車用雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制研究

王超 陳浩 陳曦 連小珉

（清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10084）

車用雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制研究

王超 陳浩 陳曦 連小珉

（清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10084）

為實(shí)現(xiàn)車用雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)均衡發(fā)電，對(duì)并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行端電壓控制和電流分配控制。運(yùn)用基于輸出量反饋的電流解耦方法及PID控制方法，對(duì)雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模，針對(duì)系統(tǒng)的雙目標(biāo)控制要求，實(shí)現(xiàn)了電壓精準(zhǔn)控制和電流快速均衡并研究了解耦后簡(jiǎn)化的參數(shù)整定方法。simulink仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明解耦控制方法有效。

1 前言

近年來(lái)，越來(lái)越多的客車廠采用雙發(fā)電機(jī)甚至多發(fā)電機(jī)并聯(lián)供電以滿足增大的用電功率，但隨之帶來(lái)了雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電不均衡的問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)制造中，即使同一個(gè)型號(hào)的發(fā)電機(jī)仍會(huì)存在參數(shù)不一致的情況。目前，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的成果中只有博世（Bosch）公司通過(guò)采用帶通訊功能的調(diào)節(jié)器并結(jié)合高質(zhì)量一致性發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)并聯(lián)發(fā)電，但其均衡效果有限，而且制造成本較高。因此，有必要對(duì)不同型號(hào)雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制進(jìn)行研究[1]。

發(fā)電機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)在控制方法上一般采用基于均流法的雙閉環(huán)PID控制，均流方法包括最大/最小電流均流法和主從均流法等[2～3]。然而，雙閉環(huán)形式的控制均未實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)控制目標(biāo)的解耦控制，在實(shí)際應(yīng)用中存在參數(shù)整定困難、動(dòng)態(tài)特性差等問(wèn)題。

本文提出了一種基于輸出量反饋的車用雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)解耦控制方法，通過(guò)對(duì)控制目標(biāo)的分析，設(shè)計(jì)解耦環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電壓和電流比的綜合控制，并進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)

客車雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)1、發(fā)電機(jī)2、控制器、電流傳感器及蓄電池等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

控制器從上位控制器得到目標(biāo)電壓值和目標(biāo)電流比；發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下，產(chǎn)生三相交流電整流后并聯(lián)在一起給整車供電。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，控制器從電流傳感器處接收發(fā)電機(jī)1、2的輸出電流信號(hào)，并采集輸出電壓信號(hào)，由具體的控制策略計(jì)算出控制量，通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）控制兩個(gè)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，進(jìn)而控制系統(tǒng)的電壓及目標(biāo)電流比輸出。

3 雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制策略

3.1 解耦控制設(shè)計(jì)

針對(duì)雙閉環(huán)控制方法實(shí)際應(yīng)用中存在電流環(huán)、電壓環(huán)相互耦合作用導(dǎo)致控制參數(shù)整定困難，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差的問(wèn)題，采用基于輸出量反饋的解耦控制方法，其控制框圖如圖2所示。

圖2 控制算法框圖

由圖2可知，控制算法思路為：目標(biāo)端電壓Ur和目標(biāo)電流比Kr作為控制系統(tǒng)的目標(biāo)輸入到控制器中，結(jié)合控制系統(tǒng)輸出量端電壓U和兩個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出電流I1、I2進(jìn)行解耦運(yùn)算，得到解耦后兩個(gè)發(fā)電機(jī)輸出電流的偏差量ΔI1和ΔI2，分別通過(guò)兩組PID控制兩個(gè)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁占空比γ1和γ2，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓控制和電流比控制。

通過(guò)輸出量之間的目標(biāo)約束，可以對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行解耦，從而能夠清晰分析各控制參數(shù)的影響并確定控制參數(shù)，使系統(tǒng)獲得良好的動(dòng)態(tài)效果。

