的连接端电连接，二极管Cl1的阴极与电源电连接，二 极管d2的阳极接地。
[0012] 一种具有抗扰能力的双凸极发电机电压调节控制方法，利用上述的装置，其具体 控制步骤是：
[0013] 步骤a、建立发电机输出电压调节控制器的状态观测器及发电机输出状态变量方 程，其表达式分别如
[0014] 公式（1)
[0016] 和公式（2):
[0017] X1=0UO=U0[k] (2)
[0018] 上述式中，0为经过电压检测电路处理后的输出电压缩放比例；Ujk]为直流输出 电压U。经过直流输出电压检测电路后的当前采样值；aa2, &3为状态观测器的参数；kp，kd， bQ为ro控制器参数。
[0023] 电压调节控制器中开关管Q2的控制率表达式如下
[0024] U= [kp (Ur-Z1 [k~l])+kdZ2 [k~l]-Z3 [k~l] ]/b〇 (5)
[0025] 上式中，U,为双凸极发电机通过交-直流转换电路输出的直流电压的参考值； zjk-l]，z2[k-l]，z3[k-l]为前一时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值J1M, Z2[k]，Z3 [k]为当前时刻ADRC三阶观测器中每一阶积分的采样值；AZ1,AZ2,AZ3为ADRC 三阶观测器相应采样值在采样周期Ts内的增量；
[0026] 所述励磁调节器包括励磁功率变换器，励磁功率变换器包括开关管Ql和开关管 Q2,且开关管Ql为恒定导通状态，开关管Q2的开关状态由控制率u决定，由公式（5)建立 励磁功率变换器的开关管Q2的控制率方程u。
[0027] 步骤b、由所述励磁调节器的DSP微处理器进行功能设定并初始化变量；
[0028] 将DSP微处理器的PWM1、PWM2 口 定义为I/O口，并初始化ADCINl;给ai、a2、a3、kp、 匕、13。、4赋一初值；设定变量1[10、2 1[10、21[1^1]、22[10、22[卜1]、2 3[10、23[卜1]、八21[10、 AZ2 [k]、AZ3[k]并将这些变量初始化为零；设定采样周期并初始化Ts= 10ys;控制率u 的上限值Up=T2PR和下限值Low= 0。
[0029] 步骤c、初始化DSP微处理器的定时器T1，并由定时器Tl管理AD中断，定义并使 能AD中断；初始化DSP微处理器的定时器T2,并产生固定频率的三角形载波：
[0030] 设定所述DSP微处理器中定时器Tl的工作模式为连续增模式，且设定定时器Tl 的周期寄存器TlPR中的值，并初始化定时器Tl的计数寄存器TlCNT中的值为零，利用定时 器Tl的周期中