張玉峰，李聲晉，盧 剛，周 勇

(1．西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安，710072;2．西安科技大學(xué)，陜西西安710054)

0引 言

柴油機是生產(chǎn)、運輸領(lǐng)域的一類重要動力機械，已在發(fā)電、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］，其輸出力矩主要通過調(diào)整循環(huán)供油量來實現(xiàn)，但柴油機的負(fù)載適應(yīng)性較低，易受外界負(fù)載的影響。通過配備油門自動調(diào)節(jié)裝置，能很好地提高柴油機的性能。燃油的噴射控制是通過執(zhí)行器來實現(xiàn)的，執(zhí)行器的調(diào)節(jié)性能、安裝方式、可靠性直接影響整個柴油機的運行性能。目前，我國的柴油機上應(yīng)用較多的是離心式機械執(zhí)行器和比例電磁鐵。離心式機械執(zhí)行器調(diào)節(jié)功能單一，平衡點不穩(wěn)定，存在機械傳動摩擦，致使柴油機的輸出動力不穩(wěn)定，不能充分發(fā)揮其性能;以比例電磁鐵為油門調(diào)節(jié)執(zhí)行器，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制參數(shù)的移植性較差。

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移的機電執(zhí)行元件。在不需要數(shù)模變換的情況下，就能直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移。步進電動機的角位移量或線位移量取決于電脈沖信號，其轉(zhuǎn)速或線速度取決于電脈沖的頻率，在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動而變化，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、成本低、控制誤差不累計，非常適用于開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件，簡化控制系統(tǒng)［4-5］。

直接以步距角為步進單位的步進電動機脈沖控制技術(shù)中存在低頻振蕩、噪聲大、驅(qū)動系統(tǒng)可靠性差等不足，制約了其應(yīng)用范圍。目前步進電動機驅(qū)動方式中性能最好的是細(xì)分驅(qū)動，它通過對步進電動機繞組電流的精確控制，提高了步進電動機的分辨率和連續(xù)運行時的均勻性，減弱了低頻振蕩，增大了電機的動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩［6-7］。

目前，柴油機油門調(diào)節(jié)系統(tǒng)相對研究現(xiàn)狀滯后，通過技術(shù)改造可以增強油門調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能，提高調(diào)節(jié)控制性能。本文在對一類小型柴油發(fā)電機組的技術(shù)改造中，以兩相混合步進電動機作為油門調(diào)節(jié)執(zhí)行器，設(shè)計了油門調(diào)節(jié)的數(shù)字控制系統(tǒng)和變細(xì)分的控制策略，最后通過實驗進行了系統(tǒng)功能和性能驗證。

1系統(tǒng)設(shè)計

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個油門調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)主要以數(shù)字信號控制器dsPIC30F4012為數(shù)字信號處理核心，通過獲取相關(guān)的輸入信息，經(jīng)過條件判決，按照一定的控制策略，通過驅(qū)動電路驅(qū)動步進電動機動作，以實現(xiàn)供油量的實時調(diào)節(jié)。

圖1 油門調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

油門數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計主要集中在調(diào)速控制板及其嵌入式軟件的設(shè)計，在保證功能完善的前提下，盡量簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

1．2硬件電路設(shè)計

1．2．1核心數(shù)字信號控制器

調(diào)速控制系統(tǒng)的核心是數(shù)字信號處理單元。系統(tǒng)的數(shù)字信號處理單元選用高性能的16位數(shù)字信號控制器dsPIC30F4012作為處理器，該芯片采用CMOS工藝，具有2．5～5．5 V的寬工作電壓范圍，內(nèi)部具有時鐘鎖相環(huán)，最高能達到30MIPS的工作速度，并嵌有DSP引擎，集成有FLASH、RAM、EEPROM多種類型的存儲單元。dsPIC30F4012集成的外設(shè)資源豐富，有4路輸入捕捉模塊，5個16位定時器，6通道的PWM模塊，6通道的10位AD，1路UART模塊，1路2．0B標(biāo)準(zhǔn)的CAN模塊，1路正交編碼接口，完全滿足控制系統(tǒng)的資源需求。該芯片運行速度較快，外設(shè)資源較全，具有很高的性價比。其最小系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，U1為電源監(jiān)控芯片MAX809。

