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大連普陽

柴油發電機組的智能控制系統

柴油發電機組的控制系統是柴油發電機組組成的一個重要部分,也是柴油發電機組的心臟, 柴油發電機組作為重要的主電源或備用電源得到了廣泛的應用, 智能控制系統在柴油發電機組中的應用推廣, 有助于提高柴油機組輸出電能質量和柴油機組的自動化水平。本文主要研究的是柴油發電機組的控制部分, 數字式勵磁控制器較傳統的模擬電路勵磁控制器具有精度高, 反應快, 控制算法適應性強, 對于不同特性的電機只要通過調整程序參數就能適應,甚至可以實現更高端的自適應智能控制算法等優點。 

    數字式勵磁控制器總體設計方案 

    數字式勵磁控制器的總體設計方案, 主電路: 采用 MOSFET 單管 PWM斬波控制勵磁線圈, 可以滿足不同結構同步無刷發電機勵磁控制的需要。 微處理器( MCU) : 微處理器是數字勵磁控制器的 CPU, 是整個系統的核心, 需要完成的控制功能有:

    ( 1) 一些低速的程序。包括頻率測量、?;?、自檢、通信、報警等;

    ( 2) 高階實時控制算法。包括采樣、數字濾波、控制算法運算、智能算法、參數計算等復雜信號處理算法, 得出的數據供 CPU 實現高性能的勵磁控制。

    ( 3) 負責各個電量參數的檢測并作 AD 轉換, 作為控制算法的輸入參數。
    
    ( 4) 產生斬波器的 PWM控制信號。 ADC 模數轉換器: 采用多點交流采樣技術, 采樣周期由MCU 控制, ADC 進行采樣轉換以后, 數據送入 MCU 進行進一步處理。 

    工作電源

    由于微處理器的工作電源要求, 我們需要一個 5V 的穩定直流電源, 信號調理電路的運算電路的供電需要一組±12V的直流電源, 另外, 開關量輸出需要驅動繼電器, 所以需要一個+24V 的直流電源, 為此我們需要設計一個電源轉化??櫚玫較低癡9ぷ魎璧娜?DC 電源。 

     1、勵磁輸出主電路的設計 

    勵磁控制器的功率輸出為一可以控制電流和電壓的直流輸 出 , 總 體 設 計 時 確 定 了 此 勵 磁 整 流 輸 出 的 額 定 電 壓 為80VDC, 額定勵磁電流為 10A, 強勵時達到 25A。勵磁功率來源于交流電源, 可以是發電機本身提供的, 也可以是外部提供的,外部提供的電源通常都比較優良穩定, 發電機提供的電源由于有啟動的影響, 而且在運行過程中有可能會發生波動畸變等不穩定的因素, 這些都會影響勵磁輸出的性能。所以我們針對從發電機取電的情況進行研究和設計。 

    來自交流同步發電機的三相交流電經過三相橋式整流電路整流之后通過 MOSFET 管斬波后輸出到勵磁線圈。圖中勵磁線圈上端的電阻、二極管、電容組成緩沖電路, 加入緩沖電路, 可將部分開關功耗轉移到緩沖電路上, 達到保證器件安全運行的目的。 

    MOSFET 管的驅動電路, 選用 IR2213 集成 MOSFET/IGBT驅動器, IR2213 是 IR 公司出品的一款適應高壓、高速場合應用的高低橋 MOSFET/IGBT 集成驅動器, 可提供最大 2A 的吸入電流和 2A 的柵極驅動能力, 具有邏輯關斷輸入的 SD 引腳, 可以接受低至 3.3V 的邏輯信號輸入, 方便 CPU 的控制。 

    2、MCU 電路設計 

    MCU 作為數字勵磁控制器的 CPU, 基于其各種功能以及柴油發電機組的工作環境要求比較特殊, 因此在做 CPU 選型的時候也要重點注意 CPU 的溫度特性等抗干擾性能的優劣??悸塹?MCU 功能和工作溫度較高(要求達到- 40℃- - +125℃) 的要求, 我們選用 ADI 公司的軍工級具有 8052 核心和 12bit 高性能 AD 的模擬微處理器 ADuC831。 

