（机械设计及理论专业论文）小型数码发电机智能控制器的研发.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 在人们向往绿色、健康、环保的生活方式，政府倡导节能减排的今天，数码发电机凭 借其高效、绿色、环保的特点越来越受到人们地关注。但是目前市面上除了几个品牌的数 码发电机外，普遍存在发电机控制器性能不理想、可靠性不高、产品一致性不好等问题。 针对国内数码发电机的现状，尤其是发电机生产基地之一一台州地区的研发现状，本 文将进行以下应用研究。首先分析逆变技术的发展现状与前景，并阐述了国内外数码发电 机产品的研究现状以及节气门控制算法的应用现状。在了解市场上同类顶级产品的基础上， 结合企业实际需求，设计控制器的多种方案，并设计出相应的硬件电路，从理论分析和实 际调试两个方面出发，对不同方案进行比较分析与改进。接着从节气门调速性能指标出发， 建立汽油发电机数学模型，并用不同的控制算法对发电机节气门控制进行仿真与实际调试， 最终选用仿人智能控制结合模糊控制作为节气门控制系统的控制算法。在提高控制器性能 上，软件设计了系统的软启动功能，使得控制器能够适应白炽灯等负载启动的要求。同时， 为了能更好的对动力和控制器起到保护作用，还设计了十几种异常情况保护功能最后根 据机械行业标准，实验证明控制器的调速性能良好，并且在输出波形以及满载压降上优于 开普动力的控制器。 关键字：数码发电机，逆变技术，仿人智能控制，模糊控制，节气门控制 浙江大学硕士学位论文 b s t r a c t a bs t r a c t d i 萄t a lg e n e r a t i d r ，w i 也m e 刚i n gy e a r 曲唱o fp e o p l ef o r 瑚：t i l r a l ，h e a l 也ya n dc c o - m d l y l i f e s t y l e 雒w e u 舔也eg u j d a n c eo fg o v 锄m 锄tf 1 0 r 锄e r g ye 伍c i e n c y ，h 嬲b e e nr e c c i v e dm o r e 锄dm o r e 砷圈m o nd l l et 0i t ss p e c i a lc h a r a c t 砸s t i c ss u c h 硒h i 曲- e 伍c i e n c y 锄d1 0 w - p o l 蜥0 n t h e r ea r e ，h o w e 、，s o m ei s s i l 鼯，s i l c h 弱l o wp 刮白n n 孤c c ，1 0 wl i a b i l i 劬a n db a dp r o d u 反 c o n s i s t e n c y ，w i d e l y 证v o l v e di n 也e 咖l l e rd e s i 驴o f t l l ed i g i t a lg 锄c r a t o r 血d u 曲t h e yh a v e b e w e ua d d r 鹪s e dt 0s o m ee x t e n ti ns o m et o pb 咖1 d m m ep r o d u c t n l i s 也e s i si sc a 玎i e do u tb a s e d0 nt h e 娜玎e n ts i m a t i o no fd o m e s t i cd i 西t a lg e 例i o rw i t l l f 0 c 瑚o n 也es p e c i a lc a 0 f t 缸z h o uc i t y ，o n eo f t l l ep r o d u c t i o nb 鹊e so f e l e c t r i cg e n 咖r i i l p a r t i c u l 碣i nt h ec o m e x to fd i 酉t a lg e n e m t o ra th o m e 锄da ：b r o a 也血es t a t i l sa n dd e v e l o p m e i l t t 1 1 m d so fi n v e n e rt e c h n o l o g y ，a l o n gw i t l lt h ea l g o r i t h mf o rt ! h 斌l ec o n t r 0 1w i l lb e 锄a 1 ) ，z e di n d 烈a i lf i r 髓b yu n d e r s t 柚d i i l g 也es t a t e o f ：a r tp r 0 d u c to fs 锄el ( i n d 弱w e ua s 也es p e c i f i c r e q l l i r e m e n tf o ri n d l l s _ t r i a la c t i v i 吼s e v e r a lc o n t r o ls c h e m e sw i t ht l l ec 0 仃e s p o n d i i 培h a r d w a r e c 曲吼l i tw i l lb e 也e np r e s 伽l t e 也唧a r e d 弛dt h u si m p r o v e d 丘o m 也ei n