3.2 基于輸出量反饋的電流解耦方法

雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)輸出量為端電壓及兩個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出電流，其控制目標(biāo)為端電壓Ur和電流比Kr。若定義偏差量ΔU=Ur-U,ΔI=KrI2-I1，則控制目標(biāo)為：

從實(shí)際模型可知，由于兩個(gè)發(fā)電機(jī)同時(shí)承擔(dān)負(fù)載電流，兩個(gè)發(fā)電機(jī)之間存在電流耦合。定義偏差量ΔI1=I1d-I1、ΔI2=I2d-I2，其中I1d、I2d為端電壓和電流比等于目標(biāo)值時(shí)兩個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出電流值，I1、I2為兩個(gè)發(fā)電機(jī)當(dāng)前電流值。則耦合關(guān)系為：

式中，f1、f2為耦合函數(shù)。

公式（2）的意義為達(dá)到任一控制目標(biāo)均需同時(shí)對(duì)兩個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出電流做出調(diào)節(jié)。對(duì)式（2）進(jìn)行解耦，即存在解耦矩陣P，滿足：

進(jìn)而得到兩個(gè)發(fā)電機(jī)各自獨(dú)立的電流偏差值，分別對(duì)兩個(gè)發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)。而解耦矩陣P可由電路約束求得。電路原理如圖3所示，其中RL為負(fù)載電阻，rB為電池等效內(nèi)阻，EB為電池自身電動(dòng)勢(shì)，IB為蓄電池電流，IL為負(fù)載電流。

圖3 并聯(lián)供電回路模型

對(duì)應(yīng)并聯(lián)供電回路，根據(jù)基爾霍夫電流定理、歐姆定理及各量定義，當(dāng)端電壓為U時(shí)，有：

而當(dāng)端電壓為Ur時(shí)，有：

由式（4）和式（5）可以得到：

對(duì)比式（6）與式（3），獲得解耦矩陣P：

因此，只要知道當(dāng)前系統(tǒng)的輸出量及控制目標(biāo)偏差值，即可通過(guò)解耦方程式（6）求得各發(fā)電機(jī)獨(dú)立的電流偏差值，進(jìn)而對(duì)兩個(gè)發(fā)電機(jī)進(jìn)行解耦控制。但式（4）、式（5）成立的前提是兩個(gè)發(fā)電機(jī)至少有一個(gè)在輸出電流，即只在自勵(lì)階段成立。當(dāng)系統(tǒng)每次建立電壓時(shí)，存在由他勵(lì)（蓄電池勵(lì)磁）到自勵(lì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。他勵(lì)過(guò)程中兩個(gè)發(fā)電機(jī)均未輸出電流，不存在耦合問(wèn)題，他勵(lì)階段勵(lì)磁控制在后文做出討論。

4 控制方法與參數(shù)的仿真獲取

4.1 PID方法實(shí)現(xiàn)

對(duì)于兩個(gè)24 V發(fā)電機(jī)，通過(guò)上述解耦方法可求得兩個(gè)發(fā)電機(jī)輸出電流的偏差量，則可通過(guò)兩組獨(dú)立的PID參數(shù)來(lái)控制兩個(gè)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓和電流比的控制。考慮到實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)存在存儲(chǔ)容量和計(jì)算能力有限的制約，故選擇采用增量式PID方法。而增量式PID中的I環(huán)節(jié)類似于絕對(duì)值PID的P環(huán)節(jié)，其決定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；P環(huán)節(jié)類似于絕對(duì)值PID的D環(huán)節(jié)，能改善其動(dòng)態(tài)性能。結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)特性，增量式PI調(diào)節(jié)能獲取較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，且參數(shù)獲取較為簡(jiǎn)便，故采用增量式PI算法，即控制律為：

其中KP1、KI1、KP2、KI2分別為兩組PID的比例調(diào)節(jié)系數(shù)和積分調(diào)節(jié)系數(shù)。兩組PID控制參數(shù)可通過(guò)單電機(jī)發(fā)電模型的仿真試驗(yàn)和試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行整定?？刂品椒ǖ腟imulink模型如圖4所示，其中模塊A為解耦模塊，其表達(dá)式如式（6），模塊B1、B2為PID控制模塊，其表達(dá)式如式（8）。

