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电控调速器动态特性试验研究 摘要 调速器的动态分析是研究调速系统的动态过程性能。为了提高柴油机 的响应速度，减小超调量，改善柴油机经济性能和排放性能，在试验研究 中，以广西玉柴机器股份有限公司的y c 2 1 0 5 柴油机为研究对象，将机械调 速器改装成为电控调速器，该电控调速器由信号采集、数据处理和执行机 构三个功能模块组成。通过四个传感器来采集柴油机的转速、踏板转角、 齿杆位置和冷却液温度信号，由a t 8 9 s 5 2 单片机为核心的e c u 将采集信号 与设定值比较后经过模糊p i d 控制运算，得到转速及位移偏差量，偏差量 经调节器校正放大后得出喷油泵齿条位置调整值，从而控制柴油机在所设 定的转速下稳定运行。 以l a b v i e w 为软件开发平台，g bl1 0 5 3 8 7 内燃机台架性能试验方 法测量技术为依据，设计了电控调速器动态特性测试系统，该系统由信 号采集模块、数据测量模块、特性曲线显示模块、数据存储模块、温度报 警模块五大模块组成，系统性能稳定，灵敏度高，精度好，程序简单，达 到设计目标的要求。 通过柴油机台架试验结果表明：研制的电控调速器在满足系统实际需 要的基础之上，比原有的机械调速器有更快的响应速度、更好的调节效果， 证明其动态性能有一定的提高，可以取代机械式调速器。柴油机的电控调 速器动态特性还受到其他因素的影响，应全面考虑以提高柴油机的性能， 才会使高性能的柴油机面向市场推出。 关键词：柴油机电控调速器模糊p i d 控制测试系统 d y n a m i cc h a r a c t e i u s t i ce x p e i u m e n t a l i m v e s t i g a t i o n so fe l e c t r o n i cs p e e d g o v e r n o r a bs t r a c t t h ed y n a m i ca n a l y s i so fs p e e dr e g u l a t o ri so nt h ep e r f o m a n c eo fd y n a m i c p r o c e s ss p e e dg o v e r n i n gs y s t e m t h i sp a p e r i n t r o d u c e dan e we l e c t r o n i c c o n t r o l l e ds p e e dg o v e r n o ro fd i e s e le n g i n e ，w h i c hi sb a s e do nt h ey c 210 5d i e s e l e n g i n e t h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e ds p e e dg o v e r n o ri sm a d eu po ft h r e ef u n c t i o n m o d u l e ：s i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e m ，d a t ad i s p o s a ls y s t e ma n de x e c u t em a c h i n e t h ea n g l es i g n a lo fa c c e l e r o g r a p ho fd i e s e le n g i n e ，t h er o t a t es p e e ds i g n a lo f f u e l - e je c t i n gp u m p ，t h ep o s i t i o ns i g n a lo ft o o t h e db a ro ff u e l e je c t i n gp u m pa n d t h et e m p e r a t u r es i g n a lo fc o o l i n gl i q u i d ，w h i c hc o m ef r o mf o u rs e n s o r s t h e e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a ld i e s e li sc o r eo fa t 8 9 s 5 2 t h eo u t p u ts i g n a li sd i g i t a l v o l t a g ew h i c hi sp r o p o r t i o n a b l eo ff r e q u e n c ya n dt o t a t es p e e d a f t e rt h i ss i g n a l c o m p a r e dw i t ht h ei n i t i a l i z a t i o n ，o b t a i n st h er o t a t i o n a ls p e e dw