l p l 即n t a ：t i o np o 缸o f 、，i e w ha d d i t i o 玛m a ：t l l 锄a t i c a lm o d e lo f 也eg 觞o l m eg 酬o ri sg i v w i 血r e s p e c tt 0 也e p e r f b r m a n c ei n d e xo fm r o t t l ec o m r 0 1 a r c rs o m es 抽m l a t i o na n de x p e 池e n t a lt e s t i n g ，“t l | 力啮 0 u tt h a tt h em e t h o d 锄b e d d e dw i t l lt h eb u m a n - s i n m l a t c d 硫e l l i g t 锄df u z z yc o m r o l l e ri sa g o o dc a n d i d a t ef o rt h r o m ec o n t r c l l m e a n w l l i l e ，as o f ts t a r tm n c d o nw m b ei n t e g r a t e d 幽也e c o n n d u e ff 研i t s e l fb e i n ga b l et 0s t a r ta ts o m e 虹n do fl o a d e g ，i n c a n d e s c e ml a m p s m 6 r e 0 v e r i no r d e r 屯0k e 印t l l ec o n n o u e rs a f ea n dp o w e r0 u 印u tt 0b e 嘲b l e ，s e v e r a lt e c h i l i q u 鼯玳 d e s i g n e d 锄d 蚀p l o y e da c c 0 啪缸gf 1 0 ra d o z 饥o fa b n o m 谢c i r c i 伽蛐c s f i i l a l l y ，“i sv 嘶f i e d b ye x p e r i i i 瑚tt h a tm ed i g i t a lg e n e r a 0 rd r i v 衄b yt 1 1 ep r o p o s e dc o n 们n e rp r 0 、，i d e 叩耐0 r p e r f o m 础n c et h a nb y 脚o r sc o n 仃o u e ri nt e m l so fg e n e r 粕rs p e e dr e g u l a t i o 玛洲i u tw a v e f 0 衄 a n d p r e s s u r ed r o pa t f i l u l o a d k e yw o r d s ：d i 西t a lg e n e m t o r ，i n v e n e r 蛐l o 鼢h u m 锄- s i i n u l a t e d 血e l l i g 哪舳l ，缸刁 c o n n 0 1 t h r o t t l ec 0 】n n d l 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本文的研究工作是在导师邱清盈副教授及合作导师武建伟老师的精心指导下完 成的，他们在我的学习科研与生活上都倾注了大量的心血邱老师渊博的知识、严 谨的治学态度及平易近人的学者风范使我深受启迪。武老师在课题的选择、进度的 把握以及论文的撰写都给予了我很大的帮助。在此，我要向尊敬的导师致以最衷心 的感谢。 感谢浙江大学台州研究院机电研究所同事的关心和帮助，尤其是宁波工程学院 的胡劲松老师以及窦新民、许佳洪、胡健和黄彩等同事。他们为我提供资料参考， 帮助我研究遇到的问题并改进控制器的性能。其次要感谢实验室师兄弟的帮助与支 持，尤其要感谢师弟孙挺对我在学习生活上的帮助同时要感谢嘉利工业集团的技 术总监戴潇雨，感谢他对控制器性能提出的要求与改进方案 感谢我的父母和兄弟姐妹，在他们极大的关心和支持下，我才能坚定自己的信 念去做自己想做的事同时感谢关心我的同学朋友们，正是有了你们，我的研究生 生活才会变得如此丰富多彩 陈仁武 二零一二年二月一十二日 于求是园 浙江大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 1 1 1 研究的背景 近年来，5 千瓦以下的小型数码发电机凭借其高效、绿色、环保的特点越来越受到人 们地关注，它作为一个新的发电机产品领域得到了大力发展。与传统的发电机相比，数码 发电机各方面的优势决定了其良好发展前景。 传统的发电机产品虽然价格低廉，但是受固有结构的局限，主要采用低速发动机带动 一个工频输出发电机，不经过电路的处理直接输出给负载。因为发动机工作在低速状态， 所以相对于数码发电机其体积大、重量重，整个发电机系统就很难做到小型化、便携化【1 1 。 由于传统发电机不经过电路的处理，故存在频率不稳定、带负载能力差，而且正弦波畸变 严重等缺点，对于小功率的发电机来说这一缺点尤为明显数码发电机由于采用变频技术， 即采用功率逆变技术与闭环控制技术相结合的方式，使得其即使转速在一定范围内波动也 能够输出很好的正弦波形，波形畸变相当小，而且输出频率相当稳定一般不超过0 1 h z 由于采用智能节气门控制，发电机可以根据负载变化状态来实时快速的调节转速的高 低，尤其空载或小负载时，发电机转速会自动减小，这样不但使得其燃油消耗比普通机组 低，而且噪音小，运行时间更长 2 】。