阅读说明：本技术 一种航空三级式发电系统电压稳定控制装置 (Voltage stabilization control device of aviation three-level power generation system ) 是由 韩坤 李伟林 王雨峰 董润 徐梓潇 杨敬儒 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种航空三级式发电系统电压稳定控制装置。采用数字式电压稳定装置设计,提升了电压稳定装置的精度和响应速度；利用两块不同类型的数字信号处理芯片,有效的发挥出了浮点算法和整形算法的优势；通过将调压和保护功能分离,有效提升了系统的可靠性和效率。对于DSP调压采用了实际发电系统的数据进行建模,由此就可以使得充分考虑了发电机系统自身干扰和延迟的情况下,获得最快的电压调节速度。而且在控制DSP中集成了故障识别模型,可以识别出故障产生的原因和快速的解决方式。(The invention relates to a voltage stabilization control device of an aviation three-level power generation system. The digital voltage stabilizing device design is adopted, so that the precision and the response speed of the voltage stabilizing device are improved; two different types of digital signal processing chips are utilized, so that the advantages of a floating point algorithm and a shaping algorithm are effectively exerted; by separating the voltage regulation function from the protection function, the reliability and the efficiency of the system are effectively improved. The DSP voltage regulation adopts data of an actual power generation system for modeling, so that the fastest voltage regulation speed can be obtained under the condition that self interference and delay of a generator system are fully considered. And moreover, a fault identification model is integrated in the control DSP, so that the cause of fault generation and a quick solution can be identified.)

一种航空三级式发电系统电压稳定控制装置

技术领域

本发明属于电气设备及电气工程领域，具体涉及一种应用于民用航空领域的高压变频交流三级式发电系统电压稳定控制装置。

背景技术

电压稳定控制装置，或称为发电机调压器(Generator Control Unit,GCU)，是机载电源系统的主控制器。目前，我国飞机电源系统采用的数字电压稳定控制装置主要是半数字式电压稳定控制装置。这种半数字式GCU以单片机为核心，集成了电源系统控制功能、电源系统实时保护功能、GCU自检测功能、GCU故障诊断隔离功能和上位机通讯功能等。这种以单片机为核心的电压稳定控制装置的性能受限于单片机芯片的机能，相比于数字信号处理芯片，首先，单片机在响应速度、可调用资源和精度等方面都处于劣势，其次，半数字GCU应用在动态特性较高的电压调节环境下需要借助模拟电路实现电压稳定功能；最后，由于半数字式 GCU需要借助外部模拟电路实现调压功能，这使得半数字式GCU在维护性、拓展性和可靠性方面都存在劣势，且存在自动化程度低和响应速度慢等缺点。这使得半数字GCU不再符合电压稳定控制装置设计的高精度、高速和高通用性的发展方向。

针对现有技术存在的问题，提出了以高性能的数字信号处理芯片(DigitalSignal Processor，DSP)为核心的新型全数字式GCU结构。这样的结构充分体现出DSP高速、高精度和高兼容性的特点，能够利用其强大的数字信号处理能力高速完成高精度复杂算法的运算。

DSP根据其运算的变量类型可分为浮点型DSP和定点型DSP。定点型DSP运算速度快，但是只能运算整型变量，精度较低；浮点型DSP能够运算浮点数，对复杂的浮点算法有很强的处理能力，精度高。基于以上芯片的特点，本专利提出了一种新型双DSP结构的电压稳定控制装置。这一结构的优点在于能够充分发挥不同种类DSP的优势，定点型DSP反应速度快，应用于保护和通信等精度要求不高但是对反应速度要求较高的功能的场景；而浮点型DSP则专注于利用复杂和精确的浮点算法实现电压稳定功能。

随着变频电源系统的逐步推广，传统的模拟式GCU和半数字式GCU已经无法适应变频电源系统的调压和保护需求。因而开发一种高精度快响应的数字式电压稳定装置是十分必要的。

