（电力电子与电力传动专业论文）小型高速汽油发电机组数字控制系统与控制算法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h en a t i o n a l e c o n o m ya n d t h e e n h a n c e m e n to ft h ep e o p l el i v e sl e v e l ，t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ng e n e r a t o ri so b t a i n i n g w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n sd a yb yd a y a n ds m a l lg a s o l i n eg e n e r a t o rh o l d st h em a j o r i t y o fm a r k e t si np a r t i c u l a ri nt h ef i e l dw i t hp o w e rc a p a c i t yl o w e rt h a n1 0 k v a a t p r e s e n t d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e so ns m a l lg a s o l i n eg e n e r a t o r so f t e nu s e m e c h a n i c a lg o v e r n o rt oc o n t r o le n g i n e ss p e e d ，w h i c hr e s n l t si nb i go v e r s h o o tw h e n l o a dc h a n g e da n dh a sl i m i t e dt h eg e n e r a t o r sp e r f o r m a n c e i nr e c e n ty e a r s ，t oa d a p t t h er e q u e s to f ”l i g h t ”a n d ”m i n i a t u r i z a t i o n ”，a d o p t i o no fh i 咖一s p e e dg a s o l i n ee n g i l i e ， p e r m a n e n tm a g n e t i s mg e n e r a t o r w i t hi n t e l m e d l a t e f r e q u e n c y a n di n v e i t e r t e c h n o l o g yb e c o m e st h ed i r e c t i o no fs m a l lg a s o l i n eg e n e r a t e l sd e v e l o p m e n t t h i sp a p e rt a k e st h es m a l lh i g h - s p e e dg a s o l i n eg e n e r a t o ra st h er e s e a r c ho b j e c t ， f o c u s i n go nt h ed e s i g n i n go fe l e c t r o n i cs p e e dg o v e r n o ra n di n v e f t e rs y s t e m t h e m a i nw o r k st h a th a v eb e e n d o n ea r ea sb e l o w ： b ya n a l y z i n gt h eg a s o l i n eg e n e r a t o r ss t r u c t u r ea n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，t h e s y s t e m sm a t h e m a t i c a lm o d e li sd e d u c e d ，w h i c ho f f e r s t h ea c a d e m i ct h e o r yf o r d e s i g n i n gt h ec o n t r o ls y s t e m t os a r i s f yt h en e e do ft h ec o n t r o ls y s t e mo nc a l c u l a t i n gs p e e da n dh a r d w a r e r e s o u r c e s ，t h i sp a p e rs e l e c t sc 8 0 5 1 f 0 4 0a st h ec o n t r o l l e rc h i p a n dd e s i g n st h e s y s t e mc i r c u i t sb a s e do ni t r s 2 3 2s e r i a lb u si sa l s od e s i g n e dt or e a l i z er c a