汽油发电机组控制电路数字化设计方案

摘要：基于对某型汽油发电机组控制保护电路的分析，提出了一种采用数字电路和MCU对该控制保护电路进行改进的设计方案。实验表明，该方案实现了对机组的控制与保护功能，优化了设计、满足了技术指标要求。
关键词：发电机组；控制电路；数字电路；MCU

    汽油发电机组是某型雷达的配套设备。发电机组控制保护电路采用模拟电路实现，保护电路基准采用电位器调整设置，由于机组工作时的强烈振动易使电位器调定位置改变，引起保护电路的基准发生变化，使机组不能正常工作。
    现代电子产品中越来越多地采用数字电路和计算机程序控制。数字电路的优点是抗干扰能力强、工作稳定，可有效避免因元器件参数变化造成的设备性能下降。采用计算机程序控制后，可以将必要的参数固化在程序中或存储在非易失性存储器中，从根本上解决了因设置基准变化造成的工作异常。因此，针对某型汽油发电机组在使用中发现的问题，提出了采用数字电路和计算机程序控制对机组控制保护电路进行改进设计。

1 设计分析
1．1 控制保护电路原理框图
    某型汽油发电机组控制保护电路原理框图如图1所示，PWM控制时序如图2所示。

1．2 控制保护过程分析
    (1)输出电压设置。
    图2中基准电压为箝位电压。如图2所示，当调节电压设置电位器使设置电压上升或下降时，控制比较器输出脉冲将变宽或变窄，发电机励磁绕组导通时间随之变化，发电机输出电压也将按比例上升或下降，直至到达稳定状态。
    (2)输出电压稳定。
    发电机输出电压，经电压互感器取样后反馈到控制比较器。当设置电压固定且没有负载变化引起输出电压变化时，控制比较器将输出宽度固定的脉冲控制激励管和功率管接通励磁绕组。由于励磁绕组导通时间固定，输出电压处于一个稳定值。
    再如图2所示，当发电机输出电压发生变化时，由于基准电压与设置电压不变，控制比较器将调整输出脉冲宽度，最终将使输出电压重新稳定在设置值上。
    (3)输出保护。
    发电机输出电压与输出电流，经电压互感器和电流互感器取样后接入到保护比较器。当发电机输出电压高于预置的输出电压上限或低于预置的输出电压下限、输出电流大于预置的输出电流上限时，保护比较器的输出强行使激励管截止，控制比较器输出信号无效，励磁绕组导通控制功率管无输入激励信号也处于截止状态，使励磁绕组无励磁电流，发电机停止输出。
1．3 自动控制原理分析
    综上所述，某型汽油发电机组控制保护电路，是一个典型的一阶闭环自动控制系统。由于在控制比较器输入端引入了主要由负载变化引起的输出扰动，所以是一个基于扰动补偿的一阶复合闭环自动控制系统。发电机组控制保护电路自动控制原理框图，如图3所示。

    图中，输入：系统输入是控制面板上的(输出调整)电位器产生的设置电压Vs。输出：系统输出是机组发电机输出电压Vo。扰动：系统扰动包括机组发电机输出电流变化、机组发动机转速变化、温度变化和其他引起机组发电机输出电压变化的因素。其中机组发电机输出电流，Io变化是主要外部扰动信号。

2 改进电路设计
    改进电路设计采用A／D变换器对设置电压Vs、输出电压Vo和发电机负载I／O进行数字量化；采用MCU进行数据处理；E2PROM完成参数保存。改进的发电机组控制保护电路组成框图，如图4所示。

    由于发电机组为50 Hz交流输出，为增加控制处理次数，必须采用全波整流方式。同时，为兼顾噪声滤除和信号滞后，应采用较小的整流滤波电容。

3 程序设计
    控制保护程序由A／D变换控制程序模块、E2PROM读／写控制程序模块、输出保护程序模块和PWM输出控制程序模块等组成。采用计算机程序控制后仍然是一个基于PWM控制模式的扰动补偿一阶复合闭环自动控制系统。
    (1)A／D变换控制程序模块。
    本设计采用了串行输出A／D变换器。由MCU内部定时器提供定时中断，调用A／D变换控制程序模块完成Vs、Vo和Io的数字量化。
    (2)E2PROM读／写控制程序模块和输出保护程序模块。
    E2PROM读／写控制程序模块读出预置的数据，与A／D量化数据进行比较，比较结果满足保护条件时调用输出保护程序模块以完成输出保护控制。
    (3)PWM输出控制程序模块。
    PWM输出控制程序模块完成PWM时间调整控制，控制关系为：T=K1Vs+K2Io+K3△V。式中，T为励磁绕组导通时间；Vs为设置电压；Io为输出电流值；△V为输出电压Vo变化值；K1，K2，K3为增益控制系数。
    Vs的A／D量化数据经平滑滤波后与K1相乘得到基本输出时间。
    为提高对输出电流Io变化的控制响应，Io的A／D量化数据经平滑滤波后与K2相乘后作为附加调整时间直接加入到基本时间上，若△V处理可以满足要求时，可取消Io处理。
    △V的处理是保证控制响应性能的关键环节。△V是本次Vo采样数据与前次Vo采样数据的代数差。△V数据经平滑滤波后与K3相乘后作为附加调整时间与基本时间进行代数运算得到最终PWM控制时间。
    系统动态特性主要取决于增益控制系数K1，K2，K3。增益控制系数较小时系统响应速度较慢，加大增益控制系数时系统响应速度明显提高。
    系统控制精度取决于A／D变换器动态范围。A／D变换器动态范围增大，系统控制精度提高，同时系统动态特性也将有所改善。由于本设计中采用8位MCU器件，A／D变换器动态范围增大后程序计算复杂度和程序运行时间也随之增加，因此需综合考虑确定A／D变换器动态范围。

4 试验结果
    按照改进方案设计了电原理图、印制电路板和控制程序，并进行了发电机组控制试验。试验结果和指标如表1所示。

    对稳态电压调整率和电压波动率进行测试时发现，调整PWM最小调整值仅引起调整时间变化而不能改善电压调整率指标。分析确定为A／D变换器分辨力不够。
    对瞬态电压调整率和电压变化时间进行测试时发现，调整PWM最大调整值可明显改善动态控制特性，但同时引起稳态特性变差。分析确定为除A／D变换器分辨力不够外，系统控制关系中各项系数还应做组合优化。

5 结束语
    本文所述的汽油发电机组控制与保护电路数字化改进设计方案取得阶段性成果。新设计的控制板实现机组控制与保护功能，正在进一步优化设计以全面满足技术指标要求。优化设计措施如下：
    (1)增加A／D变换器动态范围，改善稳态电压调整率和电压波动率指标。
    (2)优化稳压控制程序，提高电压变化调整响应速度。
    早期设计定型的中小功率发电机组的控制保护电路绝大部分采用模拟电路实现。因此，本文所述的汽油发电机组控制保护电路数字化改进设计具有一定意义。