“基于双DSP与FPGA的飞机发电机控制器的设计”，吴小华等，《计算机测量与控制》2009年，1123-1125公开了一种基于双DSP与FPGA的飞机发电机控制器，发电机控制器采用定点TMS320F2812和浮点TMS32OF28335构成双DSP处理器结构，并结合FPGA实现了控制保护和调压功能的独立工作，但是其设计仅仅给出了设计思路，没有具体的给出其监测的参数和调压的方法，且目前一般的调压控制方法都是数值分析型，即通过数值的运算得到所需控制的参数，智能性有待提高。

发明内容

针对上述内容，为解决上述问题提供一种航空三级式发电系统电压稳定控制装置，包括调压DSP和控制DSP；三级式发电系统包括永磁机、励磁机和主发电机；

本发明采用两块数字信号处理芯片，分别执行电压稳定功能和控制保护功能。称构成系统的两块数字信号处理芯片分别为调压DSP和控制DSP，且调压DSP必须是能够处理浮点数的浮点型DSP。

调压DSP采集主发电机三相电压的瞬时值、主发电机三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值和主发电机三相电压的频率；调压DSP通过主发电机三相电压的瞬时值、主发电机三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值和主发电机三相电压的频率计算系统当前主发电机三相电压有效值和主发电机三相电压频率；然后调压DSP通过调压算法向励磁机发送调压信号，使得三相输出电压在频率变化的系统中稳定在工作点处；

控制DSP采集三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值；控制DSP根据三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值计算计算出三相电源系统的零序分量、电压有效值和相序、各级电机的电流有效值、电机工作时的工作温度和实时工作频率；然后控制DSP对三相电源系统的零序分量、电压有效值和相序、各级电机的电流有效值、电机工作时的工作温度和实时工作频率进行分析，分析其是否处于安全阈值范围，如果参数超出安全阈值则控制DSP控制发电机激磁控制继电器 GCR、发电机电路断路器GCB和江流条联接断路器BTB关断。

装置还包括模拟信号调理模块、数字信号调理模块、励磁回路模块、电源模块；

模拟信号调理模块连接永磁机、励磁机和主发电机并获取主发电机三相电压的瞬时值、主发电机三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值、主发电机三相电压的频率、三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值的模拟信号；

模拟信号调理模块内置有电压调理、电流调理、整流滤波、频率调理、相序检测直流分量检测功能；

从主发电机采集的3路三相调压点电压被模拟信号调理单元经过电压调理和整流滤波后经过AD转换后发送至调压DSP作为主发电机三相电压的瞬时值；从主发电机采集的3路三相电枢电流和从励磁机采集的1路励磁电流被模拟信号调理单元经过电流调理后经过AD转换后发送至调压DSP作为主发电机三相电流的瞬时值和励磁机励磁电流瞬时值；从主发电机采集的3路三相调压点电压被模拟信号调理单元经过频率调理后经过eCAP捕获后发送至调压DSP 作为主发电机三相电压的频率；

调压DSP输出端连接励磁回路，想励磁回路发送调压信号，励磁回路根据调压信号控制励磁机的电流实现主发电机的调压控制。

从主发电机采集的3路三相调压点电压被模拟信号调理单元经过电压调理、直流分量检测和相序检测后经过AD转换后发送至控制DSP获得三相调压点电压；

采集的3路电枢电流、1路励磁电流和3路三相馈线电流被模拟信号调理单元经过电流调理后经过AD转换后发送至控制DSP作为三相电枢电流、励磁电流的瞬时值和三相馈线电流；

控制DSP的输出连接数字信号调理模块，数字信号调理模块控制发电机激磁控制继电器 GCR、发电机电路断路器GCB和江流条联接断路器BTB的通断。

电源模块通过三极式航空发电机的永磁机供电，或由系统外部供电。

调压DSP选用F28335型浮点数字信号处理芯片。控制DSP选用F2812型定点数字信号处理芯片。

装置的控制方法包括调压控制和保护控制两部分。

调压控制：

调压DSP获得主发电机三相电压的瞬时值U₁、主发电机三相电流的瞬时值I₁、励磁机励磁电流瞬时值I₂和主发电机三相电压的频率f₁、目标电压U₂；调压DSP内置调压模型，调压 DSP将主发电机三相电压的瞬时值U₁、主发电机三相电流的瞬时值I₁、励磁机励磁电流瞬时值I₂和主发电机三相电压的频率f₁、目标电压U₂输入调压模型，获得所需的调压变化电流dI，然后将dI发送给励磁回路，励磁回路控制励磁线圈的电流使得I₂’＝I₂+dI。