圖2 dsPIC30F4012最小系統(tǒng)

1．2．2步進電動機驅(qū)動電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，柴油機的供油量需要根據(jù)負(fù)載波動而變化。因此，在工作時混合式步進電動機的定子磁場需要交變，實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)油門雙向調(diào)節(jié)的功能，因此系統(tǒng)采用兩相混合式步進電動機作為執(zhí)行器，采用雙極性驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)?？紤]到整個油門調(diào)節(jié)系統(tǒng)均由蓄電池供電，為減小系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，采用兩個單橋臂集成驅(qū)動芯片TC4424構(gòu)成一個雙極性H橋驅(qū)動電路的方案。TC4424芯片是一種高速功率MOSFET集成驅(qū)動器，能夠提供單橋臂的兩路驅(qū)動通道，具有4．5～18 V的寬電壓工作范圍，最大能提供3A的輸出電流，驅(qū)動能力強。步進電動機驅(qū)動電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 步進電動機驅(qū)動電路

1．2．3轉(zhuǎn)速檢測單元設(shè)計

柴油機的轉(zhuǎn)速信號是系統(tǒng)的重要反饋信號，轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路的精度和可靠性，直接影響著整個系統(tǒng)的控制性能。轉(zhuǎn)速檢測單元在柴油機運行時容易受到共模串?dāng)_和電磁輻射干擾，一般的比較器電路和簡單的光耦隔離很難消除這些干擾，本系統(tǒng)采用雙光耦互鎖的交流過零比較電路，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。R1、R2用于調(diào)整零點偏移量，R4、R5用于調(diào)整輸出幅值。信號傳輸導(dǎo)線采用屏蔽電纜，以抑制電磁干擾。

圖4 柴油機轉(zhuǎn)速檢測電路

1．2．4 其余系統(tǒng)信息檢測

為了保證系統(tǒng)正常運行，系統(tǒng)需要根據(jù)相關(guān)的系統(tǒng)信息進行相應(yīng)的油門調(diào)節(jié)時，需要監(jiān)測的信息由機油壓力、油箱油量、輸出電壓、輸出電流、輸出功率、供電頻率等。機油壓力傳感器和油箱油量傳感器的輸出為開關(guān)量信號，其輸出電平需要調(diào)整到數(shù)字信號處理器允許的電平范圍才可直接送入數(shù)字信號處理器。其電平調(diào)理電路如圖5所示。

檢測交流電參數(shù)的專業(yè)芯片較多，如SA9904B、ATT7026A、CS5463等，這些芯片檢測精度高，檢測參數(shù)多，但成本較高，主要應(yīng)用于精密電能計量設(shè)計中。本系統(tǒng)綜合成本和性能因素，采用交流互感器及信號調(diào)理的方式測量電壓和電流信號，而輸出功率和供電頻率的檢測是利用電壓、電流信號由軟件間接實現(xiàn)。交流輸出電壓的檢測采用TV1013-1型微型精密交流電壓互感器，電流檢測采用TA1420-04立式穿芯小型精密交流電流互感器。通過交流電壓信號調(diào)理電路，傳感器檢測到交流電參數(shù)信號被調(diào)理到數(shù)字信號控制器可識別的電壓范圍。交流電壓信號調(diào)理電路如圖6所示，電流信號調(diào)理電路與電壓信號調(diào)理電路類似。

圖5 開關(guān)量信號調(diào)理電路

圖6 輸出交流電壓/電流信號調(diào)理電路

1．2．5通信接口及人機交互接口電路設(shè)計

人機交互接口電路包括面板控制按鈕的電平調(diào)理電路以及面板顯示屏的輸出驅(qū)動電路。面板控制按鈕屬于開關(guān)量，其電平調(diào)理電路與圖5的開關(guān)量信號調(diào)理電路相同。面板顯示屏主要用于顯示轉(zhuǎn)速、輸出電壓、輸出電流等調(diào)速信息，面板顯示屏由兩個4位的八段數(shù)碼管以及6個LED指示燈構(gòu)成，其驅(qū)動電路設(shè)計如圖7所示。