目前这种发电机不但可用于汽车电源，也可作为现代 家庭的应急电源和野外精密仪器测量测绘电源、军事设备野外供电电源、手术室应急电源 无论是运行噪声，还是运行时的排放，它对环境的影响非常小，并符合严格的环保标准， 高效、绿色、环保，是当之无愧的环保型动力，前景十分乐观【3 1 。 1 1 2 研究的意义 台州地区作为国内小型汽油发电机的主要生产基地，仅仅路桥区年产量达到1 0 0 万台 以上，但这些发电机多为传统的汽油或柴油发电机，大多采用机械式调速器，所以稳定性 差，调速精度低，难以保证良好的发电质量，而且噪声大，排放大，这与国家倡导的节能 减排格格不入，从而影响了用电设备的使用性能，并严重制约了产品稳定性的提高。 近年来，台州地区为了适应发电机组“轻型化”和“小型化”的发展要求，开始自主研发 数码发电机，但是所研发的数码发电机普遍存在的问题是输出不稳定，控制器可靠性不高， 对发电机的一致性要求高，发电机参数稍有变化，控制算法得重新调整，而且控制器价格 较高，企业需要投入大量人力物力去调整、维修控制器，这些因素严重制约了数码发电机 的批量生产能力。但是在数码发电机广阔的应用前景和市场潜力的驱使下又不得不研发这 i 浙江大学硕士学位论文 绪论 类控制器 针对台州地区的这一情况，为了适应当地企业生产与发展的需要，开发一种低成本， 高性能、高可靠性且对动力一致性要求低即适应性强的数码发电机控制器来提升产品质量 和竞争力是十分必要的。 1 2 逆变技术的发展现状与前景 随着电力电子技术的发展，逆变技术已经应用到很多领域，因此它的研究引起很多学 者的关注【4 】。逆变技术是电力电子技术中的一个最重要的组成部分，它的作用是将原始电 能变换成能满足用户或设备要求的交流电能，这种交流电能可作为不间断电源( u p s ) 、 变频电源、有源滤波器、电网无功补偿等逆变器中的电能【5 1 逆变技术的发展从2 0 世纪5 0 年代至今经历了三个阶段，从开始的低开关频率，大体 积，低效率的传统发展阶段到以高速器件为主的体积小、重量轻和效率高的高频化阶段， 最后到今天的综合发展阶段，结合高速与低速的特点，不再刻意追求高开关频率【1 1 现代逆交技术在u p s 电源、交流传动等的广泛应用，以及高速全控开关器件的大量 出现，促进了控制简单灵活的p w m 技术的发展，并使之成为逆变技术的核心，确立了在 电力电子技术中的重要地位【6 1 。但是传统洲变换器中电力电子器件硬开关的工作方式， 由于尺寸大、重量重、成本高且电磁干扰严重等因素的制约，严重限制了其向高频化方向 的发展；而软开关技术则以低开关应力和开关损耗的特点，成为目前电力电子器件最理想 的开关工作方式【刀。软开关p w m 技术是在常规p w m 变化器基础上，附加一个谐振网络， 开关变化时，谐振网络基本不影响p w m 技术的实现。因此，它既能保证p w m 技术的特 点，又实现了软开关技术，使软开关p w m 变换器成为目前最具发展和应用前景的变换器 【8 】 随着科技的发展，用户对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的所有原始 电能的质量可能满足不了用户的要求，必须经过加工后才能使用，而正弦波逆变器技术在 这种加工中将起到重要的作用【5 1 据市场研究显示，国内具有的节能潜力至少有1 8 亿千 瓦由此可见，能源紧张所提出的节能，降耗需求，为逆变器的应用提供了广阔的空间， 也给逆变器企业带来更多的发展契机【8 】其发展趋势主要体现在易用化、小型化低电磁 噪音化、专用化和系统化这几个方面【9 】。国内企业只要抓住市场先机，重视研发技术，开 发出自主知识产权特点鲜明的产品，一定能抢到市场份额，并提升国内逆变技术到一个全 新的水平 2 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 控制算法研究现状 节气门控制决定着控制器的整体性能，不仅能影响到发电机转速控制，还能影响到控 制器的输出性能。其中控制算法是整个节气门系统的神经，系统的控制功能主要由控制算 法来实现，因此它的好坏直接决定了整个控制器设计的成败 先进的控制算法很多，国内外很多学者也提出了很多相关的改进算法，目前在转速的 控制上以模糊与p d 的结合算法最多如j o n g h w 锄l 洫等人提出了一种模糊前馈p d 控制器的设计 1 0 】，a f a m e f 等则在前馈的基础上加上参数调整器使得系统更具适应性【1 1 】 l i m e iw 锄g 等提出了模糊自整定p d 控制算法，用模糊控制去调节p d 的参数【1 2 】【1 3 】， 舢姐e dr l l b a a i 等人则将模糊控制与模糊p d 控制相结合，根据输入的不同分别选用不同 的算法【14 】【1 5 1 b k a z e i i l i 趾等人设计了学习型的模糊p d 控制，能根据情况在模糊自整定 p d 控制基础上去调节模糊控制的参数来改进性能【1 6 1 ，s 蛐a 等人提出了使用与非线性 系统的模糊i p d 控制，并与传统的p d 控制器和模糊p d 控制器进行性能的比较与仿真 分析，确定了模糊i - p d 控制性能的优越性【1 7 】【18 1 常用的还有模糊滑模控制1 9 1 、双层模糊 控制伫们、滑模控制口1 】【2 2 1 、神经网络控制口3 】【2 4 】【2 5 1 等一些先进的控制算法 本系统主要采用三种控制算法来比较各算法的优缺点，分别是p d 控制、模糊控制和 仿人智能模糊控制。