l - t i m e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n dc 8 0 5 l f 0 4 0 、 a ni n v e r t e rb a s e do na ni p mm o d u l ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s f o rh a r m o n i c , v o l t a g ea n d f r e q u e n c y , a sw e l la sc o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o nc i r c u i t s am u l t i t a s k sr e a l t i m e0 1 ) e 期畦n gs y s t e mr t x - 5 1i si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r o n t h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep o i n t st h a ts h e u l db ec a r e di nt h ed e s i g n i n go ft h es y s t e m t h a h a ss t r i c td e m a n df o rr e a lt i m er e s p o n s es p e e d ，a n dt h eg a s o l i n eg e n e r a t o r s c o n t r o ls o f t w a r ei sd e s i g n e db yu s i n gr t x - 5 1 a c c o r d i n gt ot h es m a l lg a s o l i n eg e n e r a t o r sf e a t u r ea n dd e s i g n i n gr e q u e s t , t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h es i n g l en e u r o na l g o r i t h m t h a ti sr e c e i v e dt h e w i d e s p r e a d a t t e n t i o na tp r e s e n ta sw e l la st h ec o m m o n l yu s e dp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，a n dd e s i g n s c o n t r o l l e rw i t h r e s p e c t i v ea l g o r i t h m t h er e s u i t so fs i m u l a t i o ni nm 蜘。a bs h o w t h a ts i n 甜e n e u r o na d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rh a sm u c hl e s so v e r s h o o tt h a ng e n e r a lp i d c o n t r o l l e ri nt h es m a l lh i g h s p e e dg e n e r a t o rc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d ：s m a l lh i g h - s p e e dg a s o l i n eg e n e r a t o r , d i g i t a lc o n t r o l ，s i n g l e - n e u r o n a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r , r t x 一5 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题研究意义 第1 章绪论 随着我国工业的飞速发展和人民生活水平的不断提高，内燃发电设备作为 现代技术、经济发展最适用的电源保障，在商业场所、娱乐场所、家庭备用、 野外作业、建筑机械、农业机械、园林机械等领域得到了广泛的应用。 2 0 0 3 年以来，我国电力供需形势极其严峻，这给我国内燃发电设备行业带 来了机遇与挑战并存的局面。国外企业、产品依靠其雄厚资本、先进技术，大 量进入我国市场，对我国的相关企业造成冲击。2 0 0 4 年1 5 月，福建省共进口 发电机及发电机组1 4 3 5 台，比去年同期( 下同) 增长1 4 倍，价值1552 万美 元，增长1 0 9 倍进口的发电机及发电机组主要来自日本、美国和韩国，其中， 自日本进口的发电机及发电机组约占进口总量的6o 。福建发电机及发电机组 进口猛增的一大原因是进口发电机及发电机组与国内发电机及发电机组相比， 更具性价比优势。因此，多途径地实现我国备用发电设备的全面更新换代，使 之具有国际竞争力，己成为我国发电设备行业的当务之急。 