圖4 控制方法的Simulink模型示意

4.2 雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)建模

雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)的仿真模型主要由4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中F1（F2）為勵(lì)磁模型，G1（G2）為電磁感應(yīng)模型，R1（R2）為整流橋模型，D為并聯(lián)供電回路模型。分別對(duì)這4個(gè)子模型進(jìn)行分析和建模，可以得到實(shí)際系統(tǒng)的Simulink模型。

4.2.1 勵(lì)磁模型F1、F2

勵(lì)磁模型輸入為脈寬波占空比，輸出為勵(lì)磁電流。其為一個(gè)RL回路，為典型一階慣性環(huán)節(jié)[4]，其物理模型如圖6所示，其中rf、Lf為勵(lì)磁繞組的電阻和電感，If為勵(lì)磁繞組的電流。

圖5 實(shí)際系統(tǒng)Simulink模型結(jié)構(gòu)示意

圖6 勵(lì)磁環(huán)節(jié)物理模型

對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)形成的勵(lì)磁有效電壓可近似為γ1U，則由電路方程可知：

可得勵(lì)磁模型F1和F2的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

4.2.2 電磁感應(yīng)模型G1、G2

定子線圈在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其交流有效值取決于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流[5]，其物理模型如圖7所示，其中eU,eV,eW為發(fā)電機(jī)定子三相線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

圖7 電磁感應(yīng)環(huán)節(jié)物理模型

則電磁感應(yīng)模型G1（G2）的數(shù)學(xué)表達(dá)為：

式中，Em,i和Eφ,i分別為發(fā)電機(jī)i三相電動(dòng)勢(shì)的幅值和有效值；w為角速度；Ki為發(fā)電機(jī)i的電機(jī)常數(shù)，跟電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4.2.3 整流橋模型R1、R2

三相全橋整流由兩組6個(gè)整流二極管組成，每次某個(gè)正向二極管輸出當(dāng)前最高電勢(shì)并鉗制住其余兩相正向二極管，負(fù)向二極管同理，其物理模型如圖8所示，其中u+、u-為整流橋正、負(fù)端電勢(shì)，E為整流后電動(dòng)勢(shì)。

圖8 整流環(huán)節(jié)物理模型

根據(jù)整流原理，有：

最終輸出電動(dòng)勢(shì)為：

式中，Ud為整流橋壓降。

結(jié)合式（12）與式（13）可得整流模型R1和R2為：

4.2.4 并聯(lián)供電回路模型D

兩個(gè)發(fā)電機(jī)同時(shí)給蓄電池及負(fù)載供電，因此需要對(duì)蓄電池建模，結(jié)合實(shí)際情況選取蓄電池一階等效模型[6]，其供電回路模型如圖3所示。根據(jù)基爾霍夫電路定理及歐姆定理有：

化簡(jiǎn)后得到并聯(lián)供電回路模型D為：

式中，r1、r2分別為發(fā)電機(jī)1、2的等效內(nèi)阻。

綜合式（10）～式（16），得到實(shí)際系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)關(guān)系，即可搭建對(duì)應(yīng)的Simulink模塊。

4.3 仿真和分析

根據(jù)控制律模型及實(shí)際受控系統(tǒng)的模型可得到控制系統(tǒng)總的Simulink模型，各參數(shù)取值如表1所列。

表1 仿真相關(guān)參數(shù)

4.3.1 單發(fā)電機(jī)發(fā)電控制系統(tǒng)仿真

a.他勵(lì)階段參數(shù)整定

他勵(lì)階段由于發(fā)電機(jī)電壓未建立而電池本身存在一定的電動(dòng)勢(shì)，故存在“鉗制”作用，使得此階段只有增量式PID中的I環(huán)節(jié)在起作用，可認(rèn)為采用定增量去控制，即：