i n d a g ew h i c a d ju s t sa n dm a g n i f i e da f t e rt h er e g u l a t o rc a no b t a i nt h er e g u l a t i v ev a l u i c o n s e q u e n t l yc o n t r o l i n gt h ed i e s e le n g i n es t e a d yo p e r a t i o n t h i sp a p e rd e s i g nat e s ts y s t e mb yd i n to fs o f td e v e l o pp l a t f o r ml a b v i e 、i d e s i g n e ds o f t w a r e ，b a s e d o ng b110 5 3 - 8 7 w h i c hi s c o m p o s e do ft h e m o d u l eo fs i g n a lc o l l e c t i o n ，t h em o d u l eo ft e s t ，v a c u u mb o o s t e rc h a r a c t e r i s t i c c u r v e ，t h em o d u l eo fd a t am e m o r ya n dt h em o d u l eo ft e m p e r a t u r ea l a r m t e s t r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt e s ts y s t e mh a v es t a b l ep e r f o r m a n c e ，g o o ds e n s i t i v ea n d h i 曲p r e c i s e ，w h i c hg e tr e q u i r e m e n to fd e s i g nt a r g e t i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n tt h a tt h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls p e e dg o v e r n o rn e w l y i i d e v e l o p e dc a nm e e tt h ep r a c t i c ed e m a n do fd i e s e le n g i n e ，w h i c hi sq u i c k e ri n r e s p o n s ea n di sb e t t e ra te f f e c to fi n t e l l i g e n ts p e e da d j u s t i n gt h a nm e c h a n i c a l s p e e dg o v e r n o r t h ed i e s e le n g i n e ss p e e dt r a i t h a sc e r t a i ne n h a n c e m e n t c o m p a r e d w i t hf o r m e r e n g i n ew h i c h c a n r e p l a c e t h em e c h a n i c a lc o n t r o l s y s t e m d i e s e le n g i n e s e l e c t r o n i cc o n t r o l s p e e dg o v e r n o rc o m ef r o mo t h e r f a c t o r sa f f e c t ，s ow es h o u l dc o n s i d e rt h ea l lt h i n g sf o rh i 曲t h ep e r f o r m a n c eo f d i e s e le n g i n et os u p p l e m e n tm u t u a l l ya n de n h a n c ew i l lt h e nc a u s et h eh i g h p e r f o r m a n c ee n g i n et of a c et h em a r k e t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e l e c t r o n i cc o n t r o ls p e e dg o v e r n o r ；f u z z yp i d c o n t r o ls y s t e m ；t e s ts y s t e m i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 趴随峨怖6 月2 乡日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 曰即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文储虢峨新虢阅场”声多月哆日 广。