在内燃发电机组中，小型汽油发电机组因具有小巧、灵活机动等优点，在 1 0 k w 以下的小容量发电机需求中占据主导地位( j l 。但目前国内外针对小型便携式 汽油发电机组的数字控制箍机系统进行的研究相对较少，为适应市场的需要， 开发一种价格低廉、可靠性高、具有良好通用性和扩展性的数字控制系统具有 较大的应用价值。 1 2 本课题研究现状 小型汽油发电机组的电子控制装置可分为汽油机调速机构和电能转换环节 两部分。调速机构对汽油机的速度进行实时控制，以快速、准确地稳定汽油机 转速为目标；电能转换环节将发电机组产生的交流电转换成符合使用标准的直 流电或交流电，提供给用户。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 汽油机调速机构研究现状 汽油发电机组是由汽油发动机拖动发电机向外部负载供电的，负载要求发 电机产生的交流电压和频率越稳定越好，电压与频率直接受发动机转速的影响， 发动机转速如不稳，则发电机产生的交流电压和频率也不稳，这种电源的电压 和频率忽高忽低，势必影响用电设备的使用效果，甚至损坏设备f 2 j 。中华人民共 和国机械行业标准j b t 1 0 3 0 4 2 0 0 1 工频汽油发电机组技术条件 3 1 对汽油发电 机的输出性能作了严格的规定。因此，要求汽油发电机组中的发动机在额定功 率范围内的各种负载下都能具有稳定的转速，而发动机转速的稳定是通过调速 机构来实现的。因此，调速机构的调速特性直接关系到发电机组的供电品质， 进而决定用电设备的使用性能，还会影响到机组运行的可靠性，故发电机组对 调速特性有特殊的要求。在传统的机械、液压式调速机构中，由于转速偏差测 量与放大均通过机械元件实现，难于完成较为复杂的调节规律和控制功能，无法 满足进一步提高调节精度和自动化程度的要求。性能更为优越的数字式电子调 速机构将是今后发展的方向和重点【4 】。 归纳近年来国内和国外内燃机电站用发动机所配用调速器的种类分布情况 可知：1 2 千瓦以上的大功率电站的原动机普遍为柴油机，几乎全部采用电子调速 器和机械液压式调速器；6 千瓦以下的中小功率发电机组的调速装置一般采用 传统的机械调速器，其中1 千瓦以下的小型便携式发电机组全部采用汽油机作 为动力吼 目前国内外对大型柴油机组用电子调速器研究已较为深入，开发出很多成 功的产品1 6 1 。如美国g a c 柴油发电机调速系统、上海航天一同济能源环保技术中 心研制的柴油发电机用c t 一2 0 0 数字式电子调速器p 1 、德国姐u 公司用于高中速 柴油机的8 0 8 2 型电子调速器、美国的d y n a p l u s 系列【b9 1 等。柴油发电机调速器 控制理论，尤其是国外现有的调速器中多采用p i d 控制。在控制方法方面，文 献 1 0 给出了种p i d 控制算法，并进行了仿真和实验研究：文献 1 1 对p i d 控制和l q i 控制进行了仿真研究，对采用p i d 控制电予调速器进行了实验研究； 文献 1 2 采用模糊控制，在一台直流电机上模拟了柴油机的转速控制：文献 1 3 采用模糊自校正p i d 进行控制，仿真研究、实验台试验、配机试验均表明优于 常规p 1 d 控制：文献1 1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 则采用“模糊+ 积分”实现调速控制。 目前国内外针对小型汽油机用电子调速器而进行的研究相对较少，且由于 武汉理工大学硕士学位论文 柴油机和汽油机在结构上存在差异，对调速器要求不一样。因此在柴油机控制 系统中取得的成果不能直接应用到小型高速汽油发电机组转速调整装置上【” 。 近年来，为适应发电机组“轻型化”和“小型化”的要求，采用高速汽油 机、永磁中频发电机和逆变技术成为小型及便携式发电机组的发展方向。在高 速汽油机的控制中，传统的机械调速器受其固有结构的局限，不能适应高转速、 高精度和轻、小型化的需要，在使用实践中暴露出了可靠性差及调节不便等致 命缺陷，严重制约了产品质量稳定性的提高。另外，由于便携式发电机组强调 其体积小、重量轻的特点，对所配调速机构的瞬态调节率指标要求十分苛刻， 一般大型机组所用电子调速机构的设计模式大都不能采用。关于汽油机用智能 数字调速系统，国内公开文献报道较少。据报道，国内的无锡开普动力有限公 司已拥有了成熟的小型数码汽油发电机组产品，最小功率为0 6 5 k v a 。国外则主 要有日本在进行相关研究，其采用算法多为一般控制用p i d 算法，其控制电路 以分立元件为主，产品主要是针对具体机型，没有通用定型产品出现。目前对 调速机构的研究，一方面对传统的p i n 控制进行改进，研究有关参数的整定、 校正等，试图克服传统p i d 的不足【”】；另一方面开始尝试自适应控制、模糊控制 等在调速控制中的应用。 1 2 2 电能变换研究现状 完整的发电机组控制系统除调速器以外的重要组成部分是功率变换环节。 通过该环节，发电机组输出的变压变频交流电被转换为合格的交流电输出给负 载。因此它直接与输出电源品质相关。目前国际国内都有严格的电源行业标准， 如国际电工委员会( i e c ) 于1 9 8 0 年颁布的1 e c 6 8 6 - - 8 0 交流输出稳定电源、 参照该标准制定的我国国家标准g b t 交流输出稳定电源通用规范、电子行业 标准s j t 1 0 5 4 1 - - 9 4 抗干扰型交流稳压电源通用技术条件 2 0 l 以及s j t 1 0 5 4 2 - - 9 4 抗干扰型交流稳压电源测试方法口1 1 等等。