第25卷第6期 华 中 理 工 大 学 学 报 V ol. 25 N o. 61997年 6月 J. Huazhong U niv. of Sci. &T ech. Jun. 1997
柴油机数字式电子调速器
段晖辉 高世伦 金寿吉(船舶和海洋工程系)
摘 要 提出了一种采用M CS-8098单片机控制的柴油机数字式电子调速器. 通过单片机对柴油机转速进行数字P ID 调节, 克服了传统机械式调速器的许多缺点. 实验表明该调速器能够满足大多数中高速柴油机不同工况下的调速要求.
关键词 柴油机; 调速器; 单片机; PID 控制分类号 T K 421. 4
柴油机调速器性能直接决定了柴油机运行的稳定性和经济性, 目前我国大多数柴油机采用的机械式调速器已逐渐不能满足动力设备提出的越来越高的要求. 改进柴油机的供油及调速系统通常有以下两条途径[1]. a . 采用新型电控喷油系统, 抛弃传统的机械式供油系统. 这条途径是未来柴油机供油系统发展的大趋势, 在国外已有成熟的产品, 但价格昂贵. 由于制造加工精度要求高等原因, 在短期内, 我国还难以形成成熟产品. b . 采用新型调速器, 保留原有机械式供油系统. 这种采用电子式调速器代替机械式调速器的方法, 既能提高柴油机的各项性能, 又不至于大幅度提高成本, 用户和生产厂家都可以接受, 是适合我国国情的一条途径.
本文论述了数字式电子调速器硬件软件设计. 该调速器是一个闭环式控制系统. 设定转速n 0由司机通过油门踏板输入, 或台架操作人员通过操作手柄输入. 发动机的实际转速n 1由测速系统测得. 当n 0和n 1不相等时, 产生转速偏差e , 经PID 运算控制PWM 波的占空比, 该PWM 波通过滤波、放大后控制力矩电机, 拉动油泵齿条, 调节柴油机的循环供油量, 使柴油机在设定转速点稳定地工作. 当司机或操作人员改变油门位置时, 设定转速n 0发生变化, 系统能够以同样的方式迅速达到设定转速, 改善了柴油机的响应性能.
图1 调速器结构框图
1. 1 传感器部分
本数字式电子调速器要输入的信号有:柴油机转速信号、油泵齿条极限位置信号、油门位置信号、PID 参数调整信号. 由于MCS -8098单片机本身具有A /D 转换功能, 因此油门位置信号和PID 参数调整信号可以通过单片机的A/D 转换口直接输入.
转速信号和油泵齿条极限位置由霍尔开关集成电路产生. 霍尔器件由电源E 通过电阻R i 提供控制电流I , B 为外加磁场, 磁力线方向垂直于器件, 则在其输出端得到霍尔电势U fz , 当I =const 时, B 变化导致U fz 改变. 将霍尔元件产生的霍尔电势U fz 加以放大, 整形, 可构成开关型霍尔集成电路. 本系统采用的开关型霍尔集成电路是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级组成的集成电路. 它具有工作电源宽、无触点、寿命长、开关速度快、无瞬间抖动、工作频率宽、结构简单、体积小、安装方便的优点. 另外由于集电极开路输出, 能直接驱动晶体管、T TL 和M OS 集成电路等.
1. 2 执行器部分
本系统的执行器采用了永磁式直流力矩电机. 与其他类型执行器相比, 该电机具有转速低、
1 硬件设计
硬件设计结构框图如图1所示, 分为传感器、控制器、执行器三部分.
收稿日期:1996-12-01.
, (
54 华 中 理 工 大 学 学 报 1997年
力矩大、不退磁、反应快、线性度好等特点, 而且结构紧凑, 加速能力高, 可直接耦合传动, 省去了齿轮传动链, 消除齿隙误差, 提高了系统精度.
为了提高系统的抗干扰能力, 输出电路采用光耦将控制电路与功放电路进行隔离. PWM 波经过光耦隔离后再经过滤波以控制M OS 功率场效应晶体管, 进而控制力矩电机之输出力矩. 1. 3 控制器部分
控制器主要完成调速与控制运算、系统工作状态监测与PC 机通信联络等功能. 它是系统的核心部分. 由8098单片机、存储器、串行通信口及一系列辅助电路所组成. 控制器原理图如图
2.
方式并由相应的中断服务程序完成. 2. 1 主控制程序
该程序主要完成下列功能:系统上电或硬件
复位后, 对系统进行初始化; 系统自检及故障报警; 判断本次复位性质, 对保护性复位进行恢复; 柴油机冷机启动; 定时刷新WDT , 监测系统运行, 提高系统抗干扰性. 2. 2 中断服务程序
中断服务程序主要用于测定转速和输出脉宽可调PWM 波等.