西大学硕士掌位论文 电控调速器动态特性试验研究 1 1 调速器动态特性 第一章绪论 所有压燃式内燃机即柴油机上均装有调速器，其最基本的功能是限制发动机的最高 转速，即保证它在高速工况下不致因超速而产生“飞车”，同时也要保证在低速与怠速时 的稳定运行，并限制其在其他工况下的转速波动【1 1 。 调速系统的性能的优劣，需要用量化的性能指标来衡量，其性能指标可分为稳态性 能指标和动态性能指标【2 】。当发动机在某一个工况稳定运行时，其调速系统处在一种平 衡状态，调速系统中的各个参数是不变的。发动机多种这样稳定工况所反映出的调速特 性叫稳态特性。评定静态特性的技术指标有三个，稳态调速率万、非直线度八不灵敏 度s 。稳态调速率万值愈小，机组恒频性愈好，反之万值愈大，调速系统稳定性愈好。 对同一调速系统，在其它条件不变时，万值愈大，瞬态调速率也愈大，为保证动态指 标在给定范围内，要求万不能大于某一限定值。综上所述，对恒速反馈调速系统，万值 一般在2 4 ；刚性反馈调速系统，万值在3 5 范围内较为合适。非直线度y 是用 来表征静特性线的弯曲程度 4 1 。对并联运行机组，要求非直线度y ，数值愈小愈好。不 灵敏度s 是一种非线性因素，当它过大时，会引起柴油机转速不稳，在极端的情况下甚 至会导致调速器失去作用，使柴油机又产生飞车的危险；如保持系统稳定，则使系统的 指标恶化【5 1 。 将机组整定至额定工况( 额定功率、额定转速、额定电压、额定功率因数) ，固定 调速整定值，突变额定负载1 0 0 0 ；记录转速刀随时间，的变化曲线，该曲线称作机 组调速系统的动态特性( 或过渡过程) ，如图1 1 f 3 】所示。从图1 1 所示调速系统的动特 性中，可以求出评定动特性的三个技术指标：转速不稳定度甲、瞬态调速率中、稳定时 间r 。转速不稳定度甲主要用来评定调速系统的动稳性，其主要由调速系统不稳定而引 起的转速波动，其波动幅值随时间而变。一般测定标定功率时的转速不稳定度甲值应 l 。瞬态调速率代表调速系统在突变负载时，转速超调量的大小，维持瞬时恒频 能力的强弱，所以它是调速系统的重要动态指标之一【6 1 。瞬态调速率值随稳态调速率 万增加而增大，一般情况下，瞬态调速率应1 2 ，：对发电用的柴油机，要求值 广西大掌硕士掌位论文电控调逮器动态特性试验研究 应5 1 0 。稳定时间丁是指从转速( 或负载) 突变起至转速重新稳定在所规定的转 速不稳定度范围内为止的一段时间，它是代表动态过程稳定快慢的指标。一般情况下， 稳定时间t = 5 - - 1 0 s ，对发电用的柴油机，要求稳定时间r = 3 5 s 1 7 1 。 口 瑙 辩 嚣 需 赵 其 磐 鳝 瓣 褥 蠡 一h 缸一 罄 t m 出 气 八 口 厶 q c l i l ，、，、 一 l _ - 一r -l ，uv 目i 舌i iv r 阜 口 i j ? 一 拿 口 图l 一1 发动机动态转速特性 f i g l l d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f e n g i n e 乙矗一转速回复时间( 减载) ； 乙血一转速回复时间( 加载) ； 血恒定功率时转速在平均值上下波动的包迹宽度； 嘞一一过调转速； 刀p 一部分负载转速； i 口一部分负载转速时的空载转速； 万d 威一欠调转速； 转速不稳定度、l ，：垦坠! 生1 0 0 瞬态调速率：g m a x - - r m i n 1 0 0 刀0 稳态调速率万：垒x 1 0 0 ，l ， 2 广西大学硕士掌位论文电控调速器动态特性试验研究 1 2 调速器动态特性的问题 1 2 1 怠速性能差 当发动机在怠速运转时突然加油门到底，使转速升至空载最高转速后突放油门，转 速随即下降，此时发动机能否在怠速转速稳定，该工况用怠速加油行程胡来评价。所 谓怠速加油行程是指汽车油门踏板在怠速位置时，油泵转速从怠速值下降5 0 r m i n ，此 时油泵齿杆向加油方向移动的行程，即为加油行程，记为埘。很显然，脯值越小， 表明转速下降时，油泵获得的增加油量越小，这样当怠速轰油门且马上松开油门时，发 动机转速马上降低到低于怠速值，而且由于此时脯值又较小时，即增加的供油量少， 则很容易引起熄火；反之，胡值越大，则当转速下降时，由于获得的增加油量越大， 使得发动机转速马上回升。因此用怠速加油行程盥来评价当怠速轰油门使发动机转速 至最高空载转速突放油门，此时发动机是否易发生熄火的问题疆1 。 1 2 2 加速性能差及自由加速冒黑烟问题 一般来说从怠速开始加速的途径总是通过改变油门踏板位置来实现的。具体对于两 极调速器来说，改变油门踏板位置就是直接改变齿杆行程位置，从而实现加( 减) 速操作。 而对于全程式调速器来说，改变油门踏板位置，其直接改变的是调速器弹簧的预紧力， 然后由调速感应元件及调速杠杆等组件的位置来改变供油齿杆位置，实现加( 减) 速操 作。