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    小功率汽油發電機組電子調速器研制

    作者:admin 發布時間:2021-04-06點擊:52
      小功率汽油發電機組電子調速器研制
     
      0引言
     
      小功率汽油發電機組由于體積小,方便攜帶,廣泛作為生活生產的應急備用電源及野外作業電源。汽油發電機組是由汽油發動機拖動發電機向外部負載供電,發電機供電電壓與頻率受發動機轉速影響,要求發動機加裝凋速器在額定功率范圍內具有穩定轉速¨j,保證發電機供電質量穩定,并減小由發動機轉速波動引起的噪聲。傳統的機械式調速器結構復雜,并存在瞬時調速率和穩定率較差、過渡時間長等缺點,已不能適應發電機組的供電要求。電子凋速器調速具有調速性能穩定、控制范圍寬、靈活方便等優點,代表著調速器的發展趨勢。
     
      本文設計了一種由AVR單片機為控制核心,通過檢測發電機繞組電參數采樣發動機轉速,采用步進電機作為執行機構的電子調速器,并闡述了調速控制策略。
     
      1調速器組成及工作原理
     
      本設計電子凋速器以單片機為控制核心,通過檢測發電機輔助繞組電壓頻率采樣發動機轉速,并與目標轉速比較運算,當存在差值時,通過步進電機調節發動機油門開度大小,達到調節發動機轉速的目的,使發電機組輸出供電質量穩定,減小由于發動機轉速波動而產生的噪聲。調速器主要由ECU、執行機構、執行驅動、轉速采樣4部分組成,組成框圖如圖1所示。
     
      2硬件組成及主要電路設計
     
      根據電子調速器工作原理,設計硬件組成框圖如圖2所示。其中ECU采用ATMEL公司生產的AVR單片機ATMegal6,該芯片采用精簡指令集,具有16k字節Flash,內帶看門狗,并具ISP下載功能;顯示模塊具有數碼管及發光二極管2種,分別用于顯示各種參數及狀態指示;人機接口主要由輕觸接鍵實現,可用于設定轉速及相關控制參數;RS232接口主要采用Max232芯片構成電平轉換接口,用于與Pc機進行聯機通信;ISP接口主要用于ECU軟件燒寫;電源直接取樣電機輔助繞組經過全橋整流后由芯片7805和7810穩壓后產生+5V和+10V電源用于系統工作及步進電機驅動使用。
    電子調速器硬件組成圖
     
      2.1轉速采樣
     
      本設計中轉速采樣也別于傳統的利用磁電式或霍爾轉速傳感器檢測轉速,是通過檢測發電機b輔助繞組電壓頻率實現對發動機轉速的采樣,可以節約成本,如圖3所示,其中AC1與AC2為發電機輔助繞組交流電壓輸入,RPM—INT為整形后脈沖接入ECU的外部中斷口。
     
      2.2步進電機驅動
     
      其電路圖如圖4所示,其中,101、I11、PH1、PH2、I12、102用于控制驅動電流大小及方向,CON4為步進電機接線口。
     
      發動機油門開度要可以實現正反方向變化,因此設計采用雙極性兩相步進電機作為執行機構,并采用ST公司生產的L6219作為驅動芯片,其電路圖如圖4所示,其中,101、I11、PH1、PH2、I12、102用于控制驅動電流大小及方向,CON4為步進電機接線口。
     
      3轉速控制策略
     
      在汽油機轉速變化過渡過程中,調速系統可以看作一階慣性環節和二階欠阻尼環節的疊加,作為連續控制系統適合用PID進行控制¨]。其數學表達式為:式中,()f為調節量,e(t)為實際值與目標值偏差量,K為比例系數,K為積分時間常數,為微分時間常數。
     
      位置式PID算法由于是全量輸出,每次輸出均與過去的狀態有關,計算時要對偏差進行累加,計算工作量大,且電子調速器是以步進電機作為執行機構,適合采用增量式PID控制算法[3],其數學表達式為:
     
      4軟件設計
     
      系統軟件采用模塊化設計,主要由按鍵掃描模塊、顯示模塊、通信模塊、轉速采樣、步進電機驅動、控制輸出組成,其中,按鍵掃描模塊實現人機交互,用于目標轉速及相關參數設定;顯示模塊用于顯示各種實時參數及狀態;通信模塊采用中斷方式收發,主要用于與PC機數據通信;控制輸出主要根據PID控制算法進行計算得到步進電機驅動方向及驅動步數,并通過步進電機驅動模塊執行輸出。另外,轉速采樣主要在外部中斷中實現。軟件主程序框圖如圖5所示。
     
      5結論
     
      本設計系統以信號發生器作為控制系統進行試驗,其中,信號發生器輸出信號模擬發電機輸出電壓;調節旋扭模擬油門。結果表明,增量式PID算法可以滿足調速器要求,調速性能較好,響應快,控制精度高。系統設計架構可通過變更軟件控制參數、執行機構以適應不同發電機組,并可借鑒應用于柴油機,通用性及實用性強。