本发明属于高压直流发电机技术领域，更具体地，涉及一种高压直流发电机控制装置。
背景技术：
目前，直流发电机被广泛应用于各个方面，国内直流发电机多为低压直流发电机，采用高压直流发电机为大功率设备供电，可大大降低系统重量和成本，但是对高压直流发电机的控制是发电机稳定运行的关键；现有直流发电机控制装置多为满足低压直流发电机，且存在电压调节稳定性差、响应速度慢、保护功能少等不足。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高压直流发电机的控制装置，该控制装置可实现对高压直流发电机的自动控制，电压调节精度高，响应速度快，并具有过压和过流保护功能，从而实现对高压直流发电机和用电设备的保护。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高压直流发电机的控制装置，包括整流滤波电路、脉宽调制电路、运算放大电路和报警电路，以及为脉宽调制电路、运算放大电路和报警电路提供工作电压的电源电路；
整流滤波电路用于将高压直流发电机产生的三相交流电进行整流滤波为直流电，作为高压直流发电机的励磁电源；
脉宽调制电路包括脉宽调制芯片d1和电子开关，脉宽调制芯片d1用于将高压直流发电机的输出电压与参考电压进行比较，当输出电压比参考电压高时，控制电子开关导通时间变短，减小励磁电流以降低高压直流发电机的输出电压；当输出电压比参考电压低时，控制电子开关导通时间变长，增大励磁电流以增大输出电压；
运算放大电路包括运算放大器d2和电流传感器a1，电流传感器a1对输出电流进行采样后输出相应电流信号fai，fai超过限流值时，运算放大器d2输出高电平，控制脉宽调制电路动作降低发电机的输出电压，实现过流保护；当高压直流发电机的输出电压超过设定值时，运算放大器d2输出高电平，控制报警电路动作断开三相交流电，实现过压关断保护。
优选的，上述控制装置，其脉宽调制电路还包括电阻r16、电容c4、电阻r11和电容c2，电阻r11和电容c2并联后与电阻r16、电容c4串联；脉宽调制芯片d1与电阻r16、电容c4、电阻r11、电容c2组成比例积分微分运算电路，用于加快对高压直流发电机输出电压的调节速度。
优选的，上述控制装置，其运算放大电路还包括串联的电阻r38、r39和电容c8，运算放大器d2与电阻r38、r39和电容c8构成比例积分调节电路，高压直流发电机的输出电压越大，运算放大器d2的输出电压增长越快，实现过压关断保护的时间越短。
优选的，上述控制装置，其电子开关包括并联的第一场效应管v3和第二场效应管v4，第一场效应管v3、第二场效应管v4的栅极分别与脉宽调制芯片d1的第二输出端和第一输出端相连，源极均与高压直流发电机的励磁线圈相连，漏极与整流滤波电路相连。
优选的，上述控制装置，其报警电路包括第一继电器k1、第二继电器k2、稳压管v10和晶体管v12，当运算放大器d2的输出电压达到稳压管v10的反向击穿电压时，稳压管v10控制晶体管v12导通，第二继电器k2动作控制第一继电器k1断开发电机的三相交流电。
优选的，上述控制装置，其脉宽调制芯片d1的第一输出端与公共端gnd之间接有并联的阻尼电阻r18和齐纳二极管v1，用于降低场第二效应管v4栅极驱动电路的阻抗，防止第二场效应管v4栅极开路工作；脉宽调制芯片d1的第二输出端与公共端gnd之间接有并联的阻尼电阻r19和齐纳二极管v2，用于降低第一场效应管v3栅极驱动电路的阻抗，防止第一场效应管v3栅极开路工作。
优选的，上述控制装置，其整流滤波电路包括三相整流桥e1和电容c6，三相整流桥e1对永磁发电机产生的三相交流电进行整流，电容c6将整流后的三相交流电进行滤波，输出稳定的直流电压作为发电机的励磁电源。
优选的，上述控制装置，其电源电路包括电源u1和整流二极管v14，整流二极管v14用于抑制外部瞬间干扰，并用于防止电源极性反接。