因此不管哪种调速器，从原理上讲都是由于齿杆行程的改变才导致了发动机转速的 升高或下降。但是当设计不当或调速器零件磨损就会引起加速性能差及自由加速冒黑烟 的问题哺1 。 1 2 3 中低转速工况欠调转速问题 图1 2 所示为车用喷油泵两极式调速器的喷油特性曲线。图中点画线为柴油机空转 所需的喷油曲线，可以看出当油门踏板固定时由调速器决定的喷油特性曲线与空转所需 喷油曲线有两个交点，形成图中的阴影区域，导致柴油机在空负荷中低速区域转速工况 欠调转速问题，特别在装车后，该欠调转速问题严重影响到汽车的驾驶性能阳3 。 广西大掌硕士掌位论文 电控调速器动态特性试验研究 燕 。 昌 暑 嘲 樱 螫 图l - 2 油门踏板在不同开度时的喷油量特性曲线 f i g1 - 2f u e lc h a r g ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f a c c e l e r a t o rp e d a ld i f f e r e n to p e n i n g 1 3 调速器动态特性检测技术的国内外状况 大连理工大学研制了柴油机数字电子调速器动态特性计算机辅助测试系统，它可 将柴油机瞬时转速，给定转速和齿条位移变化曲线，在显示器上同步的显示，并可将采 集来的数据全部保存在磁盘e p t g l 。大连交通大学机械工程学院邓晓云设计了一套便携式 车用发动机转速测试系统，此系统结构合理、实时性强、测量精度高，而且易于实现解 决了车用发动机在道路实验中转速实时测量记录的难题。便于扩展成为车用发动机全参 数测量系统【l o l 。文献【1 1 】中设计一个辅助设计平台来简化传统方式中从数据传输、数据 处理到图形显示的整个过程，使设计者能将精力更多地集中在电子调速器本身的设计 上，以帮助设计者在调速器设计中更好地找到调节点。文献 1 2 1 中介绍了一种水轮机调 速器微机动态测试仪是一种较高级的智能化测试仪器，系国内首次将微机技术应用于水 轮机调速器的动态特性试验。其结构小巧，重量轻，很适用于水电站现场试验。它可以 进行调速器的空载扰动试验、甩负荷试验、脉冲法测转速死区试验和静特性曲线试验。 文献【1 3 】中介绍了一套水力机组动态特性参数测试仪，该仪器与水轮机调速器配套使用， 可实现自适应控制的目的；在水轮机调速器现场调试阶段，仪器还可测试调速系统的静 特性、接力器不动时间等，达到一机多用的目的。 1 4 调速器动态特性研究中的技术路线 针对第一章第2 节所提出的问题，以y c 2 1 0 5 型柴油机两极机械调速器为研究对象， 开发出电子调速控制系统，所采用的技术路线如下： 4 电控调速器动态特性试验研究 筛选几类典型的电控调速器的执行单元，使其动态特性满足车用发动机最优的 控制要求。 应用模糊p i d 控制方法对车用柴油机电控调速器的执行单元控制进行研究，通 过台架试验证明电控调速器的动态响应特性。 根据调速器的控制功能设计软件的主程序和调速模块，通过调速模块程序控制 调速器动态特性。 在y c 2 1 0 5 型柴油机上试验电控调速器动态特性。 实施上述技术路线时，要完成以下工作。 1 4 1 电控调速器执行单元的制作安装 基本结构保持原有传统的泵管嘴供油系统，保留了喷油泵中的齿条、控制滑套、柱 塞上的控制斜槽等控制油量的机械调节机构【1 4 】，一种采用单片机控制的旋转步进电机带 动凸轮机构驱动喷油泵齿条运动，另一种采用单片机控制直线步进电机带动杠杆机构驱 动喷油泵齿条运动，将燃油系中的机械调速器改为电控调速器【1 5 】。以达到调节喷油量， 进而控制柴油机转速的目的。该电控调速器由信号采集、数据处理和执行机构三个功能 模块组成。通过四个传感器来采集柴油机的转速、踏板转角、齿杆位置和冷却液温度信 号，由a t 8 9 s 5 2 单片机为核心的e c u 将采集信号与设定值比较后得到转速及位移偏差 量，误差较大时采用模糊控制，误差较小时转换成p i d 控制，并将发动机转速的整个范 围分为若干段，在每一段上分别整定p i d 参数，以削弱发动机运转过程中非线性影响。 偏差量经调节器校正放大后得出喷油泵齿条位置调整值，从而控制柴油机在所设定的转 速下稳定运行。目前的柴油机调速器控制方式( 尤其是国外现有的调速器产品中) 【1 6 】【1 7 1 1 8 】 多采用p i d 控制。 1 4 2 基于模糊p i d 控制的调速器动态特性的实现 模糊控制系统，用于复杂非线性被控对象，取得较满意的静态和动态性能，但是对 于线性被控对象却不能精确的进行控制。p i d 是一种线性控制器，能获得较高的稳态精 度，又能具有较高的动态响应，但是对于复杂的非线性被控对象，则不能进行模拟。在 整个电控调速器系统中，由于其动态特性是非线性的，所以不能用精确的数学模型来实 现，但是在误差0 2 5 范围内，可以近似的看成线性，因此电控调速器f u z z y p i d 复合 电拉啊追h 锄志特性试齄崭兜 控制系统的基本控制思想是在误差02 5 范围内采用f u z z y 控制，在误差1 0 2 5 范围内 转换成p i d 控制，由微机自动实现转换。 