阅读说明：本技术 一种航空交流发电机电压数字综合控制方法 (Digital comprehensive control method for voltage of aviation alternating-current generator ) 是由 向子琦 秦昌立 魏佳丹 张卓然 杨善水 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种航空交流发电机电压数字综合控制方法,其特征在于：在发电机初始建压过程中,发电机电压给定为从0上升的斜坡电压,直接采用开环控制,检测并判断励磁电流输出能力和发电机发电能力是否正常,正常则继续工作,故障则停止工作；当发电机给定电压值达到恒定给定值后,进入双电压闭环控制,结合负载电流前馈控制、负载电流负反馈控制、励磁电流限制控制和励磁电源电压前馈控制,实现发电机输出电压的数字综合控制。本发明能够提高发电设备可靠性,提高发电系统输出电压的动态响应速度以及稳态控制精度及抗干扰能力。(The invention discloses a voltage digital comprehensive control method of an aviation alternating-current generator, which is characterized by comprising the following steps of: in the initial voltage building process of the generator, the voltage of the generator is given as a slope voltage rising from 0, open loop control is directly adopted, whether the output capacity of the exciting current and the generating capacity of the generator are normal or not is detected and judged, if the output capacity of the exciting current and the generating capacity of the generator are normal, the generator continues to work, and if the output capacity of the generator fails, the generator stops working; when the given voltage value of the generator reaches a constant given value, double-voltage closed-loop control is performed, and digital comprehensive control of the output voltage of the generator is realized by combining load current feedforward control, load current negative feedback control, exciting current limit control and exciting power supply voltage feedforward control. The invention can improve the reliability of the power generation equipment, and improve the dynamic response speed of the output voltage of the power generation system, the steady-state control precision and the anti-interference capability.)

一种航空交流发电机电压数字综合控制方法

技术领域

本发明涉及一种航空三级式永磁同步电机发电系统的调压控制方法优化，属于航空发电技术领域。

背景技术

目前现有装机量产航空发电机电压调节器产品仍然以模拟电路电压调节为主。模拟电路调压器主要由模拟电路组成，存在模拟电路固有的缺点，如调整参数困难，不易获得对各种状态均适合的电路参数，不易实现复杂的控制规律等。

随着新技术的发展，航空发电机转速范围增大、负载功率变化范围增大、电子负载增多导致谐波含量增大，模拟电压调节器反应速度慢，稳态和动态性能差，难以满足航空电源系统发展的需要。

本发明提出将数字控制技术应用到飞机发电机控制系统中，构成发电机数字电压调节器。在数字调压器中采用多反馈变量、多控制规律的综合控制策略，提高系统的响应速度，提高飞机发电系统的动态和稳态性能。

发明内容

发明目的：

本发明的目的在于提高发电设备可靠性，提高发电系统输出电压的动态响应速度以及稳态控制精度及抗干扰能力。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种航空交流发电机电压数字综合控制方法，其特征在于：

在发电机初始建压过程中，发电机电压给定为从0上升的斜坡电压，直接采用开环控制，检测并判断励磁电流输出能力和发电机发电能力是否正常，正常则继续工作，故障则停止工作；

当发电机给定电压值达到恒定给定值后，进入双电压闭环控制，结合负载电流前馈控制、负载电流负反馈控制、励磁电流限制控制和励磁电源电压前馈控制，实现发电机输出电压的数字综合控制。

本发明方法是综合了发电机电压分阶段控制、双电压闭环控制、负载电流前馈、负载电流负反馈、励磁电源电压前馈、励磁电流限制的发电机电压数字综合调压及控制方法。

当发电机电压给定值小于恒定电压给定时，在建压过程中上引入开环控制，不进行电压环PI控制，直接使用给定电压前馈量输出控制，同时给定电压斜坡递增直致恒定给定值，并在此开环控制过程中，判断励磁电流输出能力和发电机发电能力是否正常，若此过程发电异常，则停止发电，系统进入故障模式；若系统正常，则开环建压完成，系统执行正常发电控制，避免电压闭环PI调节算法对系统建压和状态检测检测的影响；

当发电机电压达到恒定给定值后，采取了双电压环闭环控制算法，交流发电机的电压调节由慢速电压闭环和快速电压闭环两部分组成，给定电压与交流发电机输出电压有效值反馈做差比较之后经过PI调节器作为慢速电压闭环调节，给定电压与交流发电机输出电压瞬时值反馈做差比较之后经过PI调节器作为快速电压闭环调节，慢速电压闭环调节输出叠加到快速电压闭环调节，实现双电压环PI调节，实现对快速电压环的修正给定补偿，结合负载电流和给定电压前馈的补偿方式，改善PI调节的调节深度，优化PI控制算法，实现交流发电机电压调节的高稳定精度和快速动态响应。

慢速电压闭环控制：交流发电机输出电压通过滑窗算法计算得到的真有效值作为反馈电压，与给定电压做差后进行外部慢速电压闭环PI调节，其输出作为内部快速电压环PI调节器的修正补偿量，由于真有效值闭环控制可以使得发电机输出电压更接近真实电压有效值，提高快速电压环的调节的发电机输出电压稳态精度。