三种算法中，p d 控制自1 9 1 0 年以来以其设计简单、易于操作、适 用于大部分的线性系统等特点在工程控制领域仍然占着绝对的主导地位皿6 】。随着它的发展 应用，不断对其提出了改进与优化，性能不断提升。董海云等人比较了积分分离p d 与变 速积分p d 控制原理，并进行仿真分析【2 7 1 。谭宝成等利用变速积分增量式p d 控制实现 工程应用口8 】 2 9 】【3 0 】。张兹斌等人则利用变参数p d 调节改进了p d 控制性能【3 1 】【3 2 1 。y 0 s h i h i 叫s 城等人提出了性能自适应p d 控制器，p d 参数能根据系统性能的变化自动调节【3 3 1 虽然改进的p d 控制性能得到很大改善，但是p d 控制对于非线性系统适应性不强，因此 在本发电机系统中运用p d 控制有局限性 对于控制器的设计，往往都要建立在被控对象的精确数学模型基础上，但是在很多情 况下，被控对象的精确数学模型很难建立，例如发电机转速的影响因素很多，而且相互之 间又有交叉耦合，使其模型十分复杂，需要较多的参数估计，求解这些参数往往缺少足够 的信息量与信息特征；简化后的数学模型又不能准确说明原来的系统跚虽然p d 控制算 法有一系列优点，但是对于非线性时变系统，仅仅用传统的p d 控制很难达到较好的控制 效果【3 5 】。 3 浙江大学硕士学位论文绪论 模糊控制的出现为解决非线性时变系统的问题提供了有效手段与传统的p d 控制相 比，模糊控制的优势相当突出，由于它是用计算机去反映人们的经验与推理，所以可以不 用建立系统的数学模型，而且模糊控制对被控对象的参数变化适应性强，即鲁棒性好，还 能较容易达到稳定，它不像p d 控制会带来超调量大或者振荡的问题【3 6 】 但模糊控制并非尽善尽美，也有稳态精度差等问题，因此很多学者提出了改进算法 如曹光华提出了双模糊的复合控制思想，粗调和细调并行，克服了稳态精度差的问题，也 加速了调节速度【3 7 1 。许克凤等人根据误差及其变化率的大小调节量化因子和比例因子 【3 8 】【3 9 1 ，j l l l us u n 还提出了量化因子和比例因子的调节方法【加】但是这种方法相对比较复杂， 需要设计一个类似模糊规则的调节表，所以很多学者采用模糊积分去消除这个稳态误差。 关于模糊积分的应用也有很多方法，如孙前来提出带有变速积分环节的模糊控制策略，从 而大大减小系统稳态误差【4 1 1 彭佩珍等人采用模糊智能积分控制实现对系统的控制 f 4 2 】【4 3 】【棚，李晓秀等人设计了积分自整定模糊控制算法 4 5 】，本控制器设计了带智能积分的 模糊控制器来有效地克服模糊控制存在稳态误差的问题，并且避免了积分饱和嗍。以上均 克服了模糊控制稳态误差的问题，但是为了能使系统有更好的动态响应和稳态过程，需要 采用仿人智能控制，它有多模多级，能进行实时参数调整与控制 1 9 7 9 年重庆大学周其鉴教授等人提出仿人智能控制算法，该算法具有多模态多级控 制器结构，其中运行控制级进行实时控制；参数校正级自动调整运行控制级所处控制模态 的参数；任务适应级则进行特征模型的选择与修正【4 7 1 。本系统利用仿人智能控制结合模糊 控制，设计了仿人智能模糊控制器，结合了各自的优缺点，使得系统具有仿人智能控制和 模糊控制的优点，能实时有效快速的使发电机转速达到稳定 1 4 数码发电机研究现状 1 4 1 国内数码发电机研究现状 目前国内主流数码发电机功率在5 k w 以下，除了少数出口发展中国家的1 k w 以下的 方波数码发电机外，其余输出波形基本都是正弦波。与传统发电机相比，数码发电机的节 能、环保、便携与高性能的特点决定了其广阔的市场前景。目前国内做的最好的是无锡开 普动力有限公司，它是我国第一家研制生产数码发电机系列产品的企业随后各大发电机 生产基地都开始研发数码发电机，并投入大量的人力物力，但是由于技术能力的限制，除 了进排气风道设计不良外，更为关键的是控制器的稳定性，可靠性与适应性有待提高， 严重制约了产品的品质提高。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 开普i g l 0 0 0 发电机如图1 1 所示它是国内数码发电机系列的佼佼者，无论是运行 噪声还是排放，都达到e p a ( 美国环保署) 2 0 0 5 年的环保标准，不论在人口密集的市区 还是在野外露营，或是作为家庭备用电源，都是非常理想的选择它按需发电，最佳匹配 转速与负载，大大延长了整机的使用寿命，而且可以根据负载变化来自动调节节气门的开 度，使得燃油耗比普通机组低2 叫0 但是它的发电机也非尽善尽美，当加了大负载以 后，其输出波形会产生畸变，其波形图如图1 3 所示 国内高校也有在研究数码发电机的控制器，但是控制性能还有待提高，比如国内某高 校研制的3 k w 控制器，当外接3 k w 的负载时，电压失真度达到3 1 3 ，实际输出电压从 2 3 0 v 降到了2 0 4 v ，其检测报告的部分内容如图1 2 所示 图1 1 开普i g l o o 发电机 ：颡蕊l 1 e 锶：。