一种基于PWM和FLC的发电机调速装置的制作方法

本实用新型属于发电机调速技术领域，特别是一种基于PWM（Pulse Width Modulation）和FLC（fuzzy logic control）的发电机调速装置。

背景技术：

地面电源车是军民用机场的重要地面保障装备。在正常情况下，飞机起飞前首先需要由地面电源车进行起动，以使飞机发动机进入独立工作状态。不同类型的飞机因其性能和用途各异，其起动方式存在差别，所需的地面起动电源的类型也不尽相同，有的飞机需要由直流电源起动，有的飞机则需要由交流电源起动；有的飞机需要由恒压的电源起动，而有的飞机需要由能够升压的电源起动，因此，为满足不同机种机型的飞机对起动电源的不同需求，地面电源车已由功能单一的电瓶车发展为通用的电源车。通用电源车的工作原理电路如图1所示。

通用地面电源车上的交流发电机是由柴油发动机带动的，交流发电机输出交流电频率正比于发电机的转速，为保证地面电源车的供电品质，交流发电机转速必须保持恒定，因此，地面电源车必须装备性能可靠的调速系统。显然，要调节发电机的转速，必须对柴油机的转速进行调节。而要调节柴油机的转速，必须调节柴油机的供油量。调节柴油机转速常用的方法是采用模拟控制电路根据柴油机的转速偏差给液压伺服阀施加控制信号，由液压伺服阀控制柴油机供油量来实现。采用这种传统的调节系统，在调节过程中存在平稳性差，调节时间长，反应迟钝，准确性低等缺陷，故系统的动态性能和稳态性能均不能充分满足地面电源车的技术性能要求。另外，系统的执行机构－液压伺服阀随着使用时间的增长，易发生阻塞卡滞故障，大大降低了系统的可靠性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于PWM和FLC的发电机调速装置，通过组合脉冲调宽和模糊控制以克服现行系统的动静态性能差、可靠性低的缺陷。

本实用新型解决上述问题的技术方案为：一种基于PWM和FLC的发电机调速装置，包括：速度给定单元、测速单元、模拟放大单元、脉冲调宽（PWM）功放单元、模糊控制器（FLC）和执行单元；

所述速度给定单元用于设定发电机的给定转速；所述测速单元用于采集发电机的实际转速；

所述模拟放大单元接收速度给定单元和测速单元输出的分别反映柴油机给定转速和实际转速的电信号，并将其偏差进行放大后分别输送给脉冲调宽（PWM）功放单元和模糊控制器，脉冲调宽（PWM）功放单元和模糊控制器分别生成控制信号后进行迭加，并输送给执行单元。

按上述方案，速度给定单元由两个微调电位器和选择开关K组成。

按上述方案，所述测速单元由磁传感器和F-V转换装置串接组成，所述磁性传感器设置在发动机的飞轮上，并与飞轮齿环的齿面相垂直

按上述方案，所述运算放大单元由两级运算放大器直接耦合而成，以构成组合加法器，其中，第一级运算放大器为反相端输入；第二级运算放大器为同相端输入。

按上述方案，所述第二级运算放大器为引入电压负反馈的运算放大器。

按上述方案，所述脉冲调宽功放单元为NCP1351可变开关时间PWM控制器。

按上述方案，所述模糊控制器为单变量二维模糊控制器。

按上述方案，所述模糊控制器采用国产模糊控制ASIC芯片F100。

按上述方案，所述执行单元为电磁式执行器，所述电磁式执行器包括活动铁芯、固定铁芯激磁线圈、恢复弹簧、拉杆、摇臂轴、摇杆、油泵齿条和拉杆。

按上述方案，所述还包括发电机调速装置用于控制执行单元工作的保护单元，所述保护单元与测速单元连接。

本实用新型装置带来的有益效果是：

1. 采用脉冲调宽电路，由于施加给执行器的控制信号是脉动的，如果该脉动信号的频率选得适当可以使执行器产生颠振，可以克服粘滞作用，提高系统调节的快速性。同时，采用模糊控制器与脉冲调宽电路相组合的控制方案，控制作用的增强，也可以提高系统调节的快速性。另外，模糊控制器良好的稳态性能，以及在运算放大单元的第二级放大器引入电压负反馈均可以提高调节系统的稳定性。以上因素改善了系统的动态性态。