兩個(gè)階段的控制參數(shù)共同決定了系統(tǒng)的響應(yīng)?？刂茀?shù)作用如圖9所示。

圖9 控制參數(shù)作用示意

他勵(lì)階段的增量C1決定了發(fā)電機(jī)從起動(dòng)到輸出電流的時(shí)間t1，進(jìn)而決定了穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間tS。對(duì)于雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)，要求兩個(gè)發(fā)電機(jī)同時(shí)輸出，即要求相同的t1，故可先確定他勵(lì)階段的控制參數(shù)，再根據(jù)各自的動(dòng)態(tài)響應(yīng)獲取自勵(lì)階段的控制參數(shù)。

設(shè)定t=0時(shí)刻的參考電壓值Ur2=27.5 V，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的工程要求，取t1=2 s。對(duì)發(fā)電機(jī)1進(jìn)行控制仿真，可確定C1=1.0，同理可得C2=1.2。

b.自勵(lì)階段參數(shù)整定

自勵(lì)階段的控制方程如式（8）所示，PI參數(shù)同時(shí)起作用。整定過(guò)程可參考Z-N法則。以發(fā)電機(jī)1為例，先采用純I控制，使其產(chǎn)生臨界震蕩，可得KI1max=1.8，故可按經(jīng)驗(yàn)選取KI1=0.8，再加入KP1，改善其動(dòng)態(tài)性能，使其建壓過(guò)程無(wú)超調(diào)，可得KI1=0.8、KP1=3.2。其響應(yīng)如圖10所示。

圖10 不同控制參數(shù)下的電壓響應(yīng)

考慮到實(shí)際應(yīng)用中控制系統(tǒng)的建壓過(guò)程存在啟動(dòng)過(guò)程和參考電壓轉(zhuǎn)變過(guò)程，故試驗(yàn)中在t=10 s時(shí)將參考電壓值改為29 V。由圖10可知，同一組參數(shù)下，兩個(gè)過(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)均良好。同理可得KI2=0.9、KP2=3.8。

4.3.2 雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)仿真

采用對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行仿真，控制參數(shù)采用試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定t=0時(shí)刻的參考電壓值Ur=27.5 V，t=10 s時(shí)刻的參考電壓值Ur=29 V，此時(shí)系統(tǒng)的輸出如圖11所示?？梢钥闯?，2個(gè)發(fā)電機(jī)同時(shí)輸出電流，說(shuō)明解耦方法和控制參數(shù)整定方法合理；兩個(gè)發(fā)電機(jī)剛輸出電流時(shí)，其輸出端電壓和電流比均未達(dá)到期望值，但在控制方法調(diào)解下，端電壓和電流比同時(shí)收斂達(dá)到穩(wěn)態(tài)。與采取相同參數(shù)的相比，此次輸出端電壓存在很小的超調(diào)；發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于追求較高的響應(yīng)速度，供電系統(tǒng)的端電壓變化很快，而由于蓄電池存在電容效應(yīng)，發(fā)電機(jī)的電流會(huì)存在超調(diào)現(xiàn)象，當(dāng)端電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值后，其會(huì)很快趨于平穩(wěn)；作為對(duì)比，當(dāng)參考電壓值由27V變?yōu)?9 V時(shí)，其端電壓變化速度較小，其電流未出現(xiàn)超調(diào)。

圖11 雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制仿真驗(yàn)證

以上仿真試驗(yàn)是在n=2 000 r/min，RL=1 Ω條件下進(jìn)行的，考慮到發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)載改變而改變，為了驗(yàn)證參數(shù)的合理性，需考量參考電壓變化時(shí)在各轉(zhuǎn)速和負(fù)載下端電壓的超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)時(shí)間。從系統(tǒng)模型和控制策略可知，低轉(zhuǎn)速低負(fù)載工況下系統(tǒng)的響應(yīng)最慢，高轉(zhuǎn)速高負(fù)載下系統(tǒng)響應(yīng)最快，結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同工況下系統(tǒng)響應(yīng)曲線