    ADuC831 是一個完全綜合的 247k 采樣保持數據采集系統, 在同一片中結合了高性能的自校準 12 位 ADC 多路通道,雙 12 位 DAC 通道和可編程 8 位 MCU。微處理器核心是 8052,提供片內 62kB 非易失性閃速/電擦除程序存儲器?;固峁┢冢矗耄?非易失性閃速/電擦除數據存儲器、256b RAM和 2kB 擴展RAM。 

    ADuC831 還提供額外的電源監視器, 和一個高精度參考源。片內數字外圍設備包括 2 個 16 位 Σ- ΔDAC, 雙輸出 16 位PWM, 看門狗定時器, 定時間隔計數器, 3 個定時器/計數器, 定時器 3 用于波特率產生核串行接口 I / O( I2C, SPI 和 UART) 。 

     3、交流采樣鎖相環電路 

    要進行交流采樣, 通常需要進行同步采樣, 目前交流采樣方式主要有硬件同步采樣、軟件同步采樣和異步采樣三種。硬件同步由硬件同步電路向 CPU 提出中斷實現同步。硬件同步電路有多種形式, 常見的如鎖相環同步電路等。硬件同步采樣法是由專門的硬件電路產生同步于被測信號的采樣脈沖。它能克服軟件同步采樣法存在截斷誤差等缺點, 測量精度高。利用鎖相頻率跟蹤原理實現同步等間隔采樣的原理是:在相位比較器 PD、低通濾波器 LP、壓控振蕩器 VCO 構成的鎖相環內加入 n 分頻器, 輸入 為被測信號的頻率, 作為鎖相環的基準頻率, 輸出 為采樣頻率。經 n 分頻后與 相比較, 

    根據鎖相環工作原理, 鎖定時 /n= , 即: =n 。由于鎖相環的時跟蹤性, 當被測信號頻率 變化時, 電路能自動快速跟蹤并鎖定, 始終滿足 =n 的關系, 即采樣頻率為被測信號頻率的整數 n 倍, 從而實現一周內等間隔采樣 n 點。此外, 還可將分頻系數 n 為程序控制, 則可根據不同頻率的被測信號及 CPU、A/D 轉換器的速度, 動態改變 n 值, 以達到最好的效果。 

    數字勵磁控制器軟件實現與算法研究 

    主要是對數字式勵磁控制器的軟件和所采用的控制算法進行論述。首先對數字勵磁控制器的主程序進行設計, 然后對電量參數采集算法和智能勵磁控制算法進行研究, 并在 CPU 上進行實現。 

    1、MCU 主控程序的設計 

    MCU ADuC831 是本文設計的數字式勵磁控制器的核心控制單元, 基于軟件??榛乃枷?, 可以把 MCU 的主控程序劃分為以下幾個子??槌絳潁?br style="padding:0px;margin:0px;" />
    ( 1) 勵磁控制子程序;
    
    ( 2) ?;ぷ映絳?;

    ( 3) 通信子程序;

    ( 4) 人機界面子程序;

    ( 5) 報警子程序;

    ( 6) 自檢子程序。 

    2、電量參數采樣算法的研究 

    為了實現精確的數字勵磁控制, 需要得到實時、精確的電量數據, 而要獲得實時、精確的電量數據, 則需要采用交流采樣方法, 并推導出交流采樣下各個電量的計算公式, 最終編寫計算出電量數據的算法程序。 

    交流采樣是按一定的規律對被測信號的瞬時值進行采樣, 再按照一定的數學算法求出被測電量參數的測量方法。下面給出交流電壓, 交流電流, 有功功率, 無功功率, 功率因素的各種算法中的離散公式。 

    其中 N 為每周期均勻采樣點數, 為第 m 采樣點的瞬時電流值, 為第 m 采樣點的瞬時電壓。這種算法不僅對正弦波有效, 當采樣點數多時, 還可較準確的測量波形畸變的交流量。