阅读说明：本技术 一种电力电子技术实现的取力车载电源 (Power take-off vehicle-mounted power supply realized by power electronic technology ) 是由 何超 王潞钢 姜涛 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：一种电力电子技术实现的取力车载电源,包括整流二极管、直流电容、逆变电路、控制器和励磁电源；整流二极管接收发电机发出的交流电,将其整流成带脉动的直流电输出给直流电容；直流电容对带脉动的直流电进行滤波处理,得到平直的直流电输出给逆变电路；逆变电路在控制器的控制下,将平直的直流电逆变成稳定的交流电,供负载使用；控制器实时采集各部分的输出,向励磁电源发送励磁电流输出指令,以使发电机发出的交流电电压保持稳定；励磁电源向发电机输出调节后的励磁电流。本发明体积和重量明显减小,提高了控制快速性和管道柔性,安装简单,不需要定期维护。(A power take-off vehicle-mounted power supply realized by power electronic technology comprises a rectifier diode, a direct current capacitor, an inverter circuit, a controller and an excitation power supply; the rectifier diode receives alternating current generated by the generator, rectifies the alternating current into direct current with pulsation and outputs the direct current to the direct current capacitor; the direct current capacitor carries out filtering processing on the direct current with the pulsation to obtain straight direct current and outputs the straight direct current to the inverter circuit; the inverter circuit inverts the straight direct current into stable alternating current for load use under the control of the controller; the controller collects the output of each part in real time and sends an exciting current output instruction to an exciting power supply so as to keep the alternating current voltage sent by the generator stable; the excitation power supply outputs the adjusted excitation current to the generator. The invention has the advantages of obviously reduced volume and weight, improved control rapidity and pipeline flexibility, simple installation and no need of regular maintenance.)

一种电力电子技术实现的取力车载电源

技术领域

本发明涉及一种电力电子技术实现的取力车载电源，属于车载供电领域。

背景技术

车载电源是一种典型的军民结合的产品。在导弹发射车和大型工程机械车，甚至民用卡车上，要带大功率的380V的三相负载，需要大功率的380V的三相电源。在汽车上增加一个柴油发电机会导致成本增加、维护复杂，已经是一种过时的方案。较为合理的方式是将发电机直接接到汽车发动机上，但这样又产生一个新的问题，发动机的转速在加减速的过程中，转速是急剧变化的，范围还很宽，有好几倍的差距，发电机的输出电压和频率会有几倍变化，对于用电器来说根本就不可接受。输出必须加稳压稳频率装置。传统的方法是用液压传动加上液压马达再带动发电机，如图1所示，发动机上同轴安装液压泵，通过液压油路传到后面的液压马达上，液压马达带动发电机发电。液压马达上安装控制器，根据输出电压来进行闭环控制，使液压马达输出转速基本稳定，达到稳定输出电压的。该技术所存在的问题是体积和重量都大，路管道柔性不够，安装复杂，为了换油以及防止漏油，需要定期维护。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种电力电子技术实现的取力车载电源，体积和重量明显减小，提高了控制快速性和管道柔性，安装简单，不需要定期维护。

本发明的技术解决方案是：

一种电力电子技术实现的取力车载电源，包括整流二极管、直流电容、逆变电路、控制器和励磁电源；

整流二极管：接收发电机发出的交流电，将其整流成带脉动的直流电，输出给直流电容；

直流电容：对接收的带脉动的直流电进行滤波处理，得到平直的直流电，输出给逆变电路；

逆变电路：在控制器的控制下，将平直的直流电逆变成稳定的交流电，供负载使用；

控制器：实时采集发电机发出的交流电电压、直流电容输出给逆变电路的直流电电压、负载电流以及励磁电源输出给发电机的励磁电流，监测上述两个电压的变化趋势，根据变化趋势向励磁电源发送励磁电流输出指令，以使发电机发出的交流电电压保持稳定；控制逆变电路将平直的直流电逆变成稳定的交流电；

励磁电源：根据控制器发送的励磁电流输出指令，向发电机输出调节后的励磁电流。

控制器采用双闭环控制方式获得励磁电流输出指令，所述双闭环包括内环和外环，其中内环是励磁电流环，外环是交流电压环/直流电压环，具体控制方式如下：

(1)控制器实时采集发电机发出的交流电电压、直流电容输出给逆变电路的直流电电压以及励磁电源输出给发电机的励磁电流，根据发电机发出的交流电电压、直流电容输出给逆变电路的直流电电压和负载电流，对外环进行PID控制，向内环输出励磁电流调节指令；

