摘 要: 為提高便攜式汽油發(fā)電機(jī)的調(diào)速性能,采用數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC開發(fā)了一種電子調(diào)速器。該調(diào)速器能根據(jù)負(fù)載大小和汽油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)油門位置進(jìn)行調(diào)節(jié),通過PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。介紹了系統(tǒng)的總體方案,并對(duì)硬件、軟件設(shè)計(jì)作了具體論述。試驗(yàn)結(jié)果表明,該調(diào)速器的控制效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞: 電子調(diào)速器;便攜式汽油發(fā)電機(jī);PID控制;數(shù)字信號(hào)控制器
便攜式汽油發(fā)電機(jī)是近幾年發(fā)展較快的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品,為適應(yīng)其小型化和節(jié)能的要求,采用數(shù)字控制技術(shù)成為目前的發(fā)展方向。但由于汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,啟動(dòng)、突加或突減負(fù)載時(shí)的擾動(dòng)大,以及化油器靜態(tài)特性的非線性和動(dòng)態(tài)特性中的過渡性能差等多方面的原因,使得汽油機(jī)的電子調(diào)速的研究難度較大,采用較多的仍是機(jī)械式調(diào)速[1]。
電子調(diào)速器體積小巧,控制精確,更重要的是能隨著汽油機(jī)負(fù)載的變化而調(diào)節(jié)汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速,以達(dá)到明顯節(jié)能和提高系統(tǒng)性能的作用,這是傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)速器無法做到的[2-3]。本文設(shè)計(jì)的電子調(diào)速器可根據(jù)汽油機(jī)負(fù)載變化實(shí)時(shí)控制油門位置,具有較高的油門控制精度,使得汽油機(jī)轉(zhuǎn)速可控,節(jié)省了燃料消耗,提高了汽油機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。
1 總體方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的電子調(diào)速器組成如圖1所示。控制器采樣汽油發(fā)電機(jī)整流后的直流電壓、電流信號(hào),根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性曲線計(jì)算出當(dāng)前的期望轉(zhuǎn)速,與實(shí)測轉(zhuǎn)速比較,通過PID算法計(jì)算出油門的目標(biāo)位置,通過步進(jìn)電機(jī)對(duì)油門位置進(jìn)行調(diào)整,構(gòu)成汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 主控制處理器
電子調(diào)速器采用Microchip公司的dsPIC30F2010高性能16位單片機(jī)作為控制器,它的特點(diǎn)是將控制和數(shù)字信號(hào)處理高速運(yùn)算相結(jié)合。主控微處理器電路如圖2所示,分配I/O口RE0~RE5作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的輸入,RB0采集電流信號(hào),RB1采集溫度信號(hào),RB2采集電壓信號(hào),RB4采集轉(zhuǎn)速信號(hào)。
2.2 轉(zhuǎn)速采樣電路
汽油發(fā)電機(jī)具有一組低壓輔助繞組,其輸出的交流電與發(fā)電機(jī)輸出交流電同頻率,通過檢測繞組的交流電頻率可以計(jì)算汽油機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)輸出交流電頻率f、汽油機(jī)轉(zhuǎn)速Ns和電機(jī)極對(duì)數(shù)p之間具有如下關(guān)系:
f=p×Ns/60
本文所采用的汽油機(jī)極對(duì)數(shù)p為7,可知交流電頻率與汽油機(jī)轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系。將低壓輔助繞組輸出的交流電經(jīng)過如圖3所示的頻率信號(hào)采樣電路后,輸出給控制器進(jìn)行頻率采樣。通過控制器的捕捉中斷模塊檢測頻率信號(hào)的上升沿,計(jì)算兩次上升沿之間的時(shí)間間隔來計(jì)算頻率。頻率信號(hào)采樣電路中采用了滯回比較電路,提高了電路的抗干擾能力。
2.3 電壓電流采樣電路
電壓電流采樣如圖4所示。電流采樣采用了LEM公司的HTS10-P電流傳感器,其額定輸入有效值電流為10 A,測量電流范圍為15 A,靈敏度為100 mV/A,輸出信號(hào)有2.5 V偏置。實(shí)際測量的電流范圍在0~8 A,通過差分電路將傳感器輸出信號(hào)幅度縮至1/2并減去2.5 V直流偏置,最后通過全波整流后送入給控制器A/D進(jìn)行采樣。電壓采樣也采用了差分電路,直流電壓在360~370 V,將直流信號(hào)幅度縮至2/360送入控制器A/D進(jìn)行采樣。