这些行业标准对电源( 包括交 流电源) 的技术要求、环境要求及相应的试验方法、质量检验规则等都做了详 细的规定。只有满足这些强制标准的电源产品才是合格的产品。电能变换涉及 到了电力电子器件、电路拓扑、控制方式、谐波治理、电力电子仿真等诸多问 题。功率变换环节的设计需要结合被控对象的特性、产品的电能输出要求以及 成本因素，结合以上方面进行综合考虑，才能设计出合适的电能变换电路。 武汉理工大学硕士学位论文 按照电能变换的种类，目前的电力电子变换器主要分为四种类型： 1 ) d c d c 变换器：将一种直流电能变换成另一种或多种直流电能的变换器； 2 ) a c d c 变换器：将交流电能变换成直流电能的变换器； 3 ) d c a c 逆变器：将直流电能变换成交流电能的变换器； 4 ) a c - a c 变换器：将一种交流电能变换成另一种交流电能的变换器，包括 交流调压器和变频器。 上述四种变换器在应用过程中涉及到了电力电子器件、控制方式、建模仿 真、谐波治理等各种问题。 1 ) 电力电子器件的新进展：绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 已成为第三个电力 电子器件发展平台。减小通态压降，提高工作频率，二者最佳折中是i g b t 向高频大功率化挺进的基本追求。“单串多并”是i g b t 走向大功率化的 必由之路。i g b t 会取代电力晶体管( g t r ) ，i g b t 成为在高电压、大功 率应用领域中g t o 晶闸管的潜在竞争者。高速i g b t 将成为开关电源中 广泛使用的m o s f e t 器件强有力的竞争者。 2 ) 智能功率模块( i p m ) 已成为电力电子已成为电力电子领域的一个研究 重点。由予不同的元器件、电路、集成片的封装或相互连接产生的参数 已成为影响电力电子器件性能的关键问题，所以采用i p m 方法可以减少 设计工作量，提高系统质量、可靠性和可维护性，缩短设计周期，降低 成本。 3 ) 谐波治理技术：在用电设备中有大量的非线性负载，使电力线中产生大 量的谐波电压和电流。为防止电网的谐波污染，或限制电子设备对电网 发射谐波电流，国际上已经制定了许多电磁兼容标准，如针对中小功率 电器设备的i e c 5 5 5 - 2 、i e c 0 0 0 - 3 2 以及其他军用标准；适应于大功率 电器设备的i e e e 5 1 9 ，。 e e e 5 5 5 4 等。利用电力屯子变流技术构造有源 电力滤波器a p f 、静止无功功率发生器s v 6 、有源功率因数校正器a p f c 等，可治理电网的谐波。目前功率因数校正技术有了极大发展，在输入 整流器后加一级a p f c 电路，利用1 p f c 控制集成电路芯片，使输入端电 流波形接近正弦，从而能使输入端功率因数接近1 。最常见的a p f c 主电 路是b o o s t 开关变换器，可以用峰值电流、平均值电流或滞环电流等方 法控制。 4 ) 电力电子系统的建模和仿真：电力电子器件、功率变流系统和电动机传 武汉理工大学硕士学位论文 动系统的建模和仿真越来越受到人们的注意。现在已经有许多专用或通 用电力电子仿真软件，如p s p i c e 等；m a t l a b 是国际上最流行的系统c a d 软件，可用以求解许多工程数学问题。 1 3 本课题的研究内容 小型高速汽油发电机组数字控制平台从功能可看作由两部分组成，即汽油 机的调速控制部分和功率电路转换部分。 汽油发电机组由汽油机和发电机两部分组成。本文分别介绍了汽油机和发 电机的组成及工作原理，得到了汽油机的数学模型，在此基础上设计了控制器 的硬件系统和软件系统，并对该控制系统的控制策略进行了研究。 主要研究内容如下： 1 ) 汽油发电机控制系统的硬件设计数控单元是整个控制系统的核心。以 c y g n a l 公司的改进型8 0 5 1 单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 为主控制芯片，扩展相应 外围电路( 数据采集、执行机构控制输出、逆变电路控制输出等) 构成完 整的数字控制系统。 2 ) 数字控制系统与上位机通讯接口的设计设计了基于c 8 0 5 1 f 0 4 0 的r s 一 2 3 2 c 的串行通信接口，实现与上位机( 通用微机或者工控机) 的通信， 方便上位机对下位机实时采集的数据进行分析，有利于进行系统调试。 3 ) 汽油机发电机系统控制策略的研究通过对p i d 控制、单神经元自适应 p i d 自适应控制在汽油发电机系统上的应用进行研究，在m a t l a b 中进 行仿真分析和比较，找出适合汽油发电祝系统的控制算法。 4 ) 基于r t x 一5 1t i n y 操作系统的软件系统设计为了便于进行系统开发，采 用针对8 0 5 1 系列单片机的多任务实时操作系统r t x 一5 1t i n y 为平台， 设计了软件系统，实现了对系统的控制。结果表明，r t x 5 1t i n y 操作 系统可以作为小型高速汽油发电机组控制系统的开发平台，能简化软件 结构，减少设计工作量。