(2)控制器根据励磁电流调节指令和励磁电源输出给发电机的实时励磁电流，对内环进行PI控制，得到励磁电源的占空比指令，励磁电源根据所述占空比指令向发电机输出相应的励磁电流。

控制器根据负载大小选择外环为交流电压环或直流电压环，当外环为交流电压环时，控制器根据发电机发出的交流电电压，对外环进行PID控制；当外环为直流电压环时，控制器根据直流电容输出给逆变电路的直流电电压，对外环进行PID控制。

控制器选择外环为交流电压环或直流电压环的方式如下：

(s1)控制器根据发电机发出的交流电电压和负载电流，获得负载瞬时功率P，计算公式如下：

P＝ua*ia+ub*ib+uc*ic

其中，ua、ub、uc分别为发电机发出的三相交流电电压瞬时值，ia、ib、ic分别为负载的三相负载电流瞬时值。

(s2)当P低于车载电源总功率的5％时，认为负载为小功率负载，控制器选择外环为交流电压环；当P不低于车载电源总功率的5％时，认为负载为大功率负载，控制器选择外环为直流电压环。

当负载变化时，控制器采用滞环控制实现外环在交流电压环和直流电压环之间切换，避免频繁切换引来抖动，滞环控制切换方法如下：

当负载功率P由小变大时，当P＝车载电源总功率的5％时，从交流电压环切换到直流电压环；

当负载功率P由大变小时，当P＝车载电源总功率的6％时，从直流电压环切换到交流电压环。

当负载变化时，控制器采用如下方式实现外环在交流电压环和直流电压环之间的平稳切换：

在切换之前将当前工作的电压环PI控制器的积分值经过交流-直流或直流-交流的量纲转换后，赋值给对方电压环PI控制器。这样切换后PID控制器不会进行大范围调节，保证切换的平稳性。

控制器向逆变电路发送三相SPWM和三次谐波，逆变电路在三相SPWM和三次谐波控制下，将平直的直流电逆变成稳定的交流电。

控制器对逆变器逆变形成的三相交流电，分别进行PI控制，然后输出给负载，所述PI控制的输出限幅为5％。

控制器对发送给逆变电路的三相SPWM和三次谐波进行死区补偿，补偿策略如下：

原信号*补偿系数＝补偿后的信号

补偿系数从过零点到顶点逐渐变大，从顶点到过零点逐渐变小，顶点处的补偿系数为1，过零点的补偿系数＝1+死区/开关周期。

励磁电源由桥式电路和直流支撑电容并联组成，输入为80V直流电源，桥式电路由4个MOS管和4个二极管构成。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明应用电力电子设备，通过发电机的励磁及双外环控制来稳定输出电压，取消液压系统，体积和重量大大减小。输出功率同样是30KW，重量减少到原来的1/2。

(2)本发明相较于液压系统，管道采用电缆实现，不需要换油和防止漏油，提高了控制快速性和管道柔性，安装简单，不需要定期维护。

(3)本发明励磁电源输出不需加电感，因为发电机的励磁回路本身就是一个大的电感。大电感会造成励磁电流的响应变慢，本发明应用桥式电路，在控制器的控制下可以打开反向通路，产生反向电流，从而使输出电流迅速减小，提高了励磁电流的快速响应能力。

(4)外环控制如果用交流电压，计算有效值滞后较大，需要引用直流电压，构成双外环控制，提高车载电源运行的快速性和稳定性。

附图说明

图1为液压取力车载电源原理图；

图2为本发明电力电子技术实现的取力车载电源原理图；

图3为励磁电源示意图；

图4为本发明实施例中双闭环控制框图；

图5为本发明实施例中双外环切换示意图；

图6为本发明实施例的补偿示意图。

具体实施方式

本发明为直连汽车发动机的车载电源。为了取代以前的液压系统方案而设计。汽车发动机的转速有数倍的转速范围，直连发电机电压和频率会有数倍的变化，不能直接用，本发明通过控制励磁来稳定输出的交流电压。在励磁内环的基础上，特别使用了直流电压和交流电压的双外环控制。