优选的，上述控制装置，第二继电器k2动作同时，过压报警指示灯亮起，过压报警蜂鸣器响。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的高压直流发电机控制装置，脉宽调制芯片d1内部的误差放大器与外部的电阻r16、电容c4构成比例积分调节电路，结合电阻r11、电容c2组成比例积分微分运算电路，即pid调节器。pid调节器改善了调压的动静态性能，积分运算消除了静差，实现了无静差调压；而微分运算则加快了调节速度，提高了动态性能，pid调节器提高了电压调节的稳定性和调节速度；
(2)本发明提供的高压直流发电机控制装置，运算放大器d2、电阻r38、r39以及电容c8构成比例积分调节电路，即pi调节器；在基准电压vref不变的情况下，高压直流发电机的输出电压越大，运算放大器d2的输出端电压增长越快，实现过压关断保护的时间越短，过压保护的响应速度快；此外，可以通过调节电阻r29、r30的阻值来调节过压保护值；
(3)本发明提供的高压直流发电机控制装置，利用运算放大器d2设计了一个同相输入迟滞比较器电路，提高了保护电路的抗干扰能力；在高压直流发电机的励磁线圈两端并联超快软恢复二极管v5，可以抑制电磁干扰、消除励磁线圈在关断时产生的反电势；在电源电路中增加了整流二极管v14，可以抑制外部瞬间干扰；在电源电路中增加了瞬态抑制二极管v15，可以吸收瞬间尖峰电压，提高控制装置的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明实施例提供的控制装置的组成示意图；
图2是本发明实施例提供的控制装置中脉宽调制模块的电路图；
图3是本发明实施例提供的控制装置中运算放大模块的电路图；
图4是本发明实施例提供的控制装置中电源电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，是本发明实施例提供的一种高压直流发电机的控制装置，包括脉宽调制模块1、运算放大模块2，以及为脉宽调制模块1和运算放大模块2提供工作电压的电源电路3；脉宽调制模块1包括整流滤波电路11和脉宽调制电路12，运算放大模块2包括运算放大电路21和报警电路22；
高压直流发电机转子旋转时，永磁发电机产生三相交流电，整流滤波电路11将三相交流电进行整流滤波为直流电，此直流电输入到发电机的励磁线圈作为励磁电源，脉宽调制电路12通过控制励磁电源来调节高压直流发电机的输出电压；运算放大电路21对高压发电机的输出电压和电流进行采样，当出现过压故障时，控制报警电路22动作，断开三相交流电，发电机励磁线圈没有励磁电流，高压绕组就没有电压输出，从而实现过压保护；当出现过流故障时，运算放大电路通过脉宽调制电路12降低高压直流发电机的输出电压，从而实现过流保护。
整流滤波电路对永磁发电机产生的三相交流电进行整流，再经电容滤波为稳定的直流电压，输出给励磁线圈作为励磁电源。
高压直流发电机的输出电压加到脉宽调制电路12的输入端，该输出电压与参考电压进行比较，当输出电压比参考电压高时，脉宽调制电路12输出的脉冲宽度变窄，从而控制电路中电子开关导通的时间变短，减小励磁电流，以降低发电机的输出电压；当输出电压比参考电压低时，脉宽调制模块输出的脉冲宽度变宽，从而控制电子开关导通的时间变长，增大励磁电流，从而使发电机的输出电压升高，最后使输出电压维持在某一个设定值。
运算放大电路21分别对发电机的输出电压和输出电流进行采样放大，当高压直流发电机的输出电压超过设定值时，运算放大电路21输出高电平，控制报警电路22动作，断开三相交流电，使高压直流发电机没有励磁电源，从而使发电机没有电压输出，实现过压关断保护；当输出电流超过一定值时，运算放大电路21输出高电平到脉宽调制电路12，从而控制脉宽调制电路12中电子开关导通的时间变短，减小励磁电流，以降低发电机的输出电压，实现限流保护；过压关断保护和限流保护对发电机和用电设备起到了很好的保护作用。