4 3 选择合适的调速器动态特性试验分析手段 在y c 2 1 0 5 型柴油机上进行电控调速器的动态特性试验，实验台如图1 - 3 所示。按 照国标g b t6 0 7 2 1 进行发动机突卸载荷试验，即柴油机喷油泵调速手柄位置一定时， 突卸全部载荷，记录柴油机最高空载转速、瞬时空载转速、稳定空载转速等，按照国标 g b i 6 0 7 24 - 2 0 0 0 来分析转速不稳定度甲、瞬态调速率m 、稳定时间r 。 一| 【黧鬓蔫蒸剽 田卜3 电控调逯器动态特性实验台 f i g 1 - 3e x p e r i m e n t t a b l e o f e l e c t r o n l cc o n t r o ls d e e d g o v e r n o r o y n a m l cc h a t a c t e d s t i c 电控调速器动态特性试验研究 第二章电控调速器的结构、电路和控制程序设计 调速器的功用是：当外界阻力在一定范围内变化时，根据转速的变化自动调节喷油 泵的供油调节齿杆位置，相应改变供油量，使发动机输出扭矩与外界阻力相平衡，保持 发动机转速稳定1 2 1 1 。 电控调速器的结构原理如图2 1 【4 6 1 所示，其控制系统原理如图2 2 所示。 图2 1电控调速器结构原理图 f i g 2 - lt h es t r u c t u r eo fe l e c t r o n i cs p e e dg o v e r n o r 图2 - 2 电控调速器工作原理框图 f i g 2 - 2t h ew o r kp r i n c i p l eo fe l e c t r o n i cs p e e dg o v e r n o r 电控调速器的工作过程是：通过角度传感器、转速传感器、位移传感器及温度传感 器来检测发动机的加速踏板的转角信号口、油泵的转速信号刀和齿杆的位置信号s 。及水 温信号t ，根据加速踏板转角信号口、油泵的转速信号刀及水温信号，来确定发动机的运 行工况，由单片机计算出齿杆的目标位置s 。，将齿杆的目标位置s 。与齿杆的位置信号 进行比较，得出其差值j ，根据差值s 通过模糊【2 0 p i d 控制算法进行计算，向执行机构发 出指令，执行机构动作完成后，再重新检测，如此循环运行，调速系统就能根据柴油机 7 厂西大掌硕士掌位论文 电控调逮器动态特性试验研究 的各种运行工况，随时对柴油机的供油量进行调整，完成调速器所应有的作用。 电控调速器工作过程主要是通过传感器信号经由单片机进行运算进而控制执行机 构来完成的，因此我们必须进行电控调速器的执行机构的设计、外围电路的设计和单片 机运算控制程序的设计。 2 1 执行机构的设计 执行机构的动态响应速度和精度影响着整个调速器的性能。柴油机在负载发生变化 时，转速变化很快，因此要求执行机构有较快的动态响应速度。如果执行机构的响应特 性不好，无论什么样的控制方式都不可能取得满意的控制效果。由于柴油机具有机械惯 性，因此并不是执行机构的动态响应速度越高越好，但要求调速器的响应时间要小于柴 油机机械惯性时间。执行机构的响应精度对调速器控制的精度和稳定性都有着很大的影 响，因此，要求执行机构具有更高的响应精度。 现今应用较多的执行器有比例电磁铁( 线性螺丝管) ；直流力矩电动机；电液伺服 器；也有少部分使用微型直流伺服电机或步进电机，以满足某些特殊应用场合的需要。 我国也有人对直流比例电磁铁进行改进，设计出功耗较低的电磁执行器瞄】。 2 1 1 步进电机及其驱动器的选择 步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将其转换成相应的角位移或线位移的 控制电机。它由专用电源供给电脉冲，每输入一个脉冲，电动机就移动一步，故称之为 步进电动机。步进电动机具有定位精度高、反应速度快、结构简单等特点，很适合数字 控制系统的要求，因此广泛应用于数控机床、计算机外围设各、自动化仪器仪表中作为 执行元件【2 3 】。 螺杆传动机构和凸轮杠杆传动机构实验选用的是常州双杰电子有限公司生产的 5 7 b y g h 6 6 0 2 型2 相混合式步进电机，杠杆传动机构选用的是海顿直线电机( 常州) 有 限公司生产的2 1 0 0 0 系列s i z e8 直线步进电机。 5 7 b y g h 6 6 0 2 型2 相混合式步进电机的照片、外形图、接线图及矩频特性如图2 3 、 图2 - 4 、图2 5 、图2 6 所示。 电控调麓嚣聊惠特性溘目 兜 翻 - 竺：兰二一 圈2 - 35 7 b y g h 6 6 0 2 型2 相捏合式 步进电机照片 f i g2 - 3 1 1 1 e p h o t o o f 5 7 b y g h 6 6 0 2 聊e s t e p m o t o r 目2 - 55 7 b y g h 6 6 0 2 型2 相 棍台式步进电机的接线圈 r i 9 2 - 5 t h e w i r i n 9 4 i a s r a m o f 5 7 b y g h 6 6 0 2 q p es t e p i o r 靠刘葡 图2 - 45 7 b y o h 6 6 0 2 型2 相混合式 步进电机外形图 f i 9 2 4 t h e f i g u r e o f 5 7 b y g h 6 6 0 2 t y p es e e i m o t o r mi m 圈2 - 65 7 b y g h 6 6 0 2 型2 相棍台式 步进电机运行矩额特性 f i 9 2 - 6 m ec h k n n i c s o f m o m e n t h l u e n c y o f 5 7 b y g h 6 6 0 2 孵s t e p m o t o r 5 7 b y o h 6 6 0 2 型2 相混合式步进电机的主要技术参数如表2 - 1 所示。 