快速电压闭环控制：交流发电机输出电压采样其三相电压的最大值，折算后得到三相电压有效值，与给定电压做差后进行内部快速电压闭环PI调节，由于采用等效瞬时电压值作为反馈信号，可快速跟踪发电机输出电压的变化，从而提高系统的快速响应。

负载电流的控制：当负载电流小于等于两倍过载电流时，控制发电机恒压输出，负载电流作为前馈，可对负载的变化导致的发电电压变化进行的提前控制，达到能从负载突变中快速退饱和的效果，减小电压环PI调节器的饱和深度，提高系统响应速度；提高系统抗干扰能力，减弱扰动量对系统输出产生的影响。当负载电流大于两倍过载电流时，进行下垂控制，负载电流负反馈，控制发电机恒功率输出，进而确保系统正常工作，提高系统可靠性。

励磁电源电压前馈控制：在初始建压过程中，采取励磁电源电压前馈，控制发电输出从0到恒定给定值的斜坡电压，可提高系统响应速度，减小建压完成时的双环电压环PI的作用深度。在建压完成后，进行数字电压调节综合控制，采取励磁电源电压前馈，可在一定程度上消除永磁机整流后的励磁电源电压波动的影响，提高系统调压的稳态精度。

励磁电流限流控制：实时检测励磁电流，若励磁电流大于最大阈值，则对励磁电流限流输出，提高系统可靠性；若励磁电流小于最小阈值，则结合发电机输出电压进行判断系统工作是否正常，若存在异常，则进入故障模式，停止发电，进而确保系统正常工作，提高系统可靠性。通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1.本发明提供的综合策略调压技术，使用先经过开环控制输出较小励磁电流进行建压过程，再闭环调制电压，在开环建压过程中实时检测并判断系统是否可正常发电，若此过程系统工作异常，则停止发电。可避免发电系统异常在闭环调制输出大的励磁电流造成的危害。

2.本发明提供的综合策略调压技术，使用双电压环PI算法，快速电压环可快速跟踪发电机输出电压的变化，从而提高系统的快速响应。慢速电压环实现对快速电压环的修正给定补偿，保证采样数据的真实性，减小控制环路的稳态静差，提高系统调压的稳态精度。

3.本发明提供的综合策略调压技术，引入负载电流控制量，当负载电流小于等于两倍过载电流时，控制发电机恒压输出，作为负载电流前馈，减小PI环节的调节深度，有助于加快退饱和。当负载电流大于两倍过载电流时，负载电流作为负反馈，控制发电机恒功率输出，进而确保系统正常工作，提高系统可靠性。

4.本发明提供的综合策略调压技术，引入励磁电源电压前馈控制量，在初始建压过程中，控制发电输出从0到恒定给定值的斜坡电压，可提高系统响应速度，减小建压完成时的双环电压环PI的作用深度。在建压完成，进行数字电压调节综合控制，可在一定程度上消除永磁机整流后的励磁电源电压波动的影响，提高系统调压的稳态精度。

5.本发明提供的综合策略调压技术，引入励磁电流控制算法，实时检测励磁电流，若励磁电流过大，则对励磁电流限流输出，提高系统可靠性；若励磁电流过小，则结合发电机输出电压进行判断系统工作是否正常，若存在异常，则进入故障模式，停止发电，进而确保系统正常工作，提高系统可靠性。

附图说明

图1为本发明的发电系统结构框图。

图2为本发明的发电调压系统控制结构方案。

图3为本发明的发电机电压数字综合控制策略框图。

图4为本发明的负载电流控制框图。

图5为本发明的发电机电压数字综合控制策略工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图，以三级式同步发电机的系统为例，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，发电机控制器的控制对象为一个三级式同步发电机，控制系统由应急电源和三级式电机的永磁机整流后经电源模块给控制器提供电源。DSP28335实时检测发电使能/复位信号、发电机电压、发电机电流、励磁电源电压、励磁电流等数据，当检测到发电使能有效时,控制GCR继电器闭合，初始时发电机电压给定为从0到115V(恒定给定值可以根据实际情况设定，飞机上发电机调压点为115V)的斜坡电压，进行开环控制，判断励磁电流输出能力和发电机发电能力是否正常，若此过程发电异常，则停止发电，系统进入故障模式；若系统正常，系统执行正常发电控制，当发电机电压给定值等于稳定值115V时，则开环建压完成，进行快速电压闭环PI控制，再加上负载电流前馈、负载电流限制、励磁电流限制和励磁电源电压前馈等算法，构成发电机电压数字综合控制，控制主接触器GCB，使发电系统能安全接入和退出供电网。