3 实验研究
在研制过程中, 先后在柴油机仿真器和195单缸实验机上进行了台架实验, 样机的主要调速性能指标都优于机械式调速器(见表1).
表1 标定转速下转速波动率实验数据 (%)
图2 控制系统原理图
负荷机械式调速器电子式调速器
空载25%2. 00. 5
1. 50. 4
50%1. 50. 4
75%1. 40. 35
100%1. 30. 3
油门位置和PID 参数调整信号由8098的A/D 转换口ACH4～ACH7经查询方式输入, 转速信号和油泵齿条位置信号经HSI 0和HSI 1引脚通过中断方式输入, PWM 波由HSO0输出, 状态自检信号由HSO1输出. 另外为了便于与微机进行通信, 按RS 232C 标准扩展了串行通信口[2, 3].
实验结果表明, 该数字式电子调速器的研制是成功的, 它克服了传统机械式调速器调速精度差、响应慢、游车严重和操作性差的缺点, 在大幅度改善性能的同时, 生产成本提高不多, 适合于在中高速柴油机上推广使用.
参
考
文
献
2 软件设计
控制软件由主控程序、中断子程序所构成. 其中主程序完成MCS-8098的初始化和控制过程管理(包括启动、状态检测、自检报警等). 而信号采集、调节运算、控制量输出、串行通信及故障状态恢复等实时性要求高的过程, 则采用中断控制
1 赵士林. 九十年代内燃机. 上海:上海交通大学出版
社, 1990.
2 纪宗南. 8098单片微型计算机应用实例. 西安:西安电
子科技大学出版社, 1990.
3 陈建铎. 8098单片机原理及应用技术. 北京:电子科技
出版社, 1994.
A New Digital Electronic Governor for the Diesel Engine
Duan H uihui Gao Shilun J in Shouj i
Abstract A new kind of gov ernor using a ty pe M CS -8098sing le -chip m icroprocesso r to realize the dig ital PID co ntrol of the diesel eng ine speed is described. T he shortcomings of the conventional me-chanical type go ver no rs are overcome. Ex perim ental results show that such a g overnor is suitable for most m edium -and hig h -speed diesel engines operating under various co nditions with speed contro l du-ties .
Keywords diesel eng ines; go verno r; sing le-chip micro pro cessor; PID co ntrol
Duan Huihui M aster; Dept. of Naval Arch. &Ocean Eng. , HUST , Wuhan 430074, China.
第25卷第6期 华 中 理 工 大 学 学 报 V ol. 25 N o. 61997年 6月 J. Huazhong U niv. of Sci. &T ech. Jun. 1997
柴油机数字式电子调速器
段晖辉 高世伦 金寿吉(船舶和海洋工程系)
摘 要 提出了一种采用M CS-8098单片机控制的柴油机数字式电子调速器. 通过单片机对柴油机转速进行数字P ID 调节, 克服了传统机械式调速器的许多缺点. 实验表明该调速器能够满足大多数中高速柴油机不同工况下的调速要求.
关键词 柴油机; 调速器; 单片机; PID 控制分类号 T K 421. 4
柴油机调速器性能直接决定了柴油机运行的稳定性和经济性, 目前我国大多数柴油机采用的机械式调速器已逐渐不能满足动力设备提出的越来越高的要求. 改进柴油机的供油及调速系统通常有以下两条途径[1]. a . 采用新型电控喷油系统, 抛弃传统的机械式供油系统. 这条途径是未来柴油机供油系统发展的大趋势, 在国外已有成熟的产品, 但价格昂贵. 由于制造加工精度要求高等原因, 在短期内, 我国还难以形成成熟产品. b . 采用新型调速器, 保留原有机械式供油系统. 这种采用电子式调速器代替机械式调速器的方法, 既能提高柴油机的各项性能, 又不至于大幅度提高成本, 用户和生产厂家都可以接受, 是适合我国国情的一条途径.
本文论述了数字式电子调速器硬件软件设计. 该调速器是一个闭环式控制系统. 设定转速n 0由司机通过油门踏板输入, 或台架操作人员通过操作手柄输入. 发动机的实际转速n 1由测速系统测得. 当n 0和n 1不相等时, 产生转速偏差e , 经PID 运算控制PWM 波的占空比, 该PWM 波通过滤波、放大后控制力矩电机, 拉动油泵齿条, 调节柴油机的循环供油量, 使柴油机在设定转速点稳定地工作. 当司机或操作人员改变油门位置时, 设定转速n 0发生变化, 系统能够以同样的方式迅速达到设定转速, 改善了柴油机的响应性能.
图1 调速器结构框图
1. 1 传感器部分
本数字式电子调速器要输入的信号有:柴油机转速信号、油泵齿条极限位置信号、油门位置信号、PID 参数调整信号. 由于MCS -8098单片机本身具有A /D 转换功能, 因此油门位置信号和PID 参数调整信号可以通过单片机的A/D 转换口直接输入.