2. 采用测速单元可以有效减小稳态误差；同时脉冲调宽电路可以提高功率管的工作效率，减小发热量，延长功率管的寿命，减小温度飘移，提高装置静态稳定性，从而使装置的静态性能得到保证。

3. 采用保护单元提高了装置的可靠性、实用性。

附图说明

图1为本实用新型背景技术中的通用电源车的工作原理电路图；

图2为本实用新型实施例的发电机调速装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的调速装置的原理电路图；

图4为本实用新型实施例的脉冲宽度随偏差大小而变化的示意图；

图5为本实用新型实施例的模糊子集的隶属函数图；

图6为本实用新型实施例的电磁执行器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2所示，一种基于PWM和FLC的发电机调速装置，是一个按“偏差”调节原理组成的负反馈调节系统，包括速度给定单元，测速单元，运算放大单元，脉冲调宽（PWM）功放单元，模糊控制器，执行单元，保护单元。速度给定单元和测速单元分别与运算放大单元的两输入端连接，运算放大单元的输出端分别与脉冲调宽（PWM）功放单元和模糊控制器的输入端连接，脉冲调宽（PWM）功放单元和模糊控制器的输出与执行机构连接。其中，速度给定单元，测速单元，运算放大单元，脉冲调宽（PWM）功放单元，执行单元构成调速系统的主回路。

如图3所示，图3中的数字代表电连接器的接线号，速度给定单元的转速给定值是将稳压电源输出的标准电压分压后通过选择开关K和两个微调电位器W1、W2来调节的，选择开关K和两个微调电位器W1、W2分别连接。稳压电源是直流24 V（或12 V），可以由发电机组启动蓄电池直接提供。也可以取自其它形式的24 V（或12 V）直流电源，控制系统内部设稳压电源是专门给控制回路供电的，其主要目的是为了保证除功放器以外的其它各单元的工作不受外界电源波动的影响。稳压电源输出+9 V电压，而功率放大器电源则直接取自外界电源。转速给定是稳压电源输出的标准电压经分压后逐级给定，也可以无级调节。速度给定单元中转速给定输出的标准电压送至模拟放大环节第一级放大器的“+”端。

测速单元是将一个磁性传感器装在柴油发动机的飞轮上，并使之与飞轮齿环的齿面相垂直，磁性传感器输出波形为近似正弦波，其频率正比于发动机的转速，磁性传感器输出电压的有效值可达4 V～10 V，该交流电压输入到调速系统，经“F-V”转换得到一个正比于柴油发动机转速的模拟电压Vf，该电压不受发动机振动、齿环失圆度及工作电源电压波动的影响，并且滤波环节简单、时间常数小，是一个比较理想的测量工具。磁传感器输出波形为近似正弦波，其频率正比于发动机的转速。该正弦信号经F-V转换装置转换成电压信号送至模拟放大环节第一级放大器的“-”端。当磁头信号消失时，该测速单元还能自动输出最大值去关闭放大器使发动机自动停机。

运算放大单元、脉冲调宽功放单元和反馈这三个环节是决定调速装置性能指标的中心环节。如图2所示，运算放大器为两级运算放大器直接耦合而成，以构成组合加法器，从而确保其放大功能。第一级运算放大器为反相端输入，第二级运算放大器为同相端输入且引入电压负反馈，反馈通道设硬反馈及软反馈两通道，可分别得到有差及无差调节特性，电压负反馈电路可提高系统的稳定性。

脉冲调宽（PWM）功放单元采用NCP1351可变开关时间PWM控制器。当发动机在外界扰动（负荷改变或其它扰动）的作用下转速升高时，柴油发动机转速的模拟电压Vf成比例增大，而标准电压Vg不变，偏差电压△V为正偏差，经放大器反相放大后其输出电压Vk向负方向减小，脉冲调宽功放器输出电压的脉宽减小，如图4所示，此时，电磁执行器线圈平均电压及电流减少，油泵齿条向减小供油量方向移动，以降低发动机的转速使之重新回到原来的平衡位置上；反之当发动机转速在外界作用下降低，△V为负偏差，Vk向正方向增加，脉冲电压宽度增加，此时，作用在电磁执行器线圈上的平均电压及电流增加，在电磁力作用下油泵齿条向增加供油方向移动，发动机转速由低转速回到平衡位置上。在稳定工况下，△V趋于某一个固定值，因此Vk也在一固定值上，此时脉冲电压宽度固定，执行器将油泵齿条（油门）固定在某一位置上，发电机组处于稳定运行状态，实际上由于外部及内部的扰动时时存在，因此即使是稳定工况下，△V、Vk始终在某一固定值附近不断地波动，上述调节过程在始终不停地进行着。脉冲调宽电路可以提高功率管的工作效率，减小发热量，延长功率管的寿命，减小温度飘移，提高静态稳定性。同时由于执行器的电流是脉动的，如果该脉动电流的频率选得适当可以使执行器产生颠振，可以克服粘滞作用，以提高快速性。