9 啪g ? 5 澎“ 劢鏊囊 一i = 2 鹕萎碰鼢耷9 g ： 2 咖 嚣童酶蕾囔誉ji 蔓，2 j 的 o 瓣熊蕊， 26 绋 霜濑嗡澍囊i 濑! 譬m 。 o ，9 黼防g ；2 雄3 ： 蕊醺霞 副麓髓麓鞫瞪，、 o ，9 璺婚g6 2 ，蠹3 宅 。 1 目渣蟹，塞簟i 一 _ _ 、觏哆潞d 2 ，够 ! 一臻岿嘲d 2 翳7j 圈黼；驷徊i j - a 囊t 1 ”3 霉1 5 3 - 羔 鹚龋囊黉蜒蘸强蠢? 惹 似j !；鞠霸隧糕 獭鞠麟蘸蕺霉翱瓣。i 。l豳爨隧麓 浙江大学硕士学位论文绪论 图1 - 3 开普i g l 0 0 0 加了8 0 0 w 负载后的输出波形 1 4 2 国外数码发电机研究现状 近年来，国外数码发电机得到广泛应用，尤其在发达国家如欧美、日本等国。其中最 具代表性的有三家企业，分别是本田、伊藤和雅马哈。本田s 耿1 0 0 0 发电机外形图如图 1 4 所示国外三家企业与国内开普的动力相比，性能参数如表1 1 所示，从表中可以看 出，国内外数码发电机在噪音水平、耗油量等方面还有一定差距， 囹1 4 本田s h x l o o o 发电机图 浙江大学硕士学位论文绪论 1 5 本论文的主要研究内容 数码发电机控制器相对于普通发电机控制器，需要根据负载情况，实时自动调节节气 门开度，从而达到稳定转速与输出，降低系统油耗与减少排放的目的。在系统满载压降以 及输出稳定电压的波动率方面都有更高的要求 针对目前数码发电机的研发存在的控制器成本高，输出电压稳定度不够，系统转速控 制不稳定以及对发电机一致性要求高等问题。通过改进系统硬件电路，优化节气门控制算 法以及设计系统软启动等方案来解决上述存在的问题。其中系统的节气门控制算法优化是 开发过程中的最难点，很多公司往往因为转速控制不稳定，对发电机一致性要求过高等问 题而放弃对控制器的研发，因此节气门控制算法优化是控制器开发的瓶颈 论文主要根据上述内容，着重解决控制器的控制性能、可靠性与增加适用性，并且注 重研究内容在工程实际中的应用由于是为企业开发控制器，所以十分注重控制器的成本 控制。力求在高性能的同时，保证较低的成本，这是本控制器的一个重要特点。全文的研 究内容如下： 第一章首先介绍了小型数码发电机控制器研发的背景与意义，然后介绍了国内外逆变 技术的发展现状与前景以及节气门系统控制算法的研究现状，最后分析了国内外数码发电 机的研究现状，并引出了本论文需要研究的主要内容 第二章介绍了数码发电机控制器总体结构，并分析多种硬件电路设计方案，经过理论 7 浙江大学硕士学位论文绪论 分析与实际调试后选用最优的电路方案，并阐述了各个功能模块的工作原理、设计过程与 各自的特点 第三章介绍了节气门控制系统的设计，包括调速指标的确定与汽油发电机系统数学模 型的建立，着重介绍了p d 控制、模糊积分控制和仿人智能模糊控制三种控制算法的研究 与仿真，最后给出节气门控制软件流程图。 第四章介绍了控制器的软启动与保护设计，分析了软启动的必要性与具体设计过程， 并且设计了十几种发电机可能出现的异常情况的保护措施。 第五章从调速性能与输出波形两个方面对控制器进行试验，并与国家机械行业标准以 及开普动力的控制器进行比较，分析控制器的性能优点与不足 第六章总结与展望，总结控制器项目的主要工作与完成情况，并从几个方面提出进 一步研究与改进的方向。 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 第二章控制器硬件电路设计 小型数码汽油发电机控制系统在总体功能上主要包括：辅助电源、功率变换电路( 包 括整流和逆交) 及其驱动、智能节气门控制与各种信号采样电路系统框图如图2 1 所示。 从图中可以看出，硬件电路的设计主要包括整流和逆变电路、辅助电源电路、各种采样电 路、步进电机驱动电路以及晶闸管和i g b t 的驱动电路，最后还包括数码管的显示电路， 其中主控制器采用单片机来实现。 圈2 1 系统主电路框图 2 1 控制器的系统结构 与控制器配套的动力是一个四冲程的动力，发电机输出的三相交流电频率约为 2 5 0 6 5 0 h z ，其中单相电压的范围约为2 8 0 5 5 0 v 本控制器主要工作过程如图2 1 所示中频发电机产生的三相电压与频率均不稳定的 交流电，经过三相半控整流电路整流成电压恒定的直流电，该直流电经过逆变与l c 滤波 电路输出2 3 0 v 5 0 h z 的单相正弦波交流电，即通常所说的a c d c a c 的控制过程，这一 过程的性能是通过n m 、瞬态响应和效率来评估的【4 8 1 。发电机控制器研发过程中如何实 现发电机转速尽快达到稳定是控制器设计的难点本控制器是利用发电机副绕组的频率作 为控制变量，通过控制步进电机来调节节气门的开度。整个系统主控制芯片采用单片机， 供电由发电机副绕组提供 2 2 辅助电源设计 发电机副绕组的输出电压范围约为8 2 0 v ，频率约为2 5 0 6 5 0 h z 。