汽油發(fā)電機(jī)組控制電路數(shù)字化設(shè)計(jì)方案

摘要：基于對(duì)某型汽油發(fā)電機(jī)組控制保護(hù)電路的分析，提出了一種采用數(shù)字電路和MCU對(duì)該控制保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明，該方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)組的控制與保護(hù)功能，優(yōu)化了設(shè)計(jì)、滿足了技術(shù)指標(biāo)要求。
關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)組；控制電路；數(shù)字電路；MCU

    汽油發(fā)電機(jī)組是某型雷達(dá)的配套設(shè)備。發(fā)電機(jī)組控制保護(hù)電路采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，保護(hù)電路基準(zhǔn)采用電位器調(diào)整設(shè)置，由于機(jī)組工作時(shí)的強(qiáng)烈振動(dòng)易使電位器調(diào)定位置改變，引起保護(hù)電路的基準(zhǔn)發(fā)生變化，使機(jī)組不能正常工作。
    現(xiàn)代電子產(chǎn)品中越來(lái)越多地采用數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)程序控制。數(shù)字電路的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定，可有效避免因元器件參數(shù)變化造成的設(shè)備性能下降。采用計(jì)算機(jī)程序控制后，可以將必要的參數(shù)固化在程序中或存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，從根本上解決了因設(shè)置基準(zhǔn)變化造成的工作異常。因此，針對(duì)某型汽油發(fā)電機(jī)組在使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了采用數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)程序控制對(duì)機(jī)組控制保護(hù)電路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)分析
1．1 控制保護(hù)電路原理框圖
    某型汽油發(fā)電機(jī)組控制保護(hù)電路原理框圖如圖1所示，PWM控制時(shí)序如圖2所示。

1．2 控制保護(hù)過(guò)程分析
    (1)輸出電壓設(shè)置。
    圖2中基準(zhǔn)電壓為箝位電壓。如圖2所示，當(dāng)調(diào)節(jié)電壓設(shè)置電位器使設(shè)置電壓上升或下降時(shí)，控制比較器輸出脈沖將變寬或變窄，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組導(dǎo)通時(shí)間隨之變化，發(fā)電機(jī)輸出電壓也將按比例上升或下降，直至到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。
    (2)輸出電壓穩(wěn)定。
    發(fā)電機(jī)輸出電壓，經(jīng)電壓互感器取樣后反饋到控制比較器。當(dāng)設(shè)置電壓固定且沒(méi)有負(fù)載變化引起輸出電壓變化時(shí)，控制比較器將輸出寬度固定的脈沖控制激勵(lì)管和功率管接通勵(lì)磁繞組。由于勵(lì)磁繞組導(dǎo)通時(shí)間固定，輸出電壓處于一個(gè)穩(wěn)定值。
    再如圖2所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，由于基準(zhǔn)電壓與設(shè)置電壓不變，控制比較器將調(diào)整輸出脈沖寬度，最終將使輸出電壓重新穩(wěn)定在設(shè)置值上。
    (3)輸出保護(hù)。
    發(fā)電機(jī)輸出電壓與輸出電流，經(jīng)電壓互感器和電流互感器取樣后接入到保護(hù)比較器。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓高于預(yù)置的輸出電壓上限或低于預(yù)置的輸出電壓下限、輸出電流大于預(yù)置的輸出電流上限時(shí)，保護(hù)比較器的輸出強(qiáng)行使激勵(lì)管截止，控制比較器輸出信號(hào)無(wú)效，勵(lì)磁繞組導(dǎo)通控制功率管無(wú)輸入激勵(lì)信號(hào)也處于截止?fàn)顟B(tài)，使勵(lì)磁繞組無(wú)勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)停止輸出。
1．3 自動(dòng)控制原理分析
    綜上所述，某型汽油發(fā)電機(jī)組控制保護(hù)電路，是一個(gè)典型的一階閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。由于在控制比較器輸入端引入了主要由負(fù)載變化引起的輸出擾動(dòng)，所以是一個(gè)基于擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)囊浑A復(fù)合閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)組控制保護(hù)電路自動(dòng)控制原理框圖，如圖3所示。

    圖中，輸入：系統(tǒng)輸入是控制面板上的(輸出調(diào)整)電位器產(chǎn)生的設(shè)置電壓Vs。輸出：系統(tǒng)輸出是機(jī)組發(fā)電機(jī)輸出電壓Vo。擾動(dòng)：系統(tǒng)擾動(dòng)包括機(jī)組發(fā)電機(jī)輸出電流變化、機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化、溫度變化和其他引起機(jī)組發(fā)電機(jī)輸出電壓變化的因素。其中機(jī)組發(fā)電機(jī)輸出電流，Io變化是主要外部擾動(dòng)信號(hào)。

2 改進(jìn)電路設(shè)計(jì)
    改進(jìn)電路設(shè)計(jì)采用A／D變換器對(duì)設(shè)置電壓Vs、輸出電壓Vo和發(fā)電機(jī)負(fù)載I／O進(jìn)行數(shù)字量化；采用MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；E2PROM完成參數(shù)保存。改進(jìn)的發(fā)電機(jī)組控制保護(hù)電路組成框圖，如圖4所示。