圖7 顯示屏驅(qū)動電路

為了調(diào)試方便及與主控系統(tǒng)間進行信息交換，系統(tǒng)設(shè)計了RS422接口電路。系統(tǒng)為實現(xiàn)柴油機并聯(lián)運行預(yù)留了CAN通訊接口電路。

1．3油門調(diào)節(jié)控制策略設(shè)計及軟件實現(xiàn)

油門數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)軟件的主要功能是依據(jù)柴油機的轉(zhuǎn)速反饋信號對噴油量進行調(diào)節(jié)。此外為保證系統(tǒng)運行的可靠性，還要監(jiān)測機油壓力、燃油油量、輸出電壓、輸出電流、控制面板輸入量;并將需要觀測的信息以數(shù)碼顯示屏和指示燈方式進行顯示。

1．3．1步進電動機控制策略設(shè)計

由于柴油機在運行期間對噴油量的變化比較敏感，而在加減載時對噴油量的變化需求也不盡相同。在小擾動情況下，轉(zhuǎn)速變化比較小，需要對作為執(zhí)行器的步進電動機進行微調(diào)，既要消除干擾穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，又要防止調(diào)節(jié)過度引起轉(zhuǎn)速振蕩;而在大擾動情況下，轉(zhuǎn)速變化比較大，需要快速對步進電動機進行調(diào)節(jié)，以防止轉(zhuǎn)速突變導(dǎo)致停車或飛車。采用步進電動機細(xì)分控制技術(shù)能夠提高步進電動機的分辨率，減弱低頻振蕩，改善步進電動機的動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩。依據(jù)以上理論，本系統(tǒng)設(shè)計了步進電動機的變細(xì)分控制策略，具體調(diào)節(jié)原則如下:

(1)起動階段要求柴油發(fā)電機能夠迅速、平穩(wěn)地升至工作模式所確定的指定轉(zhuǎn)速，因此細(xì)分步距可以較大;

(2)停機階段，柴油發(fā)電機要能夠迅速、平穩(wěn)的停機，細(xì)分步距也需要較大;

(3)運行階段，柴油發(fā)電機根據(jù)擾動引起的轉(zhuǎn)速誤差進行相應(yīng)的細(xì)分。在突加減較重負(fù)載時，轉(zhuǎn)速誤差較大，此時應(yīng)采用較大的細(xì)分步距，以盡快消除突加減負(fù)載引起的動態(tài)誤差;若突加減負(fù)載較輕或處于突加減負(fù)載的調(diào)節(jié)后期，轉(zhuǎn)速誤差較小，為了減小過調(diào)節(jié)引起的超調(diào)和步進電動機振蕩引起的誤差，應(yīng)采用較小的細(xì)分步距。

1．3．2 控制策略實現(xiàn)

系統(tǒng)依據(jù)以上細(xì)分控制策略設(shè)計軟件。系統(tǒng)主要由主程序、定時中斷程序，PWM中斷程序構(gòu)成。

主程序流程圖如圖8所示。主程序在完成系統(tǒng)初始化后進入無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，每當(dāng)有更新的輸出電壓有效值、輸出電流有效值、輸出電頻率計算值，則更新顯示屏顯示內(nèi)容。

圖8 主程序流程圖

考慮到柴油機系統(tǒng)的慣性較大，程序設(shè)計采用5 ms作為步進電動機的控制周期。5 ms定時中斷程序主要完成反饋轉(zhuǎn)速的計算以及調(diào)節(jié)周期內(nèi)步進電動機細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)定、總步進數(shù)的計算、步進方向的設(shè)定。為了避免細(xì)分類型過多，系統(tǒng)設(shè)計了兩種細(xì)分類型:64細(xì)分和128細(xì)分。