表2 - i5 7 b y g h 6 6 0 2 型硝目混合式步进电机的主要技术参数表 步距角机身长电流电阻电辟 l 扩1 5 a 静力矩定位力矩转动惯量 引线数重量 9o k g m l 3 5 0 9c m2 8 0 9 c m 5 9 0 9 连。这也 方便了与s j - 2 h 0 4 2 m a 步进电机驱动器的配合使用 s j - 2 h 0 4 2 m a 型步进电机驱动器采用原装进口模块实现高频斩波恒流驱动，具 有很强的抗干扰性、高频性能好、起动频率高、控制信号与内部信号实现光电隔离、电 流可选、结构简单、运行平稳，可靠性好、噪声小等特点。 n 、0 瞰 铘 广西 瘴士掌位论文电控僵鱼耳舫患幢性谜聃研究 s j - 2 h 0 4 2 m a 型步进电机驱动器驱动回路构成如图2 7 所示。 田2 - 7 步进电机驱动器驱动回路圈田2 - 8 海顿2 1 0 0 0 系列s i 玷8 直线步进电机 f i g 2 - 7 t h ed w i c , o p o f m p p h m o t o r d r i v e r f k 2 - 8 * s i z e8 0 f d 2 1 0 0 0 卯e l l n e s i e p m o t o r 直线电机是直接产生直线运动的电动机，它可以看成是旋转电机演化而来的。直线 电机按结构分类可分为平板型、管型、弧型和盘型，平板型结构是最基本的结构，应用 也最广泛。直线电机的优点是：结构简单，反应速度快，灵敏度高，随动性好，容易密 封，不怕污染，适应性强，工作稳定可靠，寿命长( 直线电机是一种直接传动的特种电 机，可实现无接触传递力，没有什么机械损耗，故障少，几乎不需要维修，又不怕振动 和冲击) 。额定值高，有精密定位和自锁的能力( 和控制系统相配合，可做割00 0 1 m m 的 位移精度和自锁能力) 。 杠杆传动机构实验选用的海顿2 1 0 0 0 系列s i z e8 直线步进电机，电机体积小，性能 高，适于安装空间狭小的应用。此系列的直线电机有三种设计即固定轴式、贯通轴式 和外部驱动式，试验中选用的是固定轴式的直线步进电机。 海顿2 1 0 0 0 系列s i z e8 直线步进电机的照片、外型图、速度与推力曲线比较如图2 - 8 、 图2 - 9 、图2 1 0 所示。 海顿2 t 0 0 0 系列8 i z e8 直线步进电机的主要技术参数如表2 - 2 所示。 表2 - 2 海顿2 1 0 0 0 系列s i z e8 直线步进电机的主要技术参数 l 步距角机身长电流电阻 电感 1 8 。2 1 r a m0 4 9 a5 1 n1 _ 5 r n h 功耗温升直线步长绝缘电阻重量 2 4 s w 7 5 3 5 m m2 0 m n 4 5 9 电控啊璃嚣动患特性试验研究 图2 - 9 海顿2 1 0 0 0 系列s i z e8 直线步进电机的外型圈 f i g2 - 9 t h eo u t l m c d i m e n s i o no f s i z es o f h a i d u n 2 1 0 0 0 t y p e l i n es t 叩m o t o r 逮度( p p s ) 图2 - 1 0 海顿2 1 0 0 0 系列s h8 直线步进电机的速度与推力曲线比较圈 p i e 2 - 1 0 t h e p h o t oo f s i z e8 0 f h a d u n 2 1 0 c 0 t y p e l i n es t e p m o t o r 图2 - l i 海顿d c m 8 0 2 $ 驱动器照片 圈2 1 2 海顿d c m 8 0 2 8 驱动器外型凹 f i 9 2 1 1t h ep h o t oo f h a i d u n d c m 8 0 2 8d r i v e rf i 9 2 1 2 t h eo u t l i n ed i m e n s i o no f h a i d u n d c m s 0 2 8d r i v e r 广西大掌硕士学位论文 电控调逮器动态特性试验研究 该直线步进电机与d c m s 0 2 8 高性能细分斩波驱动器配合使用。 