副绕组电压经过辅 助电源电路转换，变换成控制器需要的电压类型因为控制器半控整流部分需要从输出反 馈信号来控制晶闸管的驱动电路，而这个驱动电路需要一个隔离的5 v 电源来供电所以 q 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 电源供电需要隔离的5 v 电源又因为逆变i g b t 的驱动芯片需要1 5 v 的供电，而为单片 机、步进电机驱动及其他的一些电路供电需要5 v 的电源，所以控制器需要三种电源类型 来提供稳定的直流电压。 本控制器根据发电机副绕组输出电压的范围，辅助电源的设计有两种可选方案，分别 如图2 2 2 5 所示图2 2 为方案一，因为副绕组最低电压8 v 左右，直接产生1 5 v 是不可 能，所以方案中采用5 v 为电路的基准电压，这样基本能达到要求，但是此电路发热量严 重，尤其是驱动步进电机的l m 7 8 0 5 以及给其他较多器件供电的l m 7 9 0 5 ，而且占用p c b 板的空间较大。 图2 2 电源方案一 l o 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 图2 3 电源方案二一5 v 电源转换图【4 9 】 图2 4 电源方案二一1 5 v 电源转换图 图2 5 隔离5 v 电源转换电路 图2 3 和2 4 组成方案二，即利用l m 2 5 7 6 产生5 v 电压，然后通过d c d c 升压电路 产生1 5 v ，用于供给逆变驱动芯片工作。通常线性稳压器件( 如7 8 0 5 ) 在工作中会有较大 的热损失，热损失值约为v 压降宰i 负载因此效率仅为3 0 5 0 图2 3 中u 汜5 7 6 的 平均工作效率可达到7 0 9 0 【4 9 】。相同电压降的条件下它的发热量小，在本控制器中它 无需添加散热片工作，而且能稳定输出3 a 的电流，输入电压范围在7 v 4 5 v ，因此选用 l m 2 5 7 6 作为本控制器的5 v 稳压芯片 因为发电机副绕组输出电压有限，突加大负载时，副绕组电压能降到8 v ，所以可能会 出现输出关断的现象，甚至可能出现损坏i g b t 或其驱动芯片所以本控制器采用d c d c 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 变换去产生1 5 v ，应用专用芯片效率高，而且输入电压范围广，能自动选择工作在电感电 流连续模式c c m 还是电感电流断续模式【5 们，因此其输出电压范围能达到3 3 v - 3 2 v 。只要 调节好反馈端的电压，反馈引脚通过与内部设定的l v 电压进行比较，最后控制内置的n 沟道m o s f e t 的开关占空比来调节这个b 0 0 s t 的输出电压，使其达到稳定【5 0 1 。图2 4 中的 滑动变阻器与电阻并联是为了能够起到微调的作用，使得输出能够更准确。 2 3 功率变换电路设计 功率变换电路是控制器的主电路，主要实现a c d c a c 变频模式该a c d c a c 的 变频模式相对于一些a c - a c 的变频模式虽然硬件成本较高，还需要大容量的电解电容， 但是该模式具有控制方便、功率因素高等优点，因此选择a c d c a c 变频模式作为控制 器的主电路拓扑结构控制器失效基本上都是功率变换电路及其驱动电路引起，所以本部 分电路的设计一定要保证可靠性，而且要在最恶劣的环境下多加测试并通过才行。 2 3 1 整流逆变电路拓扑 本控制器的整流逆变主电路拓扑结构如图2 6 所示，发电机产生的电压与频率均不稳 定的三相交流电经过三相半控桥式整流，并用大容量的电解电容滤波，使得输出母线电压 稳定，然后经过h 桥逆变成为单相调制的交流电，最后经过l c 滤波环节得到需要的 2 3 0 v 5 0 h z 的正弦波交流电。 图2 6 中三相半控桥式整流电路通常用来作为不可逆系统的整流电路，它比全控电路 更加简单经济。因为它由一个三相半波不控整流电路与一个三相半波可控整流电路串联而 成，因此该电路具有半控和不控两种电路的特点【5 1 1 因为发电机在运行过程中，可能出现转速过高，导致输出电压过高的问题。而且晶闸 管过流过压能力很差，如果晶闸管上的正向电压上升率过大，可能使晶闸管正向阻断能力 下降，严重时会引起误导通。所以控制器中设计了r c 阻容吸收回路进行保护，如图2 6 中电阻r l 与电容c 1 该回路利用电容两端电压不能突变的特点，来吸收回路的电压，把 它限制在允许的范围内电容串接电阻的作用是限制晶闸管开通损耗与电流上升率。如果 不串电阻，电容两端电压将会产生比电源电压高得多的振荡电压，此电压加在晶闸管上， 可能使元件损坏嗍 1 2 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 。3 芒1 屯 o 屯j 郦n | 阵 钮 i 匡 虹 孰c l i c 2 【也 一 啼一l 。 l i _ j 一h c l o | | 1 i 一一三 l | ：l 主旌量 z d l ：d 2 ：d 3 一【 】【2k l 匠 尊 i 匠 m 一l 一 图2 6 整流逆变电路拓扑结构 2 3 2 晶闸管触发电路设计 晶闸管整流电路在诸如电机拖动、直流电源等很多方面得到了广泛的应用。而设计该 整流电路的关键是设计好晶闸管触发电路，向晶闸管提供合适的触发电流使其导通。 图2 7 方案一原理图 本控制器在晶闸管驱动电路的设计上主要有两种方案，方案一：采样直流母线电压， 经过电阻分压去控制三极管来达到自动控制晶闸管驱动的目的即当电压值过高，晶闸管 截止；反之，晶闸管导通。