5 ms定時中斷程序流程圖如圖9所示。

PWM中斷程序主要完成PWM占空比的更新、ADC采樣數(shù)據(jù)更新以及上傳數(shù)據(jù)的更新。步進電動機的細(xì)分驅(qū)動實際上是通過控制相繞組電流來控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)磁場。采用細(xì)分控制使相繞組電流按正弦規(guī)律連續(xù)精確變化時，繞組電流波動較小，使得步進電動機的磁場均勻度較好，從而使步進電動機運行時均勻、平穩(wěn)。正弦電流的產(chǎn)生可以通過查表方式實現(xiàn)。本系統(tǒng)程序建立了一個128細(xì)分的正弦表，64細(xì)分時可通過將查表指針的遞增單位加倍從128細(xì)分表中獲得。兩相混合式步進電動機的相繞組在空間上相差 90°，因此，可以通過移相方式由同一個正弦表產(chǎn)生。為了節(jié)約細(xì)分表存儲空間，可以只存儲正弦表的前四分之一周期，其余周期的正弦表可以利用正弦函數(shù)的對稱性獲得。

程序采用15 kHz的PWM斬波頻率，PWM中斷程序流程圖如圖10所示。

圖9 5 ms定時中斷程序流程圖

圖10 PWM中斷程序流程圖

2系統(tǒng)實驗及結(jié)果

為驗證系統(tǒng)功能和調(diào)速控制策略，對某便攜式軍用機械式柴油機進行了改造，采用兩相混合式步進電動機作為油門調(diào)節(jié)執(zhí)行器。柴油機為單缸、立式、四沖程、風(fēng)冷、直噴式，標(biāo)定轉(zhuǎn)速nN=3 200 r/min，標(biāo)定功率PN=3 kW。運行階段速度范圍為2 250～3 200 r/min。為調(diào)試方便，基于 LabWindows編制了上位機用于顯示實時數(shù)據(jù)，通訊方式采用RS422串口，波特率57 600 b/s。圖11中橫坐標(biāo)為所收到的數(shù)據(jù)點數(shù)，縱坐標(biāo)為柴油機轉(zhuǎn)速。

空載起動波形如圖11所示，可見起動階段速度曲線陡，此階段步進電動機采用64細(xì)分，速度調(diào)整迅速。在達到閾值速度后進入切入運行階段，此階段經(jīng)過一個短暫的調(diào)整過程，由起動時的64細(xì)分向穩(wěn)定運行階段的128細(xì)分切換。在穩(wěn)定運行階段，步進電動機采用128細(xì)分，柴油機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

圖11 空載時起動階段切換至運行階段波形

柴油機在穩(wěn)態(tài)運行時突加120%負(fù)荷時的轉(zhuǎn)速如圖12所示。從圖12中可以看出，控制策略能較好地抑制轉(zhuǎn)速擾動。

圖12 運行階段突加卸100%負(fù)載波形

將柴油機改造前后通過試驗獲得的調(diào)速性能參數(shù)列舉如表1所示。由表1可以看出，改造后系統(tǒng)的調(diào)速性能明顯優(yōu)于原調(diào)速系統(tǒng)。

表1 柴油機調(diào)速系統(tǒng)改造前后調(diào)速性能對比表

3結(jié) 語

步進電動機是數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的一種執(zhí)行元件，角度細(xì)分控制方式是提高步進電動機控制性能的一種方法。本文將步進電動機用作柴油機的油門調(diào)速執(zhí)行元件，設(shè)計了柴油機數(shù)字電子調(diào)速控制系統(tǒng)，針對步進電動機作為供油調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計了變細(xì)分控制策略。試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)表明，設(shè)計的調(diào)速控制系統(tǒng)的調(diào)速性能優(yōu)于原系統(tǒng)。

本文設(shè)計的柴油機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能較完備，易于開發(fā)調(diào)試。對現(xiàn)有柴油機調(diào)速控制系統(tǒng)的改造升級具有理論指導(dǎo)和工程借鑒意義。

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