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽油发电机组结构及工作特性 简而言之，汽油发电机组就是以汽油发动机为动力，带动发电机转子旋转， 从而产生所需的电压、电流输出。通过对发动机转速的控制，实现对发电机输 出交流电的电压值和频率的控制。控制原理如图2 - 1 所示。 图2 - 1 汽油发电机组控制原理图 本章对汽油发电机组的结构和工作特性进行了分析。 2 1 汽油机工作原理 汽油机的自动调节过程是一个极其复杂的过程，在这个过程中汽油机的热 力参数、机械参数、流体动力参数都在变化着，而自动调节是通过改变汽油机 发出的能量来实现的。汽油机调速的功能如图2 2 所示。调速器的被控对象是 汽油机的节气门。 图2 - 2 汽油机调速功能图 获取汽油机的转速n 后，与设定的转速进行比较、计算，得出是应开大节 气门还是关小节气门，以及开大或关小的变化量z ，并对汽油机的节气门进行相 应的控制，使得汽油机在可变负荷n 下保持在设定工况进行工作。在此自动调 节系统中，各环节相互作用的总回路始终是闭合的，一个环节的输出对应另一 个环节的输出，形成对汽油机转速持续不断的控制。 2 1 1 汽油机的工作特性 武汉理工大学硕士学位论文 汽油机工作时有周期性的特点，它发出的能量不是连续的而是断续的，因 此，严格的说，不能瞬时平稳地改变汽油机的进气量。汽油机的每个工况，都 可以通过一组反映汽油机某种性能的多个参数来表示，这些参数包括：有效功 率、扭矩、曲轴角速度、温度、过量空气系数、控制机构( 节气门) 的位置等等。 如果汽油机的所有这些参数值都不随时间而改变，这种工况称汽油机的稳定工 况，只有在汽油机发出的能量与能耗装置消耗的能量相等的条件下，汽油机的 稳定工况才能保持下去。 汽油机的转速与转矩的关系如下图( 图2 3 ) 所示，转矩随转速升高而降低 ( 曲线1 4 ) 。曲线5 7 是能耗装置阻转矩与速度的关系，阻转矩随转速的升高 而升高。当汽油机的工作条件或负载发生变化或一个瞬时的扰动，都将破坏汽 油机原有的稳定工况。负载曲线5 、汽油机的节气f 丁处于全开( 曲线1 ) ，则在a 位置处汽油机保持稳定工况；当负载阻转矩由曲线5 变动到曲线6 ，汽油机的转矩 大于阻转矩，汽油机、负载转速上升，而转速的上升又使得汽油机的转矩下降、 负载阻转矩上升，在新的平衡点b 转速达到稳定并进入稳定工况：负载由曲线6 又回到曲线5 ，负载豹阻转矩增加，汽油机的转矩小于负载阻转矩，引起汽油机 转速下降，转速的下降鬈使得汽油机转矩增加、负载阻转矩降低，汽油机能回 到原来的稳定工况a 。雳以，汽油机具有自稳定的特性。 o l 一节气门全开 2 7 5 开度 3 5 0 开度 4 3 0 开度 5 7 一能耗装置的阻转矩特性 图2 3 汽油机的速度特性和负载的阻力矩特性 从一个稳定工况向另一个稳定工况的过渡过程中，汽油机的很多参数都在 发生变化。从使用的实际情况来看，对固定作业的汽油机，工况的不稳定大多 是由负载的变化引起的。在汽油机负载减小时，转速升高，在经过一段过渡时 间之后，趋于稳定。过渡过程的性质决定于汽油机的性能及其它部件( 包括负载、 调速器) 的性能，因此，当汽油机装有调速器时，会明员改善汽油机的过渡过程。 在负载由曲线5 过渡到曲线6 时，若节气门关小到5 0 开度，则在图2 - 3 中c 位 武汉理工大学硕士学位论文 置汽油机进入稳定工况，且汽油机转速变化不大。 2 1 2 汽油机转速调节的基本规律 如果节气门保持在一定的开度，工作混合气中燃油与空气的比例由化油器 确定，随汽油机工况变化不大。单缸四冲程汽油机的指示功率n j ( k w ) ： n iz n p 。i 圪1 2 0 ( 2 一1 ) 式中：n 转速( r m i n ) ，k 平均指示压力( m p a ) 旷每缸工作容积( l ) 汽油机的指示功率不能完全对外输出，其中还有不可避免的机械损失。指 示功率减去机械损失后是对外输出的功率 0 与输出轴的有效扭矩乃。的 关系为： t , q n 。x 9 5 5 0 n ( 2 - 2 ) 可见，输出轴的有效扭矩硒与平均指示压力p m i 之间接近正比的关系。因 此，扭矩的变化主要与充气量的变化有关，充气量决定于充气效率。充气效率吼 是实际进入气缸的薪鲜空气质量与进气状态下充满气缸工作客积的新鲜空气质 量的比值： 叩，= 鲁t 导 。， 式中： 怕、k 实际进入气缸的新鲜空气的质量、体积 m、进气状态下充满气缸工作容积的新鲜空气的质量、气缸工s v s 作容积 影响充气效率巩的因素有：进气( 或大气) 的状态、进气终了时的气缸压力和温 度、残余废气系数、压缩比、气门拒时等。它们之间的关系为： 玑= 击鸶睁s 争x 争 a ， 式中：正，进气( 或大气) 的状态下气缸温度和压力 武汉理工大学硕士学位论文 l ，只进气终了的气缸温度和压力 甲d 1 ，1 ，残余废气温度和压力 s 压缩比 亭迸气门迟闭角影响系数 1 ：f t 排气门迟闭角影响系数 其中，进气终了压力只对充气效率仉的影响最大。当汽油机的节气门关小， 节流损失增加，引起只下降：当节气门开度一定时，转速增加，己下降，如图 2 4 所示，这也是与汽油机的速度一负荷特性相一致的。 p o i 一全开 2 7 5 开度 3 5 0 开度 n 4 - - 3 0 开度 图2 - 4 汽油机进气终了压力与转速的关系 可见，在节气门开度一定时，输出轴的转矩随转速的升高而降低，节气门 的开度越小时，转矩随转速的变化越大。