由圖12可知，低轉(zhuǎn)速低負(fù)載時(shí)參考電壓由27.5 V變?yōu)?9 V的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間為2 s，高轉(zhuǎn)速高負(fù)載下無(wú)超調(diào)，響應(yīng)良好。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)

由于發(fā)電機(jī)的電參數(shù)難以測(cè)量，且實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和蓄電池存在非線性環(huán)節(jié)，故仿真結(jié)果僅能證明該控制策略的有效性，其具體實(shí)際效果應(yīng)在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)一步驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

計(jì)算機(jī)通過(guò)變頻器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)給發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)在控制器的控制下給蓄電池及負(fù)載（充放電儀）供電。試驗(yàn)條件設(shè)為轉(zhuǎn)速2 000 r/min，負(fù)載電流10 A，參考電壓為27.5 V和29 V，電流比設(shè)為2。按照上述參數(shù)整定過(guò)程，確定他勵(lì)階段控制參數(shù)C1=0.8、C2=0.5，進(jìn)而確定兩個(gè)發(fā)電機(jī)自勵(lì)階段控制參數(shù)KI1=0.2、KP1=1.2、KI2=0.15、KP2=1。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示?？梢钥闯?，該方法能很好地實(shí)現(xiàn)電壓和電流比控制，說(shuō)明解耦方法和控制參數(shù)整定方法合理、有效。而由于發(fā)電機(jī)的電參數(shù)難以測(cè)量，電池模型作了低階次簡(jiǎn)化及因?qū)嶒?yàn)設(shè)備限制導(dǎo)致系統(tǒng)工作條件略有不同等原因，試驗(yàn)結(jié)果與圖11的仿真計(jì)算結(jié)果在穩(wěn)態(tài)數(shù)值上有一定差別，但基本與仿真結(jié)果一致，證明了該方法的實(shí)用性。

圖14 試驗(yàn)結(jié)果曲線

6 結(jié)束語(yǔ)

a.基于輸出量反饋的電流解耦方法可以有效實(shí)現(xiàn)雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電的解耦，方便通過(guò)單發(fā)電機(jī)控制試驗(yàn)來(lái)整定控制參數(shù)；

b.汽車雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電控制系統(tǒng)模型能較好地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性，有助于參數(shù)的整定和仿真試驗(yàn)；

c.電流解耦PID控制方法能實(shí)現(xiàn)車用不同型號(hào)雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)的電壓和電流比同步控制。

1 孔偉偉,楊殿閣,李兵,等.傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能化控制及改造.清華大學(xué)學(xué)報(bào),2014,54（6）:738～743.

2 周瑤.基于CAN總線的并聯(lián)直流發(fā)電機(jī)數(shù)字控制技術(shù)研究:[學(xué)位論文].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

3 戴衛(wèi)力.飛機(jī)無(wú)刷直流起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)的研究:[學(xué)位論文].南京:南京航空航天大學(xué),2008.

4 趙莉華,曾成碧,苗虹.電機(jī)學(xué)（第二版）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

5 戈里.汽車交流發(fā)電機(jī).北京:人民交通出版社.1987

6 張亮.鉛酸蓄電池動(dòng)態(tài)等效電路的模型仿真.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào),2015,31（4）:342～346.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2016年9月1日。

Research on Parallel Power Generation Control of Double Vehicle-used Generator

Wang Chao,Chen Hao,Chen Xi,Lian Xiaomin
（State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084）

In order to realize the balanced power supply of double generator parallel generation,terminal voltage and current distribution between two generators were controlled.We used current decoupling control method based on output feedback and PID control,then built a model for the parallel power generation control system of the double-generator,and voltage precise control and current fast rebalance were achieved to meet the double-target control requirement.The simulink simulation and real system test verify the validity of the decoupling control method.

Double generator,Parallel power generation,Double target control

雙發(fā)電機(jī) 并聯(lián)發(fā)電 雙目標(biāo)控制

U463.63+1

A

1000-3703（2017）02-0057-06