所述调压模型的建立方法为预先将一组电机三相电压的瞬时值U₁、主发电机三相电流的瞬时值I₁、励磁机励磁电流瞬时值I₂和主发电机三相电压的频率f₁、目标电压U₂加载于实际的发电系统中，然后给定一个dI，计算其从U₁变化到U₂的时间dt；

然后给定多组不同的dI，获得其对应的从U₁变化到U₂的时间dt。然后更换一组U₁、U₂、 I₁、I₂、f₁之后重复给定不同的dI，计算其从U₁变化到U₂的时间dt；

重复多组直到U₁、U₂、I₁、I₂、f₁覆盖了所需的范围，得到一个多维的数据矩阵，即每一组U₁、U₂、I₁、I₂、f₁和dI都对应一个dt，然后将U₁、U₂、I₁、I₂、f₁相同的情况下dt最小的那个dI保存为调压模型的输出。

保护控制：

控制DSP获得三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值，然后将其输入故障判断模型中，得到故障原因编码。

故障判断模型的建立方法为收集不同故障下三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值数据，并对故障进行一个编码；然后将三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号顺时值作为输入，故障编码作为输出建立神经网络模型，从而使得三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值输入后可以获得一个对应的相关性最高的故障编码，由此可以实现在进行了断路保护的情况下可以同时获得故障的编码。故障的编码有控制DSP计算得到后发送给显示装置进行显示。

本发明调压DSP，通过接收起动发电机的工作时的模拟信号，计算与调压功能相关的系统参数，并通过这些参数实现对机载电源系统电压和电流的稳定控制。采集的信号包括：三相电压的瞬时值、三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值和三相电压的频率等。通过这些采集信号能够计算出系统当前的三相电压有效值和三相电压频率，继而通过调压DSP的浮点算法即可控制三相输出电压在频率变化的系统中稳定在工作点处。

控制DSP，通过接收起动发电机工作时的模拟信号，计算与保护和通信功能有关的系统参数，并通过这些参数实现监控电压稳定控制装置和起动发电机及输电线路正常工作的功能。采集的信号包括三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值，起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值。这些信号采集后通过DSP内建算法，能够计算出三相电源系统的零序分量、电压有效值和相序，各级电机的电流有效值，电机工作时的工作温度和实时工作频率等系统参数。这些系统参数是DSP判断电源系统中是否存在故障的关键参数，一旦部分系统参数超过正常工作范围，控制DSP通过内建算法控制发电系统中的多个连接器停止发电，从而实现保护电力系统、稳定控制装置和起动发电机的功能。同时，控制DSP将发电机的工作状态传递至上位机，从而能够人为的实时监控发电系统和电压稳定装置的工作状态。

采用数字式电压稳定装置设计，提升了电压稳定装置的精度和响应速度；利用两块不同类型的数字信号处理芯片，有效的发挥出了浮点算法和整形算法的优势；通过将调压和保护功能分离，有效提升了系统的可靠性和效率。对于DSP调压采用了实际发电系统的数据进行建模，由此就可以使得充分考虑了发电机系统自身干扰和延迟的情况下，获得最快的电压调节速度。而且在控制DSP中集成了故障识别模型，可以识别出故障产生的原因和快速的解决方式。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为航空三极式发电机电压稳定装置整体结构示意图；