如图2所示，系统实时检测发电机电压、发电机电流、励磁电源电压、励磁电流等数据，由给定电压115V通过发电机电压分阶段控制、双电压闭环控制、负载电流前馈、负载电流负反馈、励磁电源电压前馈、励磁电流限制等算法，获取的励磁电源电压控制量与励磁电源电压值的比值，即PWM导通比，通过斩波器控制功率电路，实现励磁绕阻上的励磁电压调节器，从而实现励磁机快速充磁以及退磁功能，进而实现对发电机输出电压调压的功能。

如图3所示，发电机电压数字综合控制方法主要采取发电机电压分段控制、双电压闭环控制、负载电流前馈、负载电流负反馈、励磁电源电压前馈、励磁电流限制等综合控制策略。

(1)发电机电压分阶段控制

当发电机电压给定值小于恒定电压给定值时，在建压过程中上引入开环控制，不进行电压环PI控制，直接使用给定电压前馈量输出控制，同时给定电压斜坡递增直致恒定给定值，并在此开环控制过程中，判断励磁电流输出能力和发电机发电能力是否正常，若此过程发电异常，则停止发电，系统进入故障模式；若系统正常，则开环建压完成，系统执行正常发电控制，避免电压闭环PI调节算法对系统建压和状态检测检测的影响；

(2)双电压闭环控制

当给定电压恒定为115V时，使用双电压PID算法，快速电压环PI算法可提高系统的快速响应，慢速电压环PI算法可保证采样数据的真实性，从而实现系统减小控制环路的稳态静差，提高系统调压的稳态精度。

快速电压环PI算法，给定电压与外部A/D读取的发电机三相电压中最大值的等效瞬时电压值进行PI算法，由于等效瞬时电压值作为反馈信号，可更快反映发电机电压值变化，从而提高系统的快速响应。由于驱动频率为5kHz，因此快速电压环算法周期为2ms。

慢速电压环PI算法，给定电压与通过滑窗算法计算得到的真有效值作为反馈电压进行外环PI算法，更接近真实电压值，可实现对快速电压环PI的修正给定补偿，从而提高稳态控制精度。滑窗算法计算获取真有效值时间最少需要160ms，因此慢速电压环PI算法周期为200ms。

两组电压环PI参数采取积分限幅的方法实现快速抗饱和，并且分别使用两组PI参数：当给定值与实际值之间误差大时，比例环节加强，积分环节减弱，快速响应误差，可加快调节减少误差。当给定值与实际值之间误差小时，积分环节加强，比例环节减弱，实现快速退饱和，避免出现较大超调和振荡。

(3)负载电流控制

由于负载电流的变化会导致发电机电压的变化，因此，当负载电流小于等于两倍过载电流时，本系统引入负载电流前馈，控制发电机恒压输出，负载电流作为前馈，可对负载的变化导致的发电电压变化进行提前控制，实现预测控制，可减小电压环PI调节器的饱和深度，提高系统抗干扰能力，减弱扰动量对系统输出产生的影响。如图3所示，Kl为负载电流的补偿因子，可通过开环实验整定。

如图4所示，当负载电流大于两倍过载电流时，进行下垂控制，负载电流作为负反馈，控制发电机恒功率输出，进而确保系统正常工作，提高系统可靠性。

(4)励磁电源电压前馈

如图3所示，Kf为给定电压的补偿因子，其值通过开环实验获取，给定前馈补偿控制量相当于空载时需要的励磁电压控制量，开环建压过程作为励磁电源电压前馈补偿，控制发电输出从0到115V的斜坡电压，可提高系统响应速度，减小建压完成时的双环电压环PI的作用深度。在建压完成后，进行数字电压调节综合控制，可在一定程度上消除永磁机整流后的励磁电源电压波动的影响，提高系统调压的稳态精度。

(5)励磁电流限流

如图3所示，实时检测励磁绕阻上的电流Ie，若励磁电流大于5A，则对励磁电流限流输出，提高系统可靠性；若励磁电流小于0.1A，则结合发电机输出电压进行判断系统工作是否正常，若存在异常，则进入故障模式，停止发电，进而确保系统正常工作，提高系统可靠性。

如图5所示，发电机电压数字综合控制策略工作流程图，主要检测发电使能开关进行发电控制，当发电使能开关为复位时，不进行发电控制；当发电使能开关为使能发电时，发电机电压分阶段控制。初始建压过程中发电机电压给定为从0上升的斜坡电压，控制策略为直接采用开环控制，开环建压控制给定值为空载时需要的励磁电源电压控制量，检测并判断励磁电流输出能力和发电机发电能力是否正常，正常则继续工作，故障则停止工作。当发电压给定值等于恒定115V，开始执行双电压闭环控制、负载电流前馈、负载电流负反馈、励磁电源电压前馈、励磁电流限制等算法进行发电机电压数字综合控制，实现发电机电压的调制，即调压器通过改变串接在励磁绕组中的功率MOS管T1和T2的导通比来调节发电机励磁电流，使系统发电机电压稳定在115V，从而实现提高发电系统可靠性、输出电压的动态响应速度、稳态控制精度及抗干扰能力的目的。