    由于發(fā)電機(jī)組為50 Hz交流輸出，為增加控制處理次數(shù)，必須采用全波整流方式。同時(shí)，為兼顧噪聲濾除和信號(hào)滯后，應(yīng)采用較小的整流濾波電容。

3 程序設(shè)計(jì)
    控制保護(hù)程序由A／D變換控制程序模塊、E2PROM讀／寫控制程序模塊、輸出保護(hù)程序模塊和PWM輸出控制程序模塊等組成。采用計(jì)算機(jī)程序控制后仍然是一個(gè)基于PWM控制模式的擾動(dòng)補(bǔ)償一階復(fù)合閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
    (1)A／D變換控制程序模塊。
    本設(shè)計(jì)采用了串行輸出A／D變換器。由MCU內(nèi)部定時(shí)器提供定時(shí)中斷，調(diào)用A／D變換控制程序模塊完成Vs、Vo和Io的數(shù)字量化。
    (2)E2PROM讀／寫控制程序模塊和輸出保護(hù)程序模塊。
    E2PROM讀／寫控制程序模塊讀出預(yù)置的數(shù)據(jù)，與A／D量化數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果滿足保護(hù)條件時(shí)調(diào)用輸出保護(hù)程序模塊以完成輸出保護(hù)控制。
    (3)PWM輸出控制程序模塊。
    PWM輸出控制程序模塊完成PWM時(shí)間調(diào)整控制，控制關(guān)系為：T=K1Vs+K2Io+K3△V。式中，T為勵(lì)磁繞組導(dǎo)通時(shí)間；Vs為設(shè)置電壓；Io為輸出電流值；△V為輸出電壓Vo變化值；K1，K2，K3為增益控制系數(shù)。
    Vs的A／D量化數(shù)據(jù)經(jīng)平滑濾波后與K1相乘得到基本輸出時(shí)間。
    為提高對(duì)輸出電流Io變化的控制響應(yīng)，Io的A／D量化數(shù)據(jù)經(jīng)平滑濾波后與K2相乘后作為附加調(diào)整時(shí)間直接加入到基本時(shí)間上，若△V處理可以滿足要求時(shí)，可取消Io處理。
    △V的處理是保證控制響應(yīng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?！鱒是本次Vo采樣數(shù)據(jù)與前次Vo采樣數(shù)據(jù)的代數(shù)差?！鱒數(shù)據(jù)經(jīng)平滑濾波后與K3相乘后作為附加調(diào)整時(shí)間與基本時(shí)間進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算得到最終PWM控制時(shí)間。
    系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性主要取決于增益控制系數(shù)K1，K2，K3。增益控制系數(shù)較小時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，加大增益控制系數(shù)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯提高。
    系統(tǒng)控制精度取決于A／D變換器動(dòng)態(tài)范圍。A／D變換器動(dòng)態(tài)范圍增大，系統(tǒng)控制精度提高，同時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性也將有所改善。由于本設(shè)計(jì)中采用8位MCU器件，A／D變換器動(dòng)態(tài)范圍增大后程序計(jì)算復(fù)雜度和程序運(yùn)行時(shí)間也隨之增加，因此需綜合考慮確定A／D變換器動(dòng)態(tài)范圍。

4 試驗(yàn)結(jié)果
    按照改進(jìn)方案設(shè)計(jì)了電原理圖、印制電路板和控制程序，并進(jìn)行了發(fā)電機(jī)組控制試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果和指標(biāo)如表1所示。

    對(duì)穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率和電壓波動(dòng)率進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，調(diào)整PWM最小調(diào)整值僅引起調(diào)整時(shí)間變化而不能改善電壓調(diào)整率指標(biāo)。分析確定為A／D變換器分辨力不夠。
    對(duì)瞬態(tài)電壓調(diào)整率和電壓變化時(shí)間進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，調(diào)整PWM最大調(diào)整值可明顯改善動(dòng)態(tài)控制特性，但同時(shí)引起穩(wěn)態(tài)特性變差。分析確定為除A／D變換器分辨力不夠外，系統(tǒng)控制關(guān)系中各項(xiàng)系數(shù)還應(yīng)做組合優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文所述的汽油發(fā)電機(jī)組控制與保護(hù)電路數(shù)字化改進(jìn)設(shè)計(jì)方案取得階段性成果。新設(shè)計(jì)的控制板實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制與保護(hù)功能，正在進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)以全面滿足技術(shù)指標(biāo)要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)措施如下：
    (1)增加A／D變換器動(dòng)態(tài)范圍，改善穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率和電壓波動(dòng)率指標(biāo)。
    (2)優(yōu)化穩(wěn)壓控制程序，提高電壓變化調(diào)整響應(yīng)速度。
    早期設(shè)計(jì)定型的中小功率發(fā)電機(jī)組的控制保護(hù)電路絕大部分采用模擬電路實(shí)現(xiàn)。因此，本文所述的汽油發(fā)電機(jī)組控制保護(hù)電路數(shù)字化改進(jìn)設(shè)計(jì)具有一定意義。