但是该方法直流母线电压恒定，当加了负载以后，系统压降尤 其电感的压降增大，相应的输出电压降低因此，此方案不适用于正弦波逆变器电路方 案二采用单片机控制光耦开关，然后驱动三极管去控制晶闸管的导通与关断。该方案因为 加入了单片机实时采样信号，并进行相应控制，所以能够达到输出电压稳定的效果。两种 方案原理图如图2 7 、2 8 所示。 有些论文提出采用控制算法去检测整流后的电压然后去控制控制晶闸管的导通，但是 这涉及到的控制就比较繁琐，因为需要过零检测，而且三个晶闸管都需要分别的驱动信号 1 3 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 【5 扪，本控制器不采用这个方式从晶闸管导通条件可知，可以将三个晶闸管的门极用一路 信号去控制，因为导通还需要阳极与阴极之间有正向电压因此，用这一个高低电平的信 号就能实现三个晶闸管的控制，不仅电路简单，而且控制方便该触发电路的原理是当控 制信号是高电平时，光耦关断，三极管q 3 基极为高电平，三极管q 3 截止，此时晶闸管 门极电位为隔离地，所以晶闸管截止。反之，当控制信号为低电平时，三极管q 3 导通， 晶闸管门极相对于阴极为高电平，所以晶闸管导通 i s ( m v 图2 8 方案二尿理图 2 3 3 i g b t 驱动设计 i g b t 驱动电路的设计有三种可选方案，分别是三极管驱动、光耦驱动和专用芯片驱 动，驱动原理图如图2 9 2 1 1 所示。从电路原理上来说，三种方案都相对简单，但是在电 路性能与成本上存在很大差异 图2 9 是三极管驱动方案，因两个桥臂驱动电路相同，故图中只给出一个桥臂的电路。 当q 2 导通时，q 1 截止，所以上桥臂i g b t 导通，下桥臂i g b t 截止很明显该电路成本 低，而且占据的p c b 空间小，但是无法产生死区，所以很可能出现逆变部分短路的现象， 而且控制电路与功率电路隔离效果欠佳，可靠性相对较低。对于方波控制器可能适合，但 是对于正弦波控制器，可靠性令人担忧 光耦驱动方案中，驱动信号通过r c 滤波延时即加入死区，然后经过与非门给光耦。 利用光耦的隔离作用，可以很好的将控制电路与功率电路隔离开来，而且光耦驱动能力很 强，i g b t 可以很快的开关。但是驱动电路需要四个光耦，每个光耦成本都在4 元以上， 所以驱动成本很高。而且四个光耦占据的p c b 空间较大，对于严格要求成本与p c b 尺寸 的设计来说，这种方案是不合适的。 1 4 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 d c 一 图2 9 三极管驱动方案 、聋ci ：d l 图2 1 0 光耦驱动方案 图2 1 1 专用芯片驱动方案 1 5 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 图2 1 l 为第三种方案，即用专用的驱动芯片来驱动h 桥相对于光耦驱动，该方案成 本低，专用芯片成本低于两个光耦的成本，而且具备很多保护功能由芯片资料可知，该 驱动芯片具有可调的错误清零时间、内置高级输入滤波器、软关断功能、欠压保护功能、 硬件过流保护，且能在功率管上下导通时自动加入死区，避免了同时导通而损坏元器件。 因为要输出正弦波，所以驱动信号需要经过脉宽调制，即通常说的s 酬信号。从调 制脉冲的极性来看，p w m 可分为单极性和双极性控制两种模式单极性调制方式兼顾到 了四个i g b t 功率管工作状态的均衡，不仅能保证输出较理想的正弦波，而且能从很大程 度上减小开关损耗，增加i g b t 使用寿命，提高电路的可靠性，具体波形时序图如图2 1 2 所示双极性调制方式则会产生了较大的开关损耗，降低i g b t 使用寿命。输出电压波形 上看，单极性调制通断频率是双极性的两倍，而电压跳动则为双极性的一半。若用傅里叶 级数展开，可知单极性调制不包含偶次谐波；在频率谱上看，最低次谐波是开关频率的两 倍，这一特性使得它的谐波含量比双极性要小；从控制器电路上来讲，谐波频率高，就可 以使输出滤波的电容、电感值降低，从而减小控制器体积与成本所以本控制器选择单极 性控制方式产生s p w m 为了克服传统逆变输出电压控制方法s p w m 的缺点，很多人提出了其他使用实时波形 反馈控制的方法，如自适应迟滞的瞬态反馈控制算法，该控制算法在不同负载的情况下都 有较好的性能【5 4 】，还有无差拍控制，来减少输出电压失真5 5 】等但是对于普通单片机来说 要实现这些是很困难的，而且针对家庭用小型发电机不需要过分的去追求失真度的减小， 所以本控制器对s 删不做补偿 图2 1 l 硬件原理图工作原理是单片机输出两路互补调制的s p w m 波形和两路互补的 5 0 h z 波形，即单极性控制方式产生s p w m ，然后经过驱动芯片放大后去驱动i g b t 的门 极输出电流经过r c 滤波后给c s c 端，如果c s c 端采样到输出电流超过功率管额定电 流时，驱动芯片会自动关断输出，并同时产生f o ( 错误) 信号，防止电流过大损坏功率 器件当过了错误清零时间，驱动芯片会再恢复输出，直到不产生硬件过流保护，或者软 件保护 1 6 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 图2 1 2 单极性调制方式h 桥时序图 驱动芯片右边有两个电解电容，利用电容两端电压不能突变，总是有充放电的过程的 原理来产生电位自举的作用，该电容即为自举电容。