因此，在汽油机负载转矩得到一个增 量的情况下，如果汽油机的节气门处于一个较小开度位置，为维持汽油机转速 不变，节气门所需要增大的开度量较小：如果汽油机的节气门处于一个较大的开 度位置，为维持汽油机转速不交所需要的节气门开度的增大量较大。用线图表 示出来即是在汽油机的转速等于一个常数的条件下，汽油机的输出力矩与节气 门开度之间的静态特性关系如图2 5 所示。 t 图2 - 5 保持转速恒定，转矩与节气门开度的关系 这是汽油机调速器调节转速的基本规律：转速恒定在规定的范围内时，若 负载力矩发生变化就要求汽油机按此静态特性调节节气门来增减输出力矩。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 汽油机的过渡过程 汽油机转矩丁与负载阻转矩毛的差值决定汽油机转速的变化情况。当负载 发生变化，汽油机的稳定工况遭到破坏时，将引起汽油机一能耗装置的转速发 生变化。汽油机转速变化的快慢，不仅和汽油机转矩z 与负载阻转矩易的差值 有关，还取决于包括能耗装置在内的汽油机运动件转化到汽油机曲轴旋转中心 的当量惯性矩，视能耗装置不同，当量惯性矩j _ 的值也不同，但一般来说，当 量惯性矩都比较大。 掣，毕 ( 2 5 ) 出， 对无调速器的汽油机，在节气门固定不动的情况下，卸载前处于一个转速较 低的稳定工况；卸载后，负载阻转矩减小，汽油机输出转矩大于负载转矩，转 速开始上升，这时的汽油机输出转矩与负载阻转矩的差值最大，汽油机转速上 升得最快。随着转速的升高，输出转矩r 减小，负载转矩疋增加，r 与疋的差 值减小，因此，转速上升率逐步减小，达到新的稳定工况时，汽油机的输出转 矩等于负载扭矩。其时间响应过程如图2 - 6 所示。 n 图2 - 6 汽油机突卸负载转速变化过程 可以看出，汽油机突卸负荷的转速变化过程是一个惯性系统在阶跃信号作 用下的过渡过程。且由于进气比节气门开度的变化滞后，相当于一个延迟环节， 因此汽油机在不带调速器时的传递函数形式为： h ，蜘生竺 ( 2 6 ) 2 奢+ 1 当汽油机装有调速器后，若转速增加，调速器动作，关小节气门；转速降低， 开大节气门，使汽油机转速始终稳定在额定转速上。调速器会改变汽油机的过 渡过程。由于转速上升过程中节气门关小，转速上升的加速度降低，上升时间 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 减少，转速上升的幅度大大减小：上升到最大值后转速下降，由于进气较节气 门开度的变化滞后，转速下降到额定转速后要继续下降，然后再上升，上升所 达到的最高转速小于上一次的最高转速，转速经过几次这样数次波动之后在新 的转速点稳定下来。突变负荷( 减小) 时转速随时问的变化过程如图2 7 。 n 2 n 0 _ 螺 n 】 图2 7 突变负荷调速过程的转速变化 在上面过渡过程曲线中，汽油机的转速从上升开始到进入另一个稳定转速所 用的时间就是过渡时间t 。过渡过程时间乞的长短反映了调速器稳定性的好坏。 转速可能要经过数次波动才能够稳定下来，在转速第一次达到最大输出值 h ，时的超调量最大，超调量的大小和振荡的次数反映了控审器的阻尼特性。反 映调速器性能好坏的一个重要指标是瞬时调速率6 1 ： 6 1to2 - - n 1 ) i n 6 ( 2 8 ) 式中：行2 突变负荷时汽油机的最高或最低( 对负荷增加) 转速( r m i n ) ； ，z 1 突变负荷前汽油机的转i 塞( r m i n ) ，在图2 - 6 中，玎l 等于n 6 ： 咒6 汽油机的标定转速( r m i n ) ，也是调速器需要的转速。 瞬时转速过大会影响系统的稳定，瞬时调速率6 ，是评价调速器过渡过程稳 定性的指标。 反映调速器性能的另一个重要指标是稳定调速率6 ，： d 。生! 二堕( 2 9 ) 。 h 式中：n o 。a x 汽油机的最高稳定空载转速； 稳定调速率6 2 表明最高空载转速相对于汽油机的标定转速的变化范围，过 大的稳定调速率对工作机械的稳定工作是非常不利的，并且稳定调速率过大还 会加剧空载时汽油机的磨损。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 发电机的结构和工作特性 交流发电机是根据电磁感应原理而产生三相交变电动势的。在小型发电机 系统中常用永磁同步发电机作为发电装置。永磁同步电动机由定子和转予组成。 定子由导磁的定子铁芯和导电的- - n 对称绕组以及固定铁心用的机座和端盖等 部分组成；转孑用稀土永磁材料做磁钢。在磁路分布和绕级结构上保证定子感 应电动势具有正弦波形。永磁同步电动机从其转子极对数的不同的角度，可以 分为单极式和多极式永磁电机，其工作原理一致。图2 - 8 是极对数为1 的单极 式永磁同步发电机模型。 图2 - 8 极对数为1 的永磁同步发电机结构框图 2 2 1 频率与转速、极数的关系 频率f ( h z ) 与转速n s ( p m ) 、极数p 之间的关系可由下式表示： ，；旦。生( 2 一l o ) 。 26 0 2 2 2 电动势的大小 当转子旋转时，产生一个旋转的磁场，使得相对静止的定子电枢绕组切割 磁力线而产生感应电动势。由于转子磁极铁心制作成鸟嘴形特殊结构，使得定 子绕组感应产生的交流电动势近似于雁弦曲线波形，因此三相电枢绕组产生的 感应电动势按正弦规律变化。 