基于步進電動機的油門調節系統設計

張玉峰，李聲晉，盧 剛，周 勇

(1．西北工業大學，陜西西安，710072;2．西安科技大學，陜西西安710054)

0引 言

柴油機是生產、運輸領域的一類重要動力機械，已在發電、交通運輸等領域得到廣泛應用［1-3］，其輸出力矩主要通過調整循環供油量來實現，但柴油機的負載適應性較低，易受外界負載的影響。通過配備油門自動調節裝置，能很好地提高柴油機的性能。燃油的噴射控制是通過執行器來實現的，執行器的調節性能、安裝方式、可靠性直接影響整個柴油機的運行性能。目前，我國的柴油機上應用較多的是離心式機械執行器和比例電磁鐵。離心式機械執行器調節功能單一，平衡點不穩定，存在機械傳動摩擦，致使柴油機的輸出動力不穩定，不能充分發揮其性能;以比例電磁鐵為油門調節執行器，結構較復雜，控制參數的移植性較差。

步進電動機是一種將電脈沖信號轉換為相應的角位移或直線位移的機電執行元件。在不需要數模變換的情況下，就能直接將數字脈沖信號轉換成角位移或直線位移。步進電動機的角位移量或線位移量取決于電脈沖信號，其轉速或線速度取決于電脈沖的頻率，在負載能力范圍內不受電源電壓、負載、環境條件的波動而變化，其結構簡單、可靠性好、成本低、控制誤差不累計，非常適用于開環系統中作執行元件，簡化控制系統［4-5］。

直接以步距角為步進單位的步進電動機脈沖控制技術中存在低頻振蕩、噪聲大、驅動系統可靠性差等不足，制約了其應用范圍。目前步進電動機驅動方式中性能最好的是細分驅動，它通過對步進電動機繞組電流的精確控制，提高了步進電動機的分辨率和連續運行時的均勻性，減弱了低頻振蕩，增大了電機的動態輸出轉矩［6-7］。

目前，柴油機油門調節系統相對研究現狀滯后，通過技術改造可以增強油門調節系統的功能，提高調節控制性能。本文在對一類小型柴油發電機組的技術改造中，以兩相混合步進電動機作為油門調節執行器，設計了油門調節的數字控制系統和變細分的控制策略，最后通過實驗進行了系統功能和性能驗證。

1系統設計

1．1 系統結構

整個油門調節控制系統的結構設計如圖1所示，系統主要以數字信號控制器dsPIC30F4012為數字信號處理核心，通過獲取相關的輸入信息，經過條件判決，按照一定的控制策略，通過驅動電路驅動步進電動機動作，以實現供油量的實時調節。

圖1 油門調節控制系統結構圖

油門數字調節系統的設計主要集中在調速控制板及其嵌入式軟件的設計，在保證功能完善的前提下，盡量簡化系統的結構。

1．2硬件電路設計

1．2．1核心數字信號控制器

調速控制系統的核心是數字信號處理單元。系統的數字信號處理單元選用高性能的16位數字信號控制器dsPIC30F4012作為處理器，該芯片采用CMOS工藝，具有2．5～5．5 V的寬工作電壓范圍，內部具有時鐘鎖相環，最高能達到30MIPS的工作速度，并嵌有DSP引擎，集成有FLASH、RAM、EEPROM多種類型的存儲單元。dsPIC30F4012集成的外設資源豐富，有4路輸入捕捉模塊，5個16位定時器，6通道的PWM模塊，6通道的10位AD，1路UART模塊，1路2．0B標準的CAN模塊，1路正交編碼接口，完全滿足控制系統的資源需求。該芯片運行速度較快，外設資源較全，具有很高的性價比。其最小系統設計如圖2所示，U1為電源監控芯片MAX809。

圖2 dsPIC30F4012最小系統

1．2．2步進電動機驅動電路設計

根據系統的功能要求，柴油機的供油量需要根據負載波動而變化。因此，在工作時混合式步進電動機的定子磁場需要交變，實現正反轉，以實現油門雙向調節的功能，因此系統采用兩相混合式步進電動機作為執行器，采用雙極性驅動控制結構。考慮到整個油門調節系統均由蓄電池供電，為減小系統設計的復雜性，采用兩個單橋臂集成驅動芯片TC4424構成一個雙極性H橋驅動電路的方案。TC4424芯片是一種高速功率MOSFET集成驅動器，能夠提供單橋臂的兩路驅動通道，具有4．5～18 V的寬電壓工作范圍，最大能提供3A的輸出電流，驅動能力強。步進電動機驅動電路設計如圖3所示。