电源电路3采用高隔离耐压电源，为脉宽调制电路12、运算放大电路21和报警电路22提供工作电源。
脉宽调制模块1的电路图如图2所示；
其中，整流滤波电路11采用三相整流桥e1和电容c6进行整流滤波；三相整流桥e1工作温度范围为-40℃～+125℃，反向峰值电压达到1600v，整流输出平均电流为30a；c6为大容量电容器，工作温度范围为-40℃～+100℃，耐压达到600v，等效串联电阻(esr)低，在电路中用于滤波；v5为超快软恢复二极管，反向击穿电压达到1200v，持续正向电流最大值为25a，单脉冲正向电流达到225a，反向恢复时间为23ns，工作温度范围为-55℃～+150℃，主要用来抑制电磁干扰、消除主发电机励磁线圈在关断时产生的反电势。
脉宽调制电路12采用美国硅通公司生产的型号为sg1525aj/883b的双端输出式定频调宽型脉宽调制芯片d1，它是一种具有宽工作频率的模拟数字混合电路，工作电压范围为8v～35v，振动频率范围为100hz～350khz，双路输出电流可达100ma，工作温度范围为-55℃～+125℃。
脉宽调制芯片d1包括基准电压模块、振荡器、误差放大器、脉宽调制比较器、pwm、锁存器、分相器、欠电压锁定器、输出级、软启动和关断电路；基准电压vref为5.1v，具有良好的稳定性，电压值偏差为±1％，并且具有较好的调整率，可免除误差放大器反馈中的电位器调整，该基准电压为芯片内的其他部件提供电源电压，同时也提供给脉宽调制比较器作为参考电压vref；振荡器的输出脉冲在电路中有两个用途，一是控制死区时间，振荡器将输出脉冲直接送至两输出级的或非门作为闭锁脉冲，以保证两输出端不会同时导通工作；二是作为触发脉冲送至内部触发器，由触发器控制两输出通道的开与关；欠电压锁定器保证电路在欠压状态下有效地使输出保持关断状态；脉宽调制比较器增加了一个反相输入端，误差放大器和关断电路将信号送至脉宽调制比较器不同的输入端，这样就避免了关断电路对误差放大器的影响，而且误差放大器的输出还原取决于其补偿网络；
如图2所示，高压直流发电机的输出电压经电阻r1～r10分压后接到脉宽调制芯片d1的引脚1，基准电压vref经电阻r12、r15分压后作为参考电压接到d1的引脚2，当d1的引脚1的电压比引脚2电压高时，控制电子开关v3、v4的导通时间变短，减小励磁电流，从而降低高压直流发电机的输出电压；当d1的引脚1的电压比引脚2电压低时，控制电子开关v3、v4导通时间变长，增大励磁电流，从而使输出电压升高，最后使输出电压维持在某一个设定值。
脉宽调制芯片d1内部的误差放大器与外部电阻r16、电容c4构成比例积分调节电路，结合电阻r11、电容c2组成比例积分微分运算电路，即pid调节器；pid调节器能够改善调压的动静态性能，积分运算消除了静差，实现了无静差调压；而微分运算加快了调节速度，提高了动态性能，使输出电压能够更快地达到设定值。d1的输出端11脚与gnd之间接有阻尼电阻r18、齐纳二极管v1，用来降低场效应管v4栅极驱动电路的阻抗，防止场效应管v4栅极开路工作；d1的输出端14脚与gnd之间分别接有阻尼电阻r19、齐纳二极管v2，用来降低场效应管v3栅极驱动电路的阻抗，防止场效应管v3栅极开路工作。场效应管v3、v4的最大漏源极击穿电压达到1200v，最大持续漏极电流为12a(25℃)，最大功耗为150w，工作温度范围为-55℃～+150℃。脉宽调制电路12中采用场效应管v3、v4并联工作的方式，以增大励磁线圈的平均工作电流。在结构设计上，场效应管v3、v4对称安装在同一个散热装置上尽量减少两者之间的温差。
运算放大模块2的电路图如图3所示；
其中，运算放大电路21包括型号为g7f747mj的运算放大器d2和型号为cln-500的电流传感器a1；运算放大器d2的电源电压为±15v，工作温度范围为-55℃～+125℃；电流传感器a1采用闭环霍尔效应原理进行非接触测量，精度高、线性度好，测量电流范围为0～±1200a，转换比率为1:5000，电源电压为±15v～±24v，工作温度范围为-40℃～+85℃。