三相绕组中交流电动势瞬时值的表达式为： p u 。, s e t s i n m t 武汉理工大学硕士学位论文 e p = x 2 e 。s i n ( o d t - 1 2 0 。) e z4 2 e 。s i n ( c o t + 1 2 0 。) 式中：e 。每相电动势的有效值( v ) m 电角速度( = 纫，= 巳6 0 ，p 为磁极对数， 咒为发电机转速( r r a i n ) ) 。 交流发电机每相绕组中感应产生的电动势有效值e 。为 e 。；4 4 4 k f n f c 。中n 式中： 置绕组系数，采用整距集中绕组时，k = i ； ，感应电动势的频率( 1 t z ) ； 每相绕组的匝数( 匝) ； 垂每极磁通( 、b ) ； 巳发电机结构常数； 佗一1 1 ) ( 2 1 2 ) 从式( 2 ) 可以看出，定予绕组内感应电动势的大小与每相绕组串联线圈的 匝数以及感应电动势的频率成正比，即定子绕组的匝数越多、转予的转速越高， 绕组内感应产生的电动势就越高。 2 2 3 永磁同步发电机带负载特性 当发电机空载时，其端电压与电势相等。当发电机接有负载时，其端电压 与电势不等：感性和阻性负载时，电势高于端电压，容性负载时，电势可能高 于端电压也可能低于端电压。但无论负载性质如何，电势与端电压的矢量差都 等于定子的阻抗压降。有关矢量关系如图2 - 9 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 ， ( a )感性负载( b ) 容性负载 图2 9 同步发电机电势矢量图 本章在介绍了小型汽油发电机组的结构的基础上，对调节对象一汽油机的 速度特性、负荷特性及过渡过程进行了详细分析，得出了汽油机转速自动调节 的基本规律，提出了评价调遽系统稳定性的三个指标：稳态调速率、瞬态调速率 及过渡时间；同时还分析得出汽油机为一个一阶惯性环节加纯延迟环节的结论； 对同步发电机的输出特性也做了详细的描述，为电路的设计和控制策略的确定 提供了依据。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章发电机组数字控制系统硬件 作为小型发电机组原动力的汽油机转速高，相应的，系统对电子调速系统 响应速度要求比较高；同时为了使发电机组系统获得较高的输出性能( 与装载 机械式转速调整装置的小型汽油发电机组相比) ，控制器的硬件设计在本系统中 占有相当重要的地位。硬件设计要求电路安全可靠、响应迅速、有利于调试。 为了对采样数据的观察、分析，还设计了串口通信电路，实现上位机与数字控 制器之间的数据传递。 3 1 数字控制系统的硬件结构 图3 - 1 控制系统原理框图 系统基本结构如图3 - 1 所示。该系统主要由数字控制器、步迸电机、发电机 组节气门、整流电路、逆变电路、a d 转换电路等部分组成。发电机组输出的交 流电压经整流的直流母线电压经a i d 转换后，与给定信号比较，形成的偏差信 号由数字控制器处理后输出步进电机控制信号，控制节气门开合。经过上述电 压闭环控制，使直流母线电压保持恒定；逆变单元电路对此恒定电压进行逆变 转换得到2 2 0 v 5 0 h z 的交流电。 下面将电路分为数字控制系统电路和功率电路两部分分别进行介绍。本章 介绍控制系统电路，第四章介绍功率电路部分。 3 2 数字控制系统电路设计 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 数字控制器的选择 在数字控制系统中，数字控制器是核心处理单元，主要完成以下任务 1 1 对直流母线模拟信号的采集； 2 1 对采集信号的运算处理； 3 、输出执行机构控制信号； 4 1 产生逆变电路的s p w m 驱动信号； 5 1 与保护电路进行信号交互，实现系统保护功能； 6 1 实现与上位机的串口通信。 数字控制系统结构如图3 2 所示。 图3 - 2 数字控制系统结构 上述任务对数字控制器的运行速度、片上资源、接口提出了很高要求。 在本系统设计中，采用了与8 0 5 1 单片机兼容、由s i l a b s 集成产品公司推出 的c 8 0 5 1 f 单片机。c 8 0 5 1 f 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( s o t ) ， 具有与8 0 5 1 兼容的高速c i p 5 1 内核，与m c s 5 1 指令集完全兼容。在c 8 0 5 1 f 系列单片机中，选用c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机，它的主要性能指标如下“： 1 ) 采样流水线式的指令处理方式，7 0 指令的执行时间为1 个或2 个系统 时钟周期； 2 ) 速度高达2 5 m 1 p s ； 3 1 片内j t a g 仿真电路提供全速、非插入式( 不使用在片资源) 的电路仿 真，支持断点、单步观测点、运行和停止等调试指令，支持存储器和寄 存器校验和修改，方便对系统的调试； 4 1 工作电压典型值为3 v ( 2 7 3 3 v ) ，全部i o 、r s t 、j t a g 引脚均允许 5 v 电压输入； 5 ) 片内带有高达6 4 k b 的f l a s h 程序存储器以及4 3 5 2 b y t e 的r a m ； 6 1 芯片自带看门狗定时器模块( w d t ) ； 武汉理工大学硕士学位论文 7 ) 集成串行总线接口u s b 2 0 、u a r t 、s m b u s 、s p i ： 8 ) 带有一个1 6 位可编程定时器计数器阵列( p c a ) ，用它作为5 个可编程 的捕捉比较摸块的专用定时器计数器，可提供p w m 信号； 9 ) 内部集成了8 1 2 位的a d c 模数转换器和可编程增益放大器，其a d 转 换速度为t 0 0 k s p s 。