“飞车”是发电机组最危险的工况，造成“飞车”有各种原因：（1）速度过给定；（2）放大器及功放器失控；（3）测速信号消失；（4）油泵齿条及传动杆卡死或松动失脱等,这些都是不可能完全避免的危及安全的因素。为了在上述情况下皆能安全停机，系统专门设置了保护单元。为了不影响主系统的精度，保护单元的转速信号，是从磁头直接取交流半波电压，然后经“F-V”转换为直流电压，当速度超过一定值时，继电器J断开，切断执行器电流，油门拉杆在恢复弹簧的作用下自动关闭油路，使发动机停机。

模糊控制器选择单变量二维模糊控制器，其中包含的微分作用，对抑制系统超调增加稳定性有重要作用，控制器主要由模糊化接口、知识库、推理机和解模糊接口四部分组成。将发动机转速误差的论域Ne量化为13档，即﹛-6，-5，…，-1，0，+1，+2，…，+6﹜；转速误差变化的论域CNe量化为11档，即﹛-5，-4，…，-1，0，+1，+2，…，+5﹜；电磁执行器电压变化的论域VC量化为15档，即﹛-7，-6，…，-1，0，+1，+2，…，+7﹜；所有模糊变量的模糊子集取辞集﹛PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB﹜。模糊子集的隶属函数如图5所示。模糊控制器的模糊推理机制采用E.H. Mamdani推理算法，即采用取小运算规则定义模糊蕴涵表达的模糊关系。而解模糊算法则选择在实际应用中采用得比较多的重心法，重心法使控制器有较好的稳态性能，控制器的输出是连续的而不是跳跃式的。模糊控制算法的实现采用硬件专用模糊控制器，其芯片采用国产模糊控制ASIC芯片F100。

执行单元为电磁式执行器，所述电磁式执行器包括活动铁芯1、固定铁芯激磁线圈2、恢复弹簧3、拉杆4、摇臂轴5、摇杆6、油泵齿条7和拉杆8，以上组件依次连接。电磁式执行器的结构原理如图6所示，电磁力Fd使铁芯向下运动并通过杠杆机构将移动变为转动，以带动油泵齿条向增加油泵供油量方向移动，恢复弹簧力Fe使铁芯向上运动并带动油泵齿条向减少供油量方向移动。当发动机转速下降时，在调速系统的控制下执行线圈电流增加，活动铁芯下移，从而加大供油量使转速回升；反之线圈电流减小，在恢复弹簧力的作用下，活动铁芯上移，减小供油量。

为了验证本实用新型所设计的调速装置的实用性，通过将该装置应用于某系列航空地面电源车上进行实验，得到如下实验结果：当柴油机稳定工作在1500r/min，将其给定转速调至为2000r/min的情况下，在调节过程中，柴油机的转速超调量为2.5%，调节时间为1.6S；柴油机转速的稳态误差为20r/min。实验表明，调速装置的动态性能指标和静态性能指标均符合地面电源车的技术性能要求。

本实用新型基于PWM的发电机调速装置应用在某系列航空地面电源车上取得了较理想的效果，发电机的稳态频率为396 Hz-404 Hz，频率调制量≤2 Hz，冷热态频率飘移量≤5 Hz，频率调制率≤25 （Hz/S），瞬态频率调整范围为390 Hz—410 Hz，频率稳定时间≤2 S，并且通过调压器的调节使电压也稳定在规定的范围内。因此，基于PWM+FLC的调速装置采用PWM与FLC相组合的复合控制技术，能有效地兼顾系统的动态性能和静态性能，具有较强的实用性和先进性，且系统结构设计合理，集成度高，性能安全可靠，不仅适用于某系列航空地面电源车，也适合于在同类地面电源车上推广使用。