转速信号和油泵齿条极限位置由霍尔开关集成电路产生. 霍尔器件由电源E 通过电阻R i 提供控制电流I , B 为外加磁场, 磁力线方向垂直于器件, 则在其输出端得到霍尔电势U fz , 当I =const 时, B 变化导致U fz 改变. 将霍尔元件产生的霍尔电势U fz 加以放大, 整形, 可构成开关型霍尔集成电路. 本系统采用的开关型霍尔集成电路是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级组成的集成电路. 它具有工作电源宽、无触点、寿命长、开关速度快、无瞬间抖动、工作频率宽、结构简单、体积小、安装方便的优点. 另外由于集电极开路输出, 能直接驱动晶体管、T TL 和M OS 集成电路等.
1. 2 执行器部分
本系统的执行器采用了永磁式直流力矩电机. 与其他类型执行器相比, 该电机具有转速低、
1 硬件设计
硬件设计结构框图如图1所示, 分为传感器、控制器、执行器三部分.
收稿日期:1996-12-01.
, (
54 华 中 理 工 大 学 学 报 1997年
力矩大、不退磁、反应快、线性度好等特点, 而且结构紧凑, 加速能力高, 可直接耦合传动, 省去了齿轮传动链, 消除齿隙误差, 提高了系统精度.
为了提高系统的抗干扰能力, 输出电路采用光耦将控制电路与功放电路进行隔离. PWM 波经过光耦隔离后再经过滤波以控制M OS 功率场效应晶体管, 进而控制力矩电机之输出力矩. 1. 3 控制器部分
控制器主要完成调速与控制运算、系统工作状态监测与PC 机通信联络等功能. 它是系统的核心部分. 由8098单片机、存储器、串行通信口及一系列辅助电路所组成. 控制器原理图如图
2.
方式并由相应的中断服务程序完成. 2. 1 主控制程序
该程序主要完成下列功能:系统上电或硬件
复位后, 对系统进行初始化; 系统自检及故障报警; 判断本次复位性质, 对保护性复位进行恢复; 柴油机冷机启动; 定时刷新WDT , 监测系统运行, 提高系统抗干扰性. 2. 2 中断服务程序
中断服务程序主要用于测定转速和输出脉宽可调PWM 波等.
3 实验研究
在研制过程中, 先后在柴油机仿真器和195单缸实验机上进行了台架实验, 样机的主要调速性能指标都优于机械式调速器(见表1).
表1 标定转速下转速波动率实验数据 (%)
图2 控制系统原理图
负荷机械式调速器电子式调速器
空载25%2. 00. 5
1. 50. 4
50%1. 50. 4
75%1. 40. 35
100%1. 30. 3
油门位置和PID 参数调整信号由8098的A/D 转换口ACH4～ACH7经查询方式输入, 转速信号和油泵齿条位置信号经HSI 0和HSI 1引脚通过中断方式输入, PWM 波由HSO0输出, 状态自检信号由HSO1输出. 另外为了便于与微机进行通信, 按RS 232C 标准扩展了串行通信口[2, 3].
实验结果表明, 该数字式电子调速器的研制是成功的, 它克服了传统机械式调速器调速精度差、响应慢、游车严重和操作性差的缺点, 在大幅度改善性能的同时, 生产成本提高不多, 适合于在中高速柴油机上推广使用.
参
考
文
献
2 软件设计
控制软件由主控程序、中断子程序所构成. 其中主程序完成MCS-8098的初始化和控制过程管理(包括启动、状态检测、自检报警等). 而信号采集、调节运算、控制量输出、串行通信及故障状态恢复等实时性要求高的过程, 则采用中断控制
1 赵士林. 九十年代内燃机. 上海:上海交通大学出版
社, 1990.
2 纪宗南. 8098单片微型计算机应用实例. 西安:西安电
子科技大学出版社, 1990.
3 陈建铎. 8098单片机原理及应用技术. 北京:电子科技
出版社, 1994.
A New Digital Electronic Governor for the Diesel Engine
Duan H uihui Gao Shilun J in Shouj i
Abstract A new kind of gov ernor using a ty pe M CS -8098sing le -chip m icroprocesso r to realize the dig ital PID co ntrol of the diesel eng ine speed is described. T he shortcomings of the conventional me-chanical type go ver no rs are overcome. Ex perim ental results show that such a g overnor is suitable for most m edium -and hig h -speed diesel engines operating under various co nditions with speed contro l du-ties .
Keywords diesel eng ines; go verno r; sing le-chip micro pro cessor; PID co ntrol
Duan Huihui M aster; Dept. of Naval Arch. &Ocean Eng. , HUST , Wuhan 430074, China.