技术参数： 体积为；l1 5 x 9 7 x 3 1 m m 电压要求：单个驱动+ 2 0 v d c 至u + 8 0 v d c 电流输出：1 0 5 a 到2 8 a o斩波频率：2 0 k h z 海顿d c m s 0 2 8 驱动器电气规格( t j = 2 5 c ) 如表2 - 3 所示 表2 - 3 海顿d c m 8 0 2 8 驱动器电气规格 参数最小值典型值最大值备注 输出相电流 2 0 a 1 0 a 用户自定义 5 5 a ：2 8 a d i p 开关设定 电源电压( 直流) 十2 0 v+ 6 8 v+ 8 0 v 逻辑信号电流 1 0 m a1 2 m a1 8 m a 步进脉冲频率 o 用户自定义 5 0 0 k h z 绝缘电阻 5 0 m q 该驱动器使用了先进的双极性直流斩波技术，相比l r 同类驱动器输出功率更高， 速度更快。 2 1 2 传动机构的设计 x 2 b q 8 5 y 0 0 6 型柴油机喷油泵的齿杆位移量为1 2 m m 。喷油泵工作时，要求齿杆位 移调节灵敏迅速，在电控调速器的传动机构中，要求步进电机的传动速度越快越好，其 转速可以根据实际情况由程序设定。因此，在满足扭矩要求的前提下，尽可能地提高步 进电机的转速。经过试验，旋转步进电机的转速在1 5 0 r m i n 时，直线步进电机在6 0 0 r m i n 时，达到最理想的速度扣矩输出。 螺杆传动机构阍由传动螺杆、螺母、拉杆和弹簧组成。螺母采用薄板制成，与带有 m 8 的螺纹的传动螺杆啮合。杠杆选用3 ：5 的比例。以步进电机转速为1 5 0 r m i n 计，齿杆 移动一个行程的距离，需时2 3 0 4 秒。 齿杆位移与步进电机旋转圈数的关系式为 y = 2 0 8 x( 2 一1 ) 其中：j ，为齿杆移动的距离，单位为n l n l 。 x 为步进电机旋转的圈数。 1 2 广西大掌硕士掌位论文 电控调逮器动态特性试验研究 图2 - 1 3 螺杆传动机构结构图 f i g 2 - 1 3t h es t r u c t u r eo f s c r e wt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m 图2 1 4 凸轮传动机构结构图 f i g 2 - 1 4t h es t r u c t u r eo f t h ec y l i n d r i c a lc a n lm e c h a n i s m 图2 1 5 直线电机杠杆机构传动机构结构图 f i g 2 15t h es t r u c t u r eo ft h el i n es t e pm o t o rt r a n s m i s s i o nl e v e rm e c h a n i s m 1 3 广西大掌硕士学位论文 电控调逮器动态特性试验研究 广呈 1 一l 上 1 6 爿 m l上 2 日 图2 - 1 6 传动杠杆图2 - 1 7圆柱凸轮机构 f i g 2 - 1 6t h et r a n s m i s s i o nl e v e rf i g 2 - 1 7t h ec y l i n d r i c a lc a mm e c h a n i s m 凸轮杠杆机构由滚子直动从动件圆柱凸轮和杠杆组成。凸轮绕其自身轴线回转，通 过与螺旋轮廓相接触的从动件滚子驱动从动件沿其移动副导路移动，移动方向平行于凸 轮回转轴及供油齿杆，滚子从动件推动杠杆移动，从而推动供油齿杆【2 4 1 。为了放大移动 的距离，杠杆选用3 ：5 的放大比例传动。各零件的具体尺寸结构如上列图中所示。 在该传动机构中，步进电机每旋转一周，圆柱凸轮旋转一周，从动件滚子沿移动副 导路移动一个升程，从而带动从动件沿直线方向移动1 5 m m ，经过杠杆传动带动供油齿 杆移动2 5 m m ，齿杆移动一个行程，步进电机需以1 5 0 f r a i n 旋转4 8 周，耗时1 9 2 秒。 齿杆位移与步进电机旋转圈数的关系式为 y = 5 x( 2 - 2 ) 其中：y 为齿杆移动的距离，单位为m m 。 x 为步进电机旋转的圈数。 杠杆传动机构由海顿2 1 0 0 0 系列s i z e8 直线步进电机和传动杠杆组成。直线步迸 电机的推力最高可达到4 5 n ，传动杠杆采用1 ：2 的传动比例，放大直线步进电机的移 动距离，提高传动效率。 该传动机构中，直线步进电机每旋转一圈，推进行程为0 0 0 5 m m ，经过杠杆传动带 动供油齿杆移动0 0 1 m m ，要使齿杆移动一个行程的距离1 2 m m ，则直线步进电机要旋转 1 2 0 0 周。以直线步进电机转速为6 0 0 d s 计，齿杆移动一个行程的距离，需时2 秒。由传动 机构的传动比例可得出，齿杆位移与直线步进电机旋转圈数的关系式为 y = o o l x( 2 - 3 ) 其中：y 为齿杆移动的距离，单位为n n 。 1 4 电控调速器动态特性试验研究 x 为步进电机旋转的圈数。 2 2 控制电路的设计 刊o 3 l 一 j 盟 - - 3 5 图2 1 8 传动杠杆 f 远2 1 8t h et r a n s m i s s i o nl e v e r 电控调速器的控制电路由电控单元的信号采集模块、电源管理模块瞰l 、时钟发生模 块【5 l l 、复位电路模块【5 2 1 、抗干扰模块【5 3 1 和步进电机输出驱动模块瞵1 组成。如附录1 所示 为系统的控制电路图【6 0 1 。