基于MATLAB的车载发电励磁系统研究

孙小虎，杨润生，马小蓉

(军械工程学院，湖北 石家庄 050003)

0 引言

目前国内汽车行进中供电主要靠充电发电机或蓄电池组。充电发电机或蓄电池组功率较小，无法满足我军特装设备的供电需要。取力发电也叫自发电，是一种通过取力传动系统，将汽车发动机的动力取出驱动发电机进行发电的技术。与其他发电系统相比，取力发电系统有着安全性佳、机动性强、重量轻、体积小、噪音小、无热源、适用能力强等特点[1，2]，特别适合在野战医院、通信车辆等特种作战单位使用。研制出具有良好战场生存能力和优良性能的取力发电系统对于提高我军后勤保障水平有着重大的战略意义。

交流励磁发电系统具有过载能力强，转速适应范围广的特点，具有很好的发展前景。笔者以MATLAB为基础，对车载取力发电交流励磁发电系统进行了建模仿真，探究了以PID控制策略设计励磁调节系统的可行性。

1 交流励磁控制系统

1.1 交流励磁发电机工作原理

交流励磁发电机最早是由德国工程师 E.Tuxen提出的。它结合了异步发电机和同步发电机的优点[3]。在结构上与绕线式异步电机基本相同，但从内部电磁关系上看是一种异步化的同步电机[4]，结构如图 1 所示:

图1中f1、f2分别为交流励磁发电机定、转子电压和电流的频率，n1、n2为定子磁场的同步转速和转子磁场相对于转子的旋转转速。交流励磁发电机稳定运行时，定转子旋转磁场相对静止。当原动机转速发生变化时，只要改变发电机转子励磁电压的频率就可以保持发电机机端电压频率f1不变，实现发电机变速恒频运行。励磁变压器能通过整流、逆变将IGBT逆变桥上幅值、相位可调的励磁电流输送给转子绕组。为防止同一桥臂两个IGBT互补导通，三个对称桥臂导通角相差120°。

图1 交流励磁控制系统原理图

1.2 调制比M和载波比N

本系统功率主电路电流是由SPWM波来调制的。SPWM波产生的方法大致可分为硬件法和软件法两类。由于软件法具有电路成本低和实时计算能力强的优点，笔者选用软件法中的对称规则采样法[5]

对称规则采样法(如图2所示)是指SPWM波的脉冲中点和三角波中点(即负峰点)重合，以载波负峰处为采样点，做垂线与调制波交于D点，做平行于时间轴的直线三角载波交于 A、B两点，A、B直线对应的时间轴的长度期间为输出脉宽，每个载波周期如此，即为SPWM波。且三角载波峰值为Uc，周期为Tc。这种实际上是用一个阶梯波去逼近正弦波的方法。由此种方法得到的阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置是对称的，所以称之为对称规则采样法。由几何关系可得

因此，调制出的脉宽为:

令正弦波峰值 Ur与三角波峰值Uc之比为调制比M，则有 1≥M＞0;三角波频率与正弦波频率之比为载波比 N，其物理意义是在一个正弦波周期里有N个脉宽调制波输出。

图2 对称规则采样法原理图

2 励磁系统

笔者所研究励磁调节器实际上可以看作一个具有负反馈控制作用的逆变电源。该励磁控制系统简化结构框图如图3所示。

图3 励磁系统简易框图

2.1 励磁调节系统模块传递函数

交流励磁发电机在不考虑电机电压饱和特性可以认为机端电压稳定幅值与励磁电压成正比，其传递函数可用一阶惯性环节来表示:

式中:KF——发电机端电压和励磁电压之比 Td0——发电机运行时励磁时间常数

励磁调节器的滤波作用、功率放大单元均可看成一阶惯性环节[6]，写成如公式3的形式。其中K为输出电压的幅值与输入电压之比。T为滤波或放大单元的时间常数。由此励磁控制系统数学模型，其中功率放大单元、发电机、测量单元都可以简化等效为一阶滞后环节，其传递函数分别为:

3 系统MATLAB环境仿真实验

3.1 对调制比M的仿真分析

利用MATLAB/Simlink搭建仿真模块[7，8]如图4所示。传递函数1为功率放大环节，时间常数为0.5;传递函数2为M值测量单元，1/400为测量单元输出M值和输入电压之比。传递函数3为异步发电机环节，5为发电机运行时励磁时间常数，60为发电机机端电压和励磁电流之比。仿真时初始M值为1，PID参数P=1，I=0.1，D=0。其中系统的仿真时间设为 200 ms，仿真曲线见图5。

3.2 对载波比N的仿真分析

同样在MATLAB下对载波比N进行仿真分析，仿真模型如图6所示。载波频率为10 000 Hz，初始传动频率为－25 Hz，通过timer设置频率变化使传动频率从－25 Hz逐级增加至25 Hz。

4 结束语

通过M值仿真图像可以看出，本文设计的励磁调节系统在对负载突然变化时有良好的调节能力，反应快速有效，并能迅速恢复系统稳定。从N值仿真曲线上可以看出负载和传动频率同时快速变化，励磁调节系统有能对N值快速反应迅速，维持系统稳定运行。因此，应用本文所用方法能保快速有效的调制SPWM波，由此设计的交流励磁发电机励磁调节系统是可行的。

图7 励磁系统M值和N值仿真模型图

[1]闪义光.一种驻车发电的调速方法及应用[J].移动电源与车辆，2007，38(3):28 －29，35.

[2]陈建业，周强，刘晓亮.自发电电站取力方式的研究[J].移动电源与车辆，2008，39(4):41 －43.

[3]黄运.基于DSP的交流异步电机调速控制器的研究[D].武汉:武汉理工大学，2005.

[4]杨顺昌，廖勇，李辉，等.异步化同步发电机[M].北京:科学出版社，2009.

[5]王兆安，黄俊.电力电子技术(第4版)[M].北京:机械工业出版社，2002.3.

[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2004.

[7]岳夕彪，杨润生.基于模糊PID控制的交流励磁调节系统的MATLAB建模与仿真[J].国外电子测量技术，2010，29(10):23 －26，43.

[8]王正林，王胜开.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京:电子工业出版社，2008.