电流传感器a1对输出电流进行采样后输出相应电流信号fai，fai经过r31～r34分压后输入到运算放大器d2同相端引脚6；为了提高抗干扰能力，利用运算放大器d2设计了一个同相输入迟滞比较器电路，引脚6、引脚7电压相等是输出端引脚10电压转换的临界条件。脉宽调制器d1的基准电压vref经r37限流后与引脚7相连，即运算放大器d2引脚7上的电压为定值；当引脚6的电压大于引脚7的电压时，引脚10输出高电平；发电机电流fai达到限流值时调整电阻r33、r34的阻值使引脚6、引脚7电压相等。因此，当发电机输出电流值fai超过限流值时，则引脚6的电压会大于引脚7的电压，运算放大器d2的引脚10输出高电平，此高电平信号(图3中的信号off)输入到脉宽调制芯片d1的引脚10，控制脉宽调制电路12调节电子开关v3、v4导通时间变短，从而降低高压直流发电机的输出电压，从而实现过流保护。
高压直流发电机的输出电压经电阻r21～r30分压后接到运算放大器d2的引脚2，脉宽调制芯片d1的基准电压vref经r38限流后作为参考电压接到d2的引脚1，当高压直流发电机的输出电压超过参考电压时，运算放大器d2的引脚12输出高电平，控制报警电路22动作，断开三相交流电，使高压直流发电机没有励磁电源，从而使发电机没有输出，实现过压关断保护；
报警电路22采用继电器k1、k2作为执行机构，报警电路22的电路图如图3所示，在运算放大器d2的输出端引脚12接稳压管v10，在运算放大器d2的引脚12的电压逐渐增大至稳压管v10的反向击穿电压时，稳压管v10控制晶体管v12导通，继电器k2吸合，继电器k1动作，从而断开输入到整流滤波电路的三相交流电，使励磁线圈没有励磁电源，从而使发电机没有输出，从而实现过压关断保护；继电器k2吸合的同时，过压报警指示灯亮起，过压报警蜂鸣器响。
在运算放大电路21中，运算放大器d2、电阻r38、r39以及电容c8构成比例积分调节电路，即pi调节器；设运算放大器d2引脚1、引脚2的电位差为δu1，引脚12与gnd的电位差为δu2，则
式中，pi调节器的比例系数kp＝r39/r38；pi调节器的积分时间常数τγ＝r38×c8。当引脚1、引脚2的电压相等时，运算放大器d2的引脚12输出端out1电压为零，即δu1＝0时，δu2＝0。δu1(δu1≠0)上电瞬间，c8相当于短路，pi调节器只有比例调节的作用，输出电压时有一跃变，δu2＝-kpδu1，此时，若δu1＞0，即引脚1的电压比引脚2的电压高时，δu2＜0，二极管v9导通并阻止了积分运算；若δu1＜0，即引脚2的电压比引脚1的电压高时，δu2＞0，电容c8充电开始积分运算，使输出电压δu2在比例输出的基础上，叠加按积分增长的部分。在基准电压vref不变的情况下，发电机的输出电压越大，则δu1的绝对值越大，δu2增长的速度越快，即引脚12的电压增大至稳压管v10的反向击穿电压所需的时间越短，实现过压保护所需的时间越短。此外，可以通过调节电阻r29、r30的阻值来调节发电机的过压保护值。
电源电路3采用高隔离耐压电源u1，其电路图如图4所示，电源电路3的输入电压范围为18v～36v，内置加强滤波电路、低纹波输出噪声，带输出过流、短路保护。电源u1的输出电压为±15v，在电源u1的输入端增加了整流二极管v14，主要用来抑制外部瞬间干扰，也可用来防止电源极性反接。
相比于现有的发电机控制装置，本发明提供的高压直流发电机控制装置实现对高压直流发电机输出电压的自动控制，具有过压过流故障保护功能，调压稳定性好，可以根据输出电压的大小控制实现过压保护的时间，根据需求调节过压保护速度，控制精度高、响应速度快、通用性强、体积小重量轻、抗干扰能力强。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。