摘 要: 為提高便攜式汽油發(fā)電機的調速性能,采用數字信號控制器dsPIC開發(fā)了一種電子調速器,。該調速器能根據負載大小和汽油機實際轉速對油門位置進行調節(jié),通過PID算法實現對汽油機轉速的閉環(huán)控制。介紹了系統(tǒng)的總體方案,并對硬件,、軟件設計作了具體論述,。試驗結果表明,該調速器的控制效果達到設計要求。
關鍵詞: 電子調速器;便攜式汽油發(fā)電機;PID控制;數字信號控制器
便攜式汽油發(fā)電機是近幾年發(fā)展較快的發(fā)電機產品,為適應其小型化和節(jié)能的要求,采用數字控制技術成為目前的發(fā)展方向,。但由于汽油機的轉速高,、轉動慣量小,啟動、突加或突減負載時的擾動大,以及化油器靜態(tài)特性的非線性和動態(tài)特性中的過渡性能差等多方面的原因,使得汽油機的電子調速的研究難度較大,采用較多的仍是機械式調速[1],。
電子調速器體積小巧,控制精確,更重要的是能隨著汽油機負載的變化而調節(jié)汽油機的轉速,以達到明顯節(jié)能和提高系統(tǒng)性能的作用,這是傳統(tǒng)機械式調速器無法做到的[2-3],。本文設計的電子調速器可根據汽油機負載變化實時控制油門位置,具有較高的油門控制精度,使得汽油機轉速可控,節(jié)省了燃料消耗,提高了汽油機發(fā)電的經濟性。
1 總體方案設計
本文設計的電子調速器組成如圖1所示,?？刂破鞑蓸悠桶l(fā)電機整流后的直流電壓、電流信號,根據發(fā)動機工作特性曲線計算出當前的期望轉速,與實測轉速比較,通過PID算法計算出油門的目標位置,通過步進電機對油門位置進行調整,構成汽油機轉速的閉環(huán)控制系統(tǒng),。
2 硬件設計
2.1 主控制處理器
電子調速器采用Microchip公司的dsPIC30F2010高性能16位單片機作為控制器,它的特點是將控制和數字信號處理高速運算相結合,。主控微處理器電路如圖2所示,分配I/O口RE0~RE5作為電機驅動芯片的輸入,RB0采集電流信號,RB1采集溫度信號,RB2采集電壓信號,RB4采集轉速信號。
2.2 轉速采樣電路
汽油發(fā)電機具有一組低壓輔助繞組,其輸出的交流電與發(fā)電機輸出交流電同頻率,通過檢測繞組的交流電頻率可以計算汽油機轉速,。發(fā)電機輸出交流電頻率f,、汽油機轉速Ns和電機極對數p之間具有如下關系:
f=p×Ns/60
本文所采用的汽油機極對數p為7,可知交流電頻率與汽油機轉速存在線性關系。將低壓輔助繞組輸出的交流電經過如圖3所示的頻率信號采樣電路后,輸出給控制器進行頻率采樣,。通過控制器的捕捉中斷模塊檢測頻率信號的上升沿,計算兩次上升沿之間的時間間隔來計算頻率,。頻率信號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,輸出信號有2.5 V偏置,。實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,將直流信號幅度縮至2/360送入控制器A/D進行采樣。
2.4 油門控制電路
汽油機在負載變化時,轉速變化很大,為了使其具有良好的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應,需要執(zhí)行機構有較快的響應速度和控制精度,。本文選用步進電機對油門進行控制,具有控制精度較高,、調節(jié)頻率和響應速度快的特點。
步進電機的驅動電路由兩部分組成,一部分是功率放大部分,它提供步進電機所需要的功率;另一部分是數字邏輯部分,它決定步進電機各項繞組的通電順序,。功率放大部分采用了MTS2916A電機驅動器,如圖5所示,。數字邏輯部分由控制器對應I/O口按圖6的時序輸出電平,可實現半步距控制步進電機。
3 軟件設計
電子調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確性,采用了中值濾波的方法,每次采樣為10個頻率值,舍棄最大的兩個值和最小的兩個值,其余6個值取平均值作為當前頻率值,。電流采樣時,需根據電子調速器直流輸出所接的逆變器工作頻率進行調整,當逆變器輸出為50 Hz時,采樣周期應為20 ms的整數倍,以采樣完整周期,本文的電流采樣周期為20 ms,在一個周期內通過定時中斷采樣100次并計算有效值。電壓采樣為直流值,故只需平均值濾波即可,。
油門控制設計為兩種模式[4]:節(jié)油模式和全速模式,通過控制器I/O口RD0可以設置,當外接為高電平時為節(jié)油模式,外接為低電平時為全速模式,。兩種模式的功率與轉速對應特性曲線由發(fā)電機廠家提供。節(jié)油模式時,調速器根據負載大小來實時調節(jié)油門,負載重時加大油門,負載輕時減小油門,達到節(jié)油的目的,。全速模式時,在較低負載時,油門固定在一定位置,可以提高汽油機在較低負載時的帶載能力和響應速度,當負載逐步加大到指定功率以上時,油門才開始動作,。
油門控制采用增量式PID控制算法,該算法只需保存前三個時刻的偏差值,占用控制器存儲空間小,計算誤差或精度不足時對系統(tǒng)影響小,累計誤差也比較小[5]。
增量型PID控制的公式為:
這樣問題簡化為整定參數Kp,改變Kp并觀察控制效果,。在本系統(tǒng)中,通過多次試驗比較控制效果,采用分段PID控制,當頻率誤差在50 Hz以內時,Kp取0.35;當誤差在50 Hz以上時,Kp取0.7,使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作且負載突變時能具有較快的響應,。
4 試驗結果
試驗時采用的汽油發(fā)電機額定功率為3 kW,電子調速器控制油門后測得的轉速曲線如圖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,電子調速器控制汽油機轉速隨功率變化而變化,使得低負載時,油耗少,、轉速低,噪音減小,。全速模式時,電子調速器控制汽油機在負載為1.8 kW以下時工作在固定轉速,當負載大于1.8 kW,電子調速器根據負載變化逐步增加汽油機轉速。
電子調速器在發(fā)電機負載切換時,能迅速調整油門位置,保證發(fā)電機轉速可控,較好地滿足了系統(tǒng)的設計要求,。
參考文獻
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