图2为调压DSP功能结构示意图；

图3为控制DSP功能结构示意图。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：

本实施例的电压稳定控制装置与三级式发电机信号连接方式如图1所示，基本功能如附图2和附图3所示，包括以下部分：

一种航空三级式发电系统电压稳定控制装置，包括调压DSP和控制DSP；三级式发电系统包括永磁机、励磁机和主发电机；

本发明采用两块数字信号处理芯片，分别执行电压稳定功能和控制保护功能。称构成系统的两块数字信号处理芯片分别为调压DSP和控制DSP，且调压DSP必须是能够处理浮点数的浮点型DSP。

调压DSP采集主发电机三相电压的瞬时值、主发电机三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值和主发电机三相电压的频率；调压DSP通过主发电机三相电压的瞬时值、主发电机三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值和主发电机三相电压的频率计算系统当前主发电机三相电压有效值和主发电机三相电压频率；然后调压DSP通过调压算法向励磁机发送调压信号，使得三相输出电压在频率变化的系统中稳定在工作点处；

控制DSP采集三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值；控制DSP根据三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值计算计算出三相电源系统的零序分量、电压有效值和相序、各级电机的电流有效值、电机工作时的工作温度和实时工作频率；然后控制DSP对三相电源系统的零序分量、电压有效值和相序、各级电机的电流有效值、电机工作时的工作温度和实时工作频率进行分析，分析其是否处于安全阈值范围，如果参数超出安全阈值则控制DSP控制发电机激磁控制继电器 GCR、发电机电路断路器GCB和江流条联接断路器BTB关断。

装置还包括模拟信号调理模块、数字信号调理模块、励磁回路模块、电源模块；

模拟信号调理模块连接永磁机、励磁机和主发电机并获取主发电机三相电压的瞬时值、主发电机三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值、主发电机三相电压的频率、三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值的模拟信号；

模拟信号调理模块内置有电压调理、电流调理、整流滤波、频率调理、相序检测直流分量检测功能；

从主发电机采集的3路三相调压点电压被模拟信号调理单元经过电压调理和整流滤波后经过AD转换后发送至调压DSP获得主发电机三相电压的瞬时值；从主发电机采集的3路三相电枢电流和从励磁机采集的1路励磁电流被模拟信号调理单元经过电流调理后经过AD转换后发送至调压DSP作为主发电机三相电流的瞬时值和励磁机励磁电流瞬时值；从主发电机采集的3路三相调压点电压被模拟信号调理单元经过频率调理后经过eCAP捕获后发送至调压DSP 作为主发电机三相电压的频率；

调压DSP输出端连接励磁回路，想励磁回路发送调压信号，励磁回路根据调压信号控制励磁机的电流实现主发电机的调压控制。

从主发电机采集的3路三相调压点电压被模拟信号调理单元经过电压调理、直流分量检测和相序检测后经过AD转换后发送至控制DSP获得三相调压点电压；

采集的3路电枢电流、1路励磁电流和3路三相馈线电流被模拟信号调理单元经过电流调理后经过AD转换后发送至控制DSP作为三相电枢电流、励磁电流的瞬时值和三相馈线电流；

控制DSP的输出连接数字信号调理模块，数字信号调理模块控制发电机激磁控制继电器 GCR、发电机电路断路器GCB和江流条联接断路器BTB的通断。

电源模块通过三极式航空发电机的永磁机供电，或由系统外部供电。

调压DSP选用F28335型浮点数字信号处理芯片。控制DSP选用F2812型定点数字信号处理芯片。

本发明调压DSP，通过接收起动发电机的工作时的模拟信号，计算与调压功能相关的系统参数，并通过这些参数实现对机载电源系统电压和电流的稳定控制。采集的信号包括：三相电压的瞬时值、三相电流的瞬时值、励磁机励磁电流瞬时值和三相电压的频率等。通过这些采集信号能够计算出系统当前的三相电压有效值和三相电压频率，继而通过调压DSP的浮点算法即可控制三相输出电压在频率变化的系统中稳定在工作点处。