本发明采取快速调节励磁来稳定电压、交直交逆变来稳定频率。调节励磁需要用双闭环来控制励磁电流。内环是励磁电流环，外环是交流电压环(或者直流电压环)。交流电压检测有效值是很慢的，不适合用作快速励磁系统。这里引入直流电压作为外环的反馈值，以稳定直流电压为目标。由于本发明前级是纯二极管整流，直流电压与交流电压是完全的对应关系，以稳定直流电压为目标是完全达到起到稳定交流电压的目的。但是没有负载或负载比较小的时候，大容量的直流支撑电容里的电没有负载来消耗，当交流电压下降了，直流电压不能很好的反应出来，造成调节的失灵，所以轻载时只能使用交流电压外环。所以车载电源需要使用双外环来控制。而双外环的切换就至关重要，如果冲击过大，就会跳机，特别是轻载时频繁切换时。本发明采用了特殊的机制来保证双外环的平稳切换，保护了快速励磁系统的运行。

具体地，本发明电力电子技术实现的取力车载电源，如图2所示，包括整流二极管、直流电容、逆变电路、控制器和励磁电源。

整流二极管：接收发电机发出的交流电，将其整流成带脉动的直流电，输出给直流电容；

直流电容：对接收的带脉动的直流电进行滤波处理，得到平直的直流电，输出给逆变电路；

逆变电路：在控制器的控制下，将平直的直流电逆变成稳定的交流电，供负载使用；

控制器：实时采集发电机发出的交流电电压、直流电容输出给逆变电路的直流电电压、负载电流以及励磁电源输出给发电机的励磁电流，监测上述两个电压的变化趋势，根据变化趋势向励磁电源发送励磁电流输出指令，以使发电机发出的交流电电压保持稳定；控制逆变电路将平直的直流电逆变成稳定的交流电；

励磁电源：根据控制器发送的励磁电流输出指令，向发电机输出调节后的励磁电流。

控制器采用双闭环控制方式获得励磁电流输出指令，双闭环包括内环和外环，其中内环是励磁电流环，外环是交流电压环/直流电压环，具体控制方式如下：

(1)控制器实时采集发电机发出的交流电电压、直流电容输出给逆变电路的直流电电压以及励磁电源输出给发电机的励磁电流，根据发电机发出的交流电电压、直流电容输出给逆变电路的直流电电压和负载电流，对外环进行PID控制，向内环输出励磁电流调节指令；

(2)控制器根据励磁电流调节指令和励磁电源输出给发电机的实时励磁电流，对内环进行PI控制，得到励磁电源的占空比指令，励磁电源根据所述占空比指令向发电机输出相应的励磁电流。

控制器根据负载大小选择外环为交流电压环或直流电压环：

控制器根据发电机发出的交流电电压和负载电流，获得负载瞬时功率P，计算公式如下：

P＝ua*ia+ub*ib+uc*ic

其中，ua、ub、uc分别为发电机发出的三相交流电电压瞬时值，ia、ib、ic分别为负载的三相负载电流瞬时值。

当P低于车载电源总功率的5％时，认为负载为小功率负载，控制器选择外环为交流电压环；当P不低于车载电源总功率的5％时，认为负载为大功率负载，控制器选择外环为直流电压环。

当外环为交流电压环时，控制器根据发电机发出的交流电电压，对外环进行PID控制；当外环为直流电压环时，控制器根据直流电容输出给逆变电路的直流电电压，对外环进行PID控制。

当负载变化时，控制器采用滞环控制实现外环在交流电压环和直流电压环之间切换，避免频繁切换引来抖动，滞环控制切换方法如下：

当负载功率P由小变大时，当P＝车载电源总功率的5％时，从交流电压环切换到直流电压环；

当负载功率P由大变小时，当P＝车载电源总功率的6％时，从直流电压环切换到交流电压环。

当负载变化时，控制器采用如下方式实现外环在交流电压环和直流电压环之间的平稳切换：

在切换之前将当前工作的电压环PI控制器的积分值经过交流-直流或直流-交流的量纲转换后，赋值给对方电压环PI控制器。这样切换后PID控制器不会进行大范围调节，保证切换的平稳性。