i g b t 门极的驱动电阻也是设计中需 要考虑的问题，选择不当不仅会烧坏驱动芯片，情况严重则能烧坏i g b t 。所以选择阻值 的时候需要根据驱动芯片的驱动能力，以及灌电流能力，用示波器去观察s 删波形是 否达到理想的波形，加上高电压之后测空载时的输出电流是否在可承受的范围内 理想状态下上下桥臂互补导通，不会出现上下桥臂同时导通的情况【5 6 】。但是所有的元 器件都不是理想的器件，所以设计电路时必须考虑这个问题。例如理想状态下s 酬信 号应该如图2 1 3 左图所示但实际上s p w m 信号如图2 1 3 右图所示虽然驱动芯片有自 动加入死区时间的功能，但是光靠驱动芯片强制性的去加死区时间其可靠性是不高的。所 以需要在软件设计时加上死区时间。但是死区时间的设置也不是越大越好，虽然死区时间 越大，电路工作越稳定，但这会引起输出效率降低以及输出波形失真等一系列问题当然 死区时间也不是越小越好，死区时间越小，尽管输出波形失真度会小一些，但是这是以降 低电路可靠性为代价的。因此最佳的死区时间设置应该是在保证安全即i g b t 不损坏，输 出不发生短路的前提下，越小越好一般死区时间为岫级的 因为死区时间对输出波形有影响，所以在要求高的情况下还是有必要去修正或减小死 区时间的影响的。陆海峰等人提出当电流极性已知时，可以只对上下桥臂中的一只功率管 进行调制，不需要在p w m 周期内插入死区【5 7 1 h a i t a 0q i n 提出用快速傅里叶变换去计算 补偿波形的失真【5 8 】。但是不是所有的控制器都需要去消除这个死区的影响的，设计时需要 根据实际情况去考虑 浙江大学硕士学位论文 控制器硬件电路设计 重叠导遵 实际可能出现的驱动信号 理想的驱动倍号加入死区后的信号 图2 1 3 各种状态下的s p 删信号图 2 4 外围电路设计 外围电路的设计包括单片机外围电路，数码管显示，电流采样，频率采样和l c 低通 滤波器等等本节主要介绍电流采样电路和l c 滤波电路以及频率采样电路，因为其他电 路相对简单，而且只要按常规设计就不影响控制器总体的性能，但是这三个电路若设计不 好，将直接导致控制器性能下降，甚至发电机失控或者损坏控制器或用电设备。 2 4 1 电流采样电路 图2 1 4 和图2 1 5 是系统输出电流信号采样电路的两种方案图2 1 4 的方案中，发电 机输出经过电流互感器，与输出进行隔离，最后经过整流输出此方案的整流电路中由于 二极管的导通压降及其他因素的影响，导致系统小功率电流无法采样虽然整流电路可以 采用精密整流电路来提高采样精度，但互感器价格很高在图2 1 5 的方案中，因为流过 采样电阻的电流是直流的，所以直接测采样电阻两端电压即可得出对应的电流值，该方案 不仅简单准确，而且成本相当低。电阻的选择上应该选择小阻值的水泥电阻，防止系统压 降以及发热因此，电流采样电路选择图2 1 5 的方案 n i _ _ - 一l 醯， 锄一 d l 出l ， = 一【】 旷1 1 - p 2 d 3 墨嶂 l 】l= _ 一 _ 一 l ， 图2 1 4 互感器电流采样方案 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 图2 1 5 电阻方式电流采样方案 2 4 2l c 低通滤波电路设计 逆变的输出波形包含着开关频率及其附近频带的谐波，设计l c 滤波器就是为了滤除 这些谐波分量，保证良好的正弦波波形输出。但是l c 滤波器的设计会产生相位偏移和压 降，如果不加补偿，系统输出压降会很大达到几十伏特【5 9 1 。因此l c 低通滤波器的设计值 得关注的几个问题是：1 ) l c 滤波器参数的设计，参数的选择要求滤波器的压降和滤波后 的高次谐波尽可能的小，而且要考虑使成本尽量低。2 ) 滤波器的共振问题，如果滤波器 设计的不好，输出波形会失真，稳态谐波甚至可能影响系统的稳定性【删滤波电感的设计 除了满足滤波器设计基本要求外，还需要考虑电路损耗等因素。同等情况下，电感值增大 则输出电压减小，但波形相对光滑；相反的，若电感值减小则输出波形相对粗糙图2 1 6 和2 1 7 电感值分别是1 m h 和2 m h 时输出的正弦波波形从图中可明显看出，2 m h 的电 感值时，波形明显比1 m h 时光滑。 1 9 浙江大学硕士学位论文 控制器硬件电路设计 d p c 珥0 3 4 b 1 5 ：2 3 ：1 72 0 1 1 ，1 2 ，1 0 图2 1 61 m l l 时的正弦输出波形 d p ，4 d 3 4 b - 15 ：z7 ：2 4z 0 11 ，1 ：10 图2 1 72 m h 时的正弦输出波形 滤波电容是用来滤除高次谐波，保证输出电压总谐波含量在一定的范围内。电容值要 根据实际情况去选择适当的值，不能一味的增大的电容值。如果电容值过大，虽然总谐波 含量会减小，但是电路无功电流也会增大，。 l c 滤波器输出电压相对于逆变桥输出电压的传递函数为： ) = 靠2 熹 ( 2 - 1 ) 浙江大学硕士学位论文控制器硬件电路设计 其中= 去为