附录2 所示为系统的p c b 板电路图。 电控单元简称e c u ，是发动机控制系统的核心，主要是对输入信号进行处理，形成 决策，输出相应的信号，并对输入信号作出响应。对传感器和控制开关输入的各种信号 通过e c u 中存储的程序进行运算、处理和判断，形成相应的控制指令，来控制步进电机 执行机构产生对应的动作，使发动机控制系统实现迅速、准确的自动控制。其结构如图 2 一1 9 所示。 课题中选用的是a t 8 9 s 5 2 单片机，它是a t 8 9 s 系列中的增强型产 2 0 1 ，采用了 a t m e l 公司技术领先的f l a s h 存储器，是低功耗、高性能、采用c m o s s e 艺制造的8 位单 片机。 电控调速器动态特性试验研究 图2 1 9e c u 总体结构设计框图 f i g 2 1 9t h ec o l l e c t i v i t ys t r u c t u r ed e s i g no f e c u 图2 2 0 柴油机燃油供给微机智能控制电控单元 f i g 2 2 0t h ee c uo f d i e s e le n g i n ef u e lp r o v i d ew i t hm i c r o c o m p u t e ri n t e l l i g e n tc o n t r o l 2 3 电控调速器控制系统的软件设计 电控调速器控制系统的软件部分包括模糊控制系统设计、p i d 控制系统设计、模糊 p i d 控制系统设计及电控调速器的控制程序设计。 2 3 1 电控调速器模糊控制系统的设计 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑运算与模糊规则 推理为理论基础，采用计算机控制技术构成一种具有反馈通道呈闭环结构形式的数字控 1 6 广西大掌硕士学位论文电控调逭器动态特性试验研究 制系统。它可以与其它人工智能和现代先进控制理论与技术相结合，构成一类模糊集成 控制系统，用于复杂非线性被控对象，取得较满意的静态和动态性能【2 4 j 。 模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、被控对象和测量与反 馈装置等五个部分组成【2 6 1 。 电控调速器控制系统工作原理如图2 2 1 所示，在发动机运行过程中，每一个转速 值都有一个确定的齿杆位移值与其对应。为稳定发动机各个工况的转速，模糊控制 器就是转速变化血和齿杆位置变化厶来确定步进电机的运转步数曰。因柴油机转速始 终是喷油泵转速的1 2 倍，所以以喷油泵的转速来表示柴油机的转速。控制系统中采用 对转速和齿杆位置的双闭环控制。 0o - - n o 图2 2 1 模糊控制电子调速器控制原理框图 f i g 2 21c o n t r o lp r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o le l e c t r o n i cs p e e dg o v e r n o r 图2 - 2 2 模糊控制系统组成 f i g 2 2 2f u z z yc o n t r o ls y s t e m 图2 2 3 模糊控制器 f i g 。2 2 3f u z z yc o n t r o l l e r 1 7 广西大掌硕士掌位论文电控调速器动态特性试验研究 模糊控制器的组成框图见图2 2 2 。通常包括输入量模糊化接口、数据库、规则库、 模糊推理机和输出量解模糊接口等五个部分。 用t n b ”、t c 卜n 订”、t n s ”、0 ，、t p s ”、t t p m ，、t t p b ”作为语言变量的赋值【2 4 1 。n s ” 表示喷油泵转速n 远远小于目标转速刀。，n b ”表示供油齿杆的位移j 远大于目标位移 ，p s ，表示步进电机应做少量旋转湖。 从理论上讲，增加论域中的元素个数，可提高控制精度，但同时会增大计算机的计 算量和处理时间。因此，综合考虑，将输入、输出变量分成七级。 一、输入变量 1 转速变化：n b 、n m 、n s 、z o 、p s 、p m 、p b 。 2 齿杆位置变化：n b 、n m 、n s 、z o 、p s 、p m 、p b 。 表2 4 电子调速器模糊控制规则表 齿杆位置变化a s 电机步数b n bn mn sz op sp mp b n bp bp bp bp bp mp sz o 转n m p bp bp bp mp sz on s 速 n sp bp bp mp sz on sn m 变 z o p bp mp sz on sn mn b 化 p sp mp sz 0n s n m n b 负大 n p mp sz on sn mn bn bn b p b z on sn mn bn bn bn b 二、输出变量 电机步数：n b 、n m 、n s 、z o 、p s 、p m 、p b 。 三、模糊规则： 根据输入变量和输出变量的组合，对于步进电机运行步数可以用4 9 ( 7 x 7 ) 条 模糊规则表示。并将其真值列在表2