控制器向逆变电路发送三相SPWM和三次谐波，逆变电路在三相SPWM和三次谐波控制下，将平直的直流电逆变成稳定的交流电。

控制器对逆变器逆变形成的三相交流电，分别进行PI控制，然后输出给负载，PI控制的输出限幅为5％。

控制器对发送给逆变电路的三相SPWM和三次谐波进行死区补偿，补偿策略如下：

原信号*补偿系数＝补偿后的信号

补偿系数从过零点到顶点逐渐变大，从顶点到过零点逐渐变小，顶点处的补偿系数为1，过零点的补偿系数＝1+死区/开关周期。

如图3所示，励磁电源由桥式电路和直流支撑电容并联组成，输入为80V直流电源，桥式电路由4个MOS管和4个二极管构成。

实施例：

车载电源控制器用TI的DSP芯片TMS320F28335，它控制所有的开关逻辑及PWM输出，包括励磁电源的PWM输出。前级是整流及励磁电源，它控制发电机的端电压及不可控整流；后级是逆变，将直流电压逆变成380V的三相交流电输出给负载。励磁电源的直流输入由发电机同轴的发电机提供，经过一个稳压电源稳定在80V，再经过励磁的桥式电路，输出受控的电流提供给发电机，使发电机输出端电压稳定在440V。这样有60V的调节空间。

发电机在低转到500转、高转速3000转时都可以加相应的励磁电流，输出440V的端电压。发电机内的励磁系统大致保持线性关系，这样最高与最低的励磁电流相差6倍。最高转速时励磁电流设定为6A，最低转速时设定1A。空载时大约是三分之一的电流，即最低0.33A的励磁电流，对于发电机和励磁电源来说都是比较合适的。

励磁电源由耐压200V的4个MOS管和4个二极管组成桥式电路，然后与直流支撑电容并联形成，输出不需加电感，因为发电机的励磁回路本身就是一个大的电感。本实施例中发电机的励磁电感是0.3mH。大电感会造成励磁电流的响应变慢，解决方法一是提高励磁直流输入电压，本实施例中设计直流电压是80V。另一方法是合理设计控制器，仔细调试得出最优参数。通过仿真波特图，在给出适当稳定裕度的条件下，找出最快的一组参数。再配合突减负载的变参数设计，达到快速励磁的目标。

由励磁电流内环和交流电压外环(或者直流电压外环)构成双闭环控制系统。交流外环的给定值设为440V，经过PI控制器后输出给内环，作为内环的给定，内环的反馈是励磁电流，再经过PI输出给励磁电源桥式电路MOS管PWM信号，控制励磁电流，进而控制发电机的输出端电压。直流电压作为外环的时候，给定值是440V*1.414即622V，然后同上面控制流程控制发电机。双闭环控制框图如图4所示。

交流电压外环和直流电压外环按负载大小来互相切换，当功率小于1.5KW时，交流电压外环工作，当功率大于1.5KW时，直流电压环工作。为避免频繁切换，引来抖动，做了0.3KW滞环控制。外环平稳切换技术如下：在切换之前将当前工作的电压环PI控制器的积分值经过交流-直流或直流-交流的量纲转换后，赋值给对方电压环PI控制器。这样切换后PID控制器不会进行大范围调节，保证切换的平稳性。双外环切换示意图如图5所示。

控制器向逆变电路发送三相SPWM和三次谐波，逆变电路在三相SPWM和三次谐波控制下，将平直的直流电逆变成稳定的交流电，增加15％的直流利用率。为精确控制输出电压，达到较高的考核等级，三控制器对逆变器逆变形成的三相交流电，分别进行PI控制，然后输出给负载，所述PI控制的输出限幅为5％，即只有5％的调节范围。

控制器发送给逆变电路的三相SPWM和三次谐波信号中，死区占用了很多的脉冲宽度，造成输出的波形不纯正，特别是在正弦波的过零点处。本发明对该信号进行补偿。在顶点因为占空比大，死区占比小，补偿小；在过零点因为占空比小，死区占比很大，补偿大。这种方法可实现平滑的波形。

图6为补偿示意图，内层为原始波形，外层为补偿后的波形。

经过试验和理论计算，液压系统只能达到50％的效率，而本实施例可将效率提升到93％。采用双外环控制，使车载电源达到比较好的控制效果。满载突加突减负载试验，都达到了跌落<10％和

<0.5S的国标一类要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。