控制DSP，通过接收起动发电机工作时的模拟信号，计算与保护和通信功能有关的系统参数，并通过这些参数实现监控电压稳定控制装置和起动发电机及输电线路正常工作的功能。采集的信号包括三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值，起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值。这些信号采集后通过DSP内建算法，能够计算出三相电源系统的零序分量、电压有效值和相序，各级电机的电流有效值，电机工作时的工作温度和实时工作频率等系统参数。这些系统参数是DSP判断电源系统中是否存在故障的关键参数，一旦部分系统参数超过正常工作范围，控制DSP通过内建算法控制发电系统中的多个连接器停止发电，从而实现保护电力系统、稳定控制装置和起动发电机的功能。同时，控制DSP将发电机的工作状态传递至上位机，从而能够人为的实时监控发电系统和电压稳定装置的工作状态。

本装置使用的电源可以通过三极式航空发电机的永磁机提供，或由系统外部电源提供。三极式发电机永磁机三相电压接触器为GCR，主发电机三相电压输出接触器为GCB，电源与电网间的主接触器为BTB。

调压DSP选用F28335型浮点数字信号处理芯片。其功能由附图2所示，通过采集8路模拟信号，完成当前系统发电状态数据采集，并以此为依据利用内置浮点算法计算出输出控制信号，完成电压的稳定控制。

控制DSP选用F2812型定点数字信号处理芯片。其功能由附图3所示，通过采集12路与当前发电状态相关的数字和模拟信号，完成电源系统自检测、故障识别和隔离及通信功能，并在触发故障保护功能时，控制GCR、GCB和BTB关断，防止故障对设备造成不可逆破坏。

实施例2：

本实施例针对本发明装置的控制方法进行进一步的说明。控制方法包括调压控制和保护控制两部分。

调压控制：

调压DSP获得主发电机三相电压的瞬时值U₁、主发电机三相电流的瞬时值I₁、励磁机励磁电流瞬时值I₂和主发电机三相电压的频率f₁、目标电压U₂；调压DSP内置调压模型，调压 DSP将主发电机三相电压的瞬时值U₁、主发电机三相电流的瞬时值I₁、励磁机励磁电流瞬时值I₂和主发电机三相电压的频率f₁、目标电压U₂输入调压模型，获得所需的调压变化电流dI，然后将dI发送给励磁回路，励磁回路控制励磁线圈的电流使得I₂’＝I₂+dI。

所述调压模型的建立方法为预先将一组电机三相电压的瞬时值U₁、主发电机三相电流的瞬时值I₁、励磁机励磁电流瞬时值I₂和主发电机三相电压的频率f₁、目标电压U₂加载于实际的发电系统中，然后给定一个dI，计算其从U₁变化到U₂的时间dt；

然后给定多组不同的dI，获得其对应的从U₁变化到U₂的时间dt。然后更换一组U₁、U₂、 I₁、I₂、f₁之后重复给定不同的dI，计算其从U₁变化到U₂的时间dt；

重复多组直到U₁、U₂、I₁、I₂、f₁覆盖了所需的范围，得到一个多维的数据矩阵，即每一组U₁、U₂、I₁、I₂、f₁和dI都对应一个dt，然后将U₁、U₂、I₁、I₂、f₁相同的情况下dt最小的那个dI保存为调压模型的输出。

由此就可以使得充分考虑了发电机系统自身干扰和延迟的情况下，获得最快的电压调节速度。

保护控制：

控制DSP获得三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值，然后将其输入故障判断模型中，得到故障原因编码。

故障判断模型的建立方法为收集不同故障下三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值数据，故障类型包括散热系统故障、保护器故障、机轴磨损过度、绕组短路等类型。

并对故障进行一个编码；然后将三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号顺时值作为输入，故障编码作为输出建立神经网络模型，从而使得三相调压点电压、三相电枢电流、三相馈线电流和励磁电流的瞬时值、起动发电机的温度采集信号和永磁机电压信号瞬时值输入后可以获得一个对应的相关性最高的故障编码，由此可以实现在进行了断路保护的情况下可以同时获得故障的编码。故障的编码有控制DSP计算得到后发送给显示装置进行显示。每个故障编码中对应保存有故障产生的原因和解决的方法，一并显示在显示装置上。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。