圖3 步進電動機驅動電路

1．2．3轉速檢測單元設計

柴油機的轉速信號是系統的重要反饋信號，轉速信號調理電路的精度和可靠性，直接影響著整個系統的控制性能。轉速檢測單元在柴油機運行時容易受到共模串擾和電磁輻射干擾，一般的比較器電路和簡單的光耦隔離很難消除這些干擾，本系統采用雙光耦互鎖的交流過零比較電路，其結構如圖4所示。R1、R2用于調整零點偏移量，R4、R5用于調整輸出幅值。信號傳輸導線采用屏蔽電纜，以抑制電磁干擾。

圖4 柴油機轉速檢測電路

1．2．4 其余系統信息檢測

為了保證系統正常運行，系統需要根據相關的系統信息進行相應的油門調節時，需要監測的信息由機油壓力、油箱油量、輸出電壓、輸出電流、輸出功率、供電頻率等。機油壓力傳感器和油箱油量傳感器的輸出為開關量信號，其輸出電平需要調整到數字信號處理器允許的電平范圍才可直接送入數字信號處理器。其電平調理電路如圖5所示。

檢測交流電參數的專業芯片較多，如SA9904B、ATT7026A、CS5463等，這些芯片檢測精度高，檢測參數多，但成本較高，主要應用于精密電能計量設計中。本系統綜合成本和性能因素，采用交流互感器及信號調理的方式測量電壓和電流信號，而輸出功率和供電頻率的檢測是利用電壓、電流信號由軟件間接實現。交流輸出電壓的檢測采用TV1013-1型微型精密交流電壓互感器，電流檢測采用TA1420-04立式穿芯小型精密交流電流互感器。通過交流電壓信號調理電路，傳感器檢測到交流電參數信號被調理到數字信號控制器可識別的電壓范圍。交流電壓信號調理電路如圖6所示，電流信號調理電路與電壓信號調理電路類似。

圖5 開關量信號調理電路

圖6 輸出交流電壓/電流信號調理電路

1．2．5通信接口及人機交互接口電路設計

人機交互接口電路包括面板控制按鈕的電平調理電路以及面板顯示屏的輸出驅動電路。面板控制按鈕屬于開關量，其電平調理電路與圖5的開關量信號調理電路相同。面板顯示屏主要用于顯示轉速、輸出電壓、輸出電流等調速信息，面板顯示屏由兩個4位的八段數碼管以及6個LED指示燈構成，其驅動電路設計如圖7所示。

圖7 顯示屏驅動電路

為了調試方便及與主控系統間進行信息交換，系統設計了RS422接口電路。系統為實現柴油機并聯運行預留了CAN通訊接口電路。

1．3油門調節控制策略設計及軟件實現

油門數字調節系統軟件的主要功能是依據柴油機的轉速反饋信號對噴油量進行調節。此外為保證系統運行的可靠性，還要監測機油壓力、燃油油量、輸出電壓、輸出電流、控制面板輸入量;并將需要觀測的信息以數碼顯示屏和指示燈方式進行顯示。

1．3．1步進電動機控制策略設計

由于柴油機在運行期間對噴油量的變化比較敏感，而在加減載時對噴油量的變化需求也不盡相同。在小擾動情況下，轉速變化比較小，需要對作為執行器的步進電動機進行微調，既要消除干擾穩定轉速，又要防止調節過度引起轉速振蕩;而在大擾動情況下，轉速變化比較大，需要快速對步進電動機進行調節，以防止轉速突變導致停車或飛車。采用步進電動機細分控制技術能夠提高步進電動機的分辨率，減弱低頻振蕩，改善步進電動機的動態輸出轉矩。依據以上理論，本系統設計了步進電動機的變細分控制策略，具體調節原則如下:

(1)起動階段要求柴油發電機能夠迅速、平穩地升至工作模式所確定的指定轉速，因此細分步距可以較大;