2.4 油門控制電路
汽油機(jī)在負(fù)載變化時(shí),轉(zhuǎn)速變化很大,為了使其具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng),需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)有較快的響應(yīng)速度和控制精度。本文選用步進(jìn)電機(jī)對(duì)油門進(jìn)行控制,具有控制精度較高、調(diào)節(jié)頻率和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由兩部分組成,一部分是功率放大部分,它提供步進(jìn)電機(jī)所需要的功率;另一部分是數(shù)字邏輯部分,它決定步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)繞組的通電順序。功率放大部分采用了MTS2916A電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,如圖5所示。數(shù)字邏輯部分由控制器對(duì)應(yīng)I/O口按圖6的時(shí)序輸出電平,可實(shí)現(xiàn)半步距控制步進(jìn)電機(jī)。
3 軟件設(shè)計(jì)
電子調(diào)速器的控制器軟件流程如圖7所示。為了保證采樣頻率的準(zhǔn)確性,采用了中值濾波的方法,每次采樣為10個(gè)頻率值,舍棄最大的兩個(gè)值和最小的兩個(gè)值,其余6個(gè)值取平均值作為當(dāng)前頻率值。電流采樣時(shí),需根據(jù)電子調(diào)速器直流輸出所接的逆變器工作頻率進(jìn)行調(diào)整,當(dāng)逆變器輸出為50 Hz時(shí),采樣周期應(yīng)為20 ms的整數(shù)倍,以采樣完整周期,本文的電流采樣周期為20 ms,在一個(gè)周期內(nèi)通過定時(shí)中斷采樣100次并計(jì)算有效值。電壓采樣為直流值,故只需平均值濾波即可。
油門控制設(shè)計(jì)為兩種模式[4]:節(jié)油模式和全速模式,通過控制器I/O口RD0可以設(shè)置,當(dāng)外接為高電平時(shí)為節(jié)油模式,外接為低電平時(shí)為全速模式。兩種模式的功率與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)特性曲線由發(fā)電機(jī)廠家提供。節(jié)油模式時(shí),調(diào)速器根據(jù)負(fù)載大小來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)油門,負(fù)載重時(shí)加大油門,負(fù)載輕時(shí)減小油門,達(dá)到節(jié)油的目的。全速模式時(shí),在較低負(fù)載時(shí),油門固定在一定位置,可以提高汽油機(jī)在較低負(fù)載時(shí)的帶載能力和響應(yīng)速度,當(dāng)負(fù)載逐步加大到指定功率以上時(shí),油門才開始動(dòng)作。
油門控制采用增量式PID控制算法,該算法只需保存前三個(gè)時(shí)刻的偏差值,占用控制器存儲(chǔ)空間小,計(jì)算誤差或精度不足時(shí)對(duì)系統(tǒng)影響小,累計(jì)誤差也比較小[5]。
增量型PID控制的公式為:
這樣問題簡化為整定參數(shù)Kp,改變Kp并觀察控制效果。在本系統(tǒng)中,通過多次試驗(yàn)比較控制效果,采用分段PID控制,當(dāng)頻率誤差在50 Hz以內(nèi)時(shí),Kp取0.35;當(dāng)誤差在50 Hz以上時(shí),Kp取0.7,使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作且負(fù)載突變時(shí)能具有較快的響應(yīng)。
4 試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)時(shí)采用的汽油發(fā)電機(jī)額定功率為3 kW,電子調(diào)速器控制油門后測得的轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示,曲線A為節(jié)油模式工作曲線,曲線B為全速模式工作曲線。節(jié)能模式時(shí),電子調(diào)速器控制汽油機(jī)轉(zhuǎn)速隨功率變化而變化,使得低負(fù)載時(shí),油耗少、轉(zhuǎn)速低,噪音減小。全速模式時(shí),電子調(diào)速器控制汽油機(jī)在負(fù)載為1.8 kW以下時(shí)工作在固定轉(zhuǎn)速,當(dāng)負(fù)載大于1.8 kW,電子調(diào)速器根據(jù)負(fù)載變化逐步增加汽油機(jī)轉(zhuǎn)速。
電子調(diào)速器在發(fā)電機(jī)負(fù)載切換時(shí),能迅速調(diào)整油門位置,保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可控,較好地滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
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