可提供片内电压基准和外接电压基准。还可通过编 程启用内部温度传感器来检测环境稳定； 1 0 ) 提供完全符合i e e e l l 4 9 1 边界扫描标准的j t a g 按口，支持断点、单步、 观察点、堆栈监视器，支持观察修改存储器和寄存器。 这款芯片的运行速度和片上资源完全符合本系统的需求，并且提供了方便 的调试手段，便于系统开发。 3 2 2 电压检测电路 由第2 章的分析可知，为实现输出电压在负载变化时保持稳定，必须实现 对汽油发动机转速的控制，前提则是对转速进行检测。在目前大多数汽油机调 速器的开发中，转速信号的采集是通过转速传感器实现，一般有光电式传感器 和磁阻式传感器两种。”。 常规的转速检测方案通过光电信号或磁场信号实现与转速信号的耦合达到 检测转速的目的。不过价格较高，而且存在机械隐患。在本课题中，由于汽油 机的转速与发电机输出的三相交流电的电压有效值存在对应关系。当把发电机 的输出交流电整流、滤波后，所得到的直流母线电压与转速成正比。因此，通 过对直流母线电压的检测，可问接得到实时转速信号。 由于直流母线的负载是功率开关电路( 逆变桥) ，电压中含有大量的尖峰信 号，对直流母线的采样信号需要隔离才能传递给数字控制器进行处理。在采样 电路中，以t i l 3 0 0 为核心，设计了一个光藕隔离电路完成电压信号的线性隔离 和传递。该采样方案的原理如图3 3 所示。 a d 转换采用控制器上内嚣的1 2 位模数转换器a d c 0 。a d c 0 工作在 1 0 0 k s p s 的最大采样速率时可提供真正的1 2 位精度，i n l 为1 l s b 。可以设置 为差分输入或单端输入的方式。a d 转换有4 种启动方式：软件命令、定时器2 溢出、定时器3 溢出和外部信号输入。在系统设计中，采用单端输入和定时器3 溢出的启动方式。 武汉理工大学硕士学位论文 直 3 2 3s p w m 驱动信号电路 图3 - 3 转速采样原理图 正弦脉宽调制技术是根据采样控制理论中的面积等效原理形成的一种控制 方式。“。在本系统应用中，采用双极性s p w m 控制方式，利用计算法求出逆变 电路开关时间序列，存放在内存中，通过依次更改开关时间，达到控制输出波 形的目的。正弦脉宽调制方式原理如图3 4 所示。 s i n 一上 图3 - 4 正弦脉宽调试方式原理图 逆变电路的s p w m 信号由数字控制器产生，利用c 8 0 5 1 蹦o 的可编程计数 器阵列( p c a ) 生成s p w m 波形。单相逆变桥需要四路驱动信号，同一桥臂上 下功率管的驱动在时序上相差一个死区时间。因此，在设计中采用由控制器产 生一路s p w m 波形，再由外部电路进行波形扩展并分别设置死区时间的方案。 p c a 由一个专用的1 6 位计数器定时器和5 个1 6 位捕捉比较模块组成，通 武汉理工大学硕士学位论文 过模块的8 位p w m1 6 位p w m 方式可产生高载波比的s p w m ：波形。8 位p w m 方式最小占空比为0 3 9 ，最大为1 0 0 ，且可以采用较大的载波频率，因此在 本系统中采用8 位p w m 方式。其原理如图3 5 所示。p c a o c p h n 和p c a o c p l n 分别为模块n 的捕捉比较寄存器的高字节和低字节，p c a o l 为p c a 计数器 定时器的低字节。 图3 58 位p w m 方式原理框图 在8 位比较器被允许的条件下，p c a 计数器定时器在指定时基下计数，当 p c a o l 与捕捉，比较寄存器的低字节p c a o c p l n 匹配时，模块n 的v o 线c e x n 输出高电平，当p c a o l 计数溢出时，c e x n 输出低电平，并将p c a o c p h n 中的 值装入p c a o c p l n 。 在软件设计中，将计算得到的正弦脉宽值存入程序存储器，发生匹配中断 时，c e x n 由低电平变为高电平，中断程序查表读取新值并存入p c a o c p h n ；p c a 计数器定时器低字节发生溢出时，c e x n 由高电平变为低电平，并自动将 p c a 0 c p h n 中的值装入p c a o c p l n 。依次不断循环，从而在c e x n 上得到s p w m 信号波形。当模块n 的c e x n 通过交叉开关连接到订f 0 上时，在单片机的i o 引 脚上产生同样的s p w m 信号波形。利用p c a 模块产生p w m 波形的中断程序流 程如图3 - 6 所示。 载波频率对逆变输出中的谐波含量影响很大。载波频率太小，则谐波含量 大，输出的失真大，滤波电路设计困难；载波频率增大，则谐波含量减小，滤 波电路容易设计，但开关损耗变大。 出于系统滤波电路的参数选择及