(2)停機階段，柴油發電機要能夠迅速、平穩的停機，細分步距也需要較大;

(3)運行階段，柴油發電機根據擾動引起的轉速誤差進行相應的細分。在突加減較重負載時，轉速誤差較大，此時應采用較大的細分步距，以盡快消除突加減負載引起的動態誤差;若突加減負載較輕或處于突加減負載的調節后期，轉速誤差較小，為了減小過調節引起的超調和步進電動機振蕩引起的誤差，應采用較小的細分步距。

1．3．2 控制策略實現

系統依據以上細分控制策略設計軟件。系統主要由主程序、定時中斷程序，PWM中斷程序構成。

主程序流程圖如圖8所示。主程序在完成系統初始化后進入無限循環結構，每當有更新的輸出電壓有效值、輸出電流有效值、輸出電頻率計算值，則更新顯示屏顯示內容。

圖8 主程序流程圖

考慮到柴油機系統的慣性較大，程序設計采用5 ms作為步進電動機的控制周期。5 ms定時中斷程序主要完成反饋轉速的計算以及調節周期內步進電動機細分數設定、總步進數的計算、步進方向的設定。為了避免細分類型過多，系統設計了兩種細分類型:64細分和128細分。

5 ms定時中斷程序流程圖如圖9所示。

PWM中斷程序主要完成PWM占空比的更新、ADC采樣數據更新以及上傳數據的更新。步進電動機的細分驅動實際上是通過控制相繞組電流來控制步進電動機的旋轉磁場。采用細分控制使相繞組電流按正弦規律連續精確變化時，繞組電流波動較小，使得步進電動機的磁場均勻度較好，從而使步進電動機運行時均勻、平穩。正弦電流的產生可以通過查表方式實現。本系統程序建立了一個128細分的正弦表，64細分時可通過將查表指針的遞增單位加倍從128細分表中獲得。兩相混合式步進電動機的相繞組在空間上相差 90°，因此，可以通過移相方式由同一個正弦表產生。為了節約細分表存儲空間，可以只存儲正弦表的前四分之一周期，其余周期的正弦表可以利用正弦函數的對稱性獲得。

程序采用15 kHz的PWM斬波頻率，PWM中斷程序流程圖如圖10所示。

圖9 5 ms定時中斷程序流程圖

圖10 PWM中斷程序流程圖

2系統實驗及結果

為驗證系統功能和調速控制策略，對某便攜式軍用機械式柴油機進行了改造，采用兩相混合式步進電動機作為油門調節執行器。柴油機為單缸、立式、四沖程、風冷、直噴式，標定轉速nN=3 200 r/min，標定功率PN=3 kW。運行階段速度范圍為2 250～3 200 r/min。為調試方便，基于 LabWindows編制了上位機用于顯示實時數據，通訊方式采用RS422串口，波特率57 600 b/s。圖11中橫坐標為所收到的數據點數，縱坐標為柴油機轉速。

空載起動波形如圖11所示，可見起動階段速度曲線陡，此階段步進電動機采用64細分，速度調整迅速。在達到閾值速度后進入切入運行階段，此階段經過一個短暫的調整過程，由起動時的64細分向穩定運行階段的128細分切換。在穩定運行階段，步進電動機采用128細分，柴油機轉速穩定。

圖11 空載時起動階段切換至運行階段波形

柴油機在穩態運行時突加120%負荷時的轉速如圖12所示。從圖12中可以看出，控制策略能較好地抑制轉速擾動。

圖12 運行階段突加卸100%負載波形

將柴油機改造前后通過試驗獲得的調速性能參數列舉如表1所示。由表1可以看出，改造后系統的調速性能明顯優于原調速系統。

表1 柴油機調速系統改造前后調速性能對比表

3結 語

步進電動機是數字控制系統中應用較廣的一種執行元件，角度細分控制方式是提高步進電動機控制性能的一種方法。本文將步進電動機用作柴油機的油門調速執行元件，設計了柴油機數字電子調速控制系統，針對步進電動機作為供油調節執行機構設計了變細分控制策略。試驗結果及數據表明，設計的調速控制系統的調速性能優于原系統。

本文設計的柴油機調速系統結構簡單，功能較完備，易于開發調試。對現有柴油機調速控制系統的改造升級具有理論指導和工程借鑒意義。

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