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大连普阳

柴油发电机组的智能控制系统

柴油发电机组的控制系统是柴油发电机组组成的一个重要部分,也是柴油发电机组的心脏, 柴油发电机组作为重要的主电源或备用电源得到了广泛的应用, 智能控制系统在柴油发电机组中的应用推广, 有助于提高柴油机组输出电能质量和柴油机组的自动化水平。本文主要研究的是柴油发电机组的控制部分, 数字式励磁控制器较传统的模拟电路励磁控制器具有精度高, 反应快, 控制算法适应性强, 对于不同特性的电机只要通过调整程序参数就能适应,甚至可以实现更高端的自适应智能控制算法等优点。 

    数字式励磁控制器总体设计方案 

    数字式励磁控制器的总体设计方案, 主电路: 采用 MOSFET 单管 PWM斩波控制励磁线圈, 可以满足不同结构同步无刷发电机励磁控制的需要。 微处理器( MCU) : 微处理器是数字励磁控制器的 CPU, 是整个系统的核心, 需要完成的控制功能有:

    ( 1) 一些低速的程序。包括频率测量、保护、自检、通信、报警等;

    ( 2) 高阶实时控制算法。包括采样、数字滤波、控制算法运算、智能算法、参数计算等复杂信号处理算法, 得出的数据供 CPU 实现高性能的励磁控制。

    ( 3) 负责各个电量参数的检测并作 AD 转换, 作为控制算法的输入参数。
    
    ( 4) 产生斩波器的 PWM控制信号。 ADC 模数转换器: 采用多点交流采样技术, 采样周期由MCU 控制, ADC 进行采样转换以后, 数据送入 MCU 进行进一步处理。 

    工作电源

    由于微处理器的工作电源要求, 我们需要一个 5V 的稳定直流电源, 信号调理电路的运算电路的供电需要一组±12V的直流电源, 另外, 开关量输出需要驱动继电器, 所以需要一个+24V 的直流电源, 为此我们需要设计一个电源转化模块得到系统正常工作所需的三组 DC 电源。 

     1、励磁输出主电路的设计 

    励磁控制器的功率输出为一可以控制电流和电压的直流输 出 , 总 体 设 计 时 确 定 了 此 励 磁 整 流 输 出 的 额 定 电 压 为80VDC, 额定励磁电流为 10A, 强励时达到 25A。励磁功率来源于交流电源, 可以是发电机本身提供的, 也可以是外部提供的,外部提供的电源通常都比较优良稳定, 发电机提供的电源由于有启动的影响, 而且在运行过程中有可能会发生波动畸变等不稳定的因素, 这些都会影响励磁输出的性能。所以我们针对从发电机取电的情况进行研究和设计。 

    来自交流同步发电机的三相交流电经过三相桥式整流电路整流之后通过 MOSFET 管斩波后输出到励磁线圈。图中励磁线圈上端的电阻、二极管、电容组成缓冲电路, 加入缓冲电路, 可将部分开关功耗转移到缓冲电路上, 达到保证器件安全运行的目的。 

    MOSFET 管的驱动电路, 选用 IR2213 集成 MOSFET/IGBT驱动器, IR2213 是 IR 公司出品的一款适应高压、高速场合应用的高低桥 MOSFET/IGBT 集成驱动器, 可提供最大 2A 的吸入电流和 2A 的栅极驱动能力, 具有逻辑关断输入的 SD 引脚, 可以接受低至 3.3V 的逻辑信号输入, 方便 CPU 的控制。 

    2、MCU 电路设计 

    MCU 作为数字励磁控制器的 CPU, 基于其各种功能以及柴油发电机组的工作环境要求比较特殊, 因此在做 CPU 选型的时候也要重点注意 CPU 的温度特性等抗干扰性能的优劣。考虑到 MCU 功能和工作温度较高(要求达到- 40℃- - +125℃) 的要求, 我们选用 ADI 公司的军工级具有 8052 核心和 12bit 高性能 AD 的模拟微处理器 ADuC831。 

    ADuC831 是一个完全综合的 247k 采样保持数据采集系统, 在同一片中结合了高性能的自校准 12 位 ADC 多路通道,双 12 位 DAC 通道和可编程 8 位 MCU。微处理器核心是 8052,提供片内 62kB 非易失性闪速/电擦除程序存储器。还提供片内4kB 非易失性闪速/电擦除数据存储器、256b RAM和 2kB 扩展RAM。 

    ADuC831 还提供额外的电源监视器, 和一个高精度参考源。片内数字外围设备包括 2 个 16 位 Σ- ΔDAC, 双输出 16 位PWM, 看门狗定时器, 定时间隔计数器, 3 个定时器/计数器, 定时器 3 用于波特率产生核串行接口 I / O( I2C, SPI 和 UART) 。 

     3、交流采样锁相环电路 

    要进行交流采样, 通常需要进行同步采样, 目前交流采样方式主要有硬件同步采样、软件同步采样和异步采样三种。硬件同步由硬件同步电路向 CPU 提出中断实现同步。硬件同步电路有多种形式, 常见的如锁相环同步电路等。硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点, 测量精度高。利用锁相频率跟踪原理实现同步等间隔采样的原理是:在相位比较器 PD、低通滤波器 LP、压控振荡器 VCO 构成的锁相环内加入 n 分频器, 输入 为被测信号的频率, 作为锁相环的基准频率, 输出 为采样频率。经 n 分频后与 相比较, 

    根据锁相环工作原理, 锁定时 /n= , 即: =n 。由于锁相环的时跟踪性, 当被测信号频率 变化时, 电路能自动快速跟踪并锁定, 始终满足 =n 的关系, 即采样频率为被测信号频率的整数 n 倍, 从而实现一周内等间隔采样 n 点。此外, 还可将分频系数 n 为程序控制, 则可根据不同频率的被测信号及 CPU、A/D 转换器的速度, 动态改变 n 值, 以达到最好的效果。 

    数字励磁控制器软件实现与算法研究 

    主要是对数字式励磁控制器的软件和所采用的控制算法进行论述。首先对数字励磁控制器的主程序进行设计, 然后对电量参数采集算法和智能励磁控制算法进行研究, 并在 CPU 上进行实现。 

    1、MCU 主控程序的设计 

    MCU ADuC831 是本文设计的数字式励磁控制器的核心控制单元, 基于软件模块化的思想, 可以把 MCU 的主控程序划分为以下几个子模块程序:

    ( 1) 励磁控制子程序;
    
    ( 2) 保护子程序;

    ( 3) 通信子程序;

    ( 4) 人机界面子程序;

    ( 5) 报警子程序;

    ( 6) 自检子程序。 

    2、电量参数采样算法的研究 

    为了实现精确的数字励磁控制, 需要得到实时、精确的电量数据, 而要获得实时、精确的电量数据, 则需要采用交流采样方法, 并推导出交流采样下各个电量的计算公式, 最终编写计算出电量数据的算法程序。 

    交流采样是按一定的规律对被测信号的瞬时值进行采样, 再按照一定的数学算法求出被测电量参数的测量方法。下面给出交流电压, 交流电流, 有功功率, 无功功率, 功率因素的各种算法中的离散公式。 

    其中 N 为每周期均匀采样点数, 为第 m 采样点的瞬时电流值, 为第 m 采样点的瞬时电压。这种算法不仅对正弦波有效, 当采样点数多时, 还可较准确的测量波形畸变的交流量。