便攜式汽油發(fā)電機(jī)電子調(diào)速器設(shè)計

徐 凱，何衛(wèi)彬，陳毅光（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江 杭州 310012）

便攜式汽油發(fā)電機(jī)是近幾年發(fā)展較快的發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，為適應(yīng)其小型化和節(jié)能的要求，采用數(shù)字控制技術(shù)成為目前的發(fā)展方向。但由于汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)動慣量小，啟動、突加或突減負(fù)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(jī)的電子調(diào)速的研究難度較大，采用較多的仍是機(jī)械式調(diào)速[1]。

電子調(diào)速器體積小巧，控制精確，更重要的是能隨著汽油機(jī)負(fù)載的變化而調(diào)節(jié)汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到明顯節(jié)能和提高系統(tǒng)性能的作用，這是傳統(tǒng)機(jī)械式調(diào)速器無法做到的[2－3]。本文設(shè)計的電子調(diào)速器可根據(jù)汽油機(jī)負(fù)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(jī)轉(zhuǎn)速可控，節(jié)省了燃料消耗，提高了汽油機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性。

1 總體方案設(shè)計

本文設(shè)計的電子調(diào)速器組成如圖1所示。控制器采樣汽油發(fā)電機(jī)整流后的直流電壓、電流信號，根據(jù)發(fā)動機(jī)工作特性曲線計算出當(dāng)前的期望轉(zhuǎn)速，與實測轉(zhuǎn)速比較，通過PID算法計算出油門的目標(biāo)位置，通過步進(jìn)電機(jī)對油門位置進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)成汽油機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 電子調(diào)速器系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 主控制處理器

電子調(diào)速器采用Microchip公司的dsPIC30F2010高性能16位單片機(jī)作為控制器，它的特點是將控制和數(shù)字信號處理高速運算相結(jié)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(jī)驅(qū)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(zhuǎn)速信號。

圖2 主控微處理器

2.2 轉(zhuǎn)速采樣電路

汽油發(fā)電機(jī)具有一組低壓輔助繞組，其輸出的交流電與發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)輸出交流電頻率f、汽油機(jī)轉(zhuǎn)速Ns和電機(jī)極對數(shù)p之間具有如下關(guān)系：

本文所采用的汽油機(jī)極對數(shù)p為7，可知交流電頻率與汽油機(jī)轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系。將低壓輔助繞組輸出的交流電經(jīng)過如圖3所示的頻率信號采樣電路后，輸出給控制器進(jìn)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。

圖3 頻率信號采樣電路

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(jìn)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(jìn)行采樣。

圖4 電壓電流采樣電路

2.4 油門控制電路

汽油機(jī)在負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速變化很大，為了使其具有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，需要執(zhí)行機(jī)構(gòu)有較快的響應(yīng)速度和控制精度。本文選用步進(jìn)電機(jī)對油門進(jìn)行控制，具有控制精度較高、調(diào)節(jié)頻率和響應(yīng)速度快的特點。

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路由兩部分組成，一部分是功率放大部分，它提供步進(jìn)電機(jī)所需要的功率；另一部分是數(shù)字邏輯部分，它決定步進(jìn)電機(jī)各項繞組的通電順序。功率放大部分采用了MTS2916A電機(jī)驅(qū)動器，如圖5所示。數(shù)字邏輯部分由控制器對應(yīng)I/O口按圖6的時序輸出電平，可實現(xiàn)半步距控制步進(jìn)電機(jī)。

圖5 電機(jī)驅(qū)動電路

圖6 半步控制模式時序

3 軟件設(shè)計

電子調(diào)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(zhǔn)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(dāng)前頻率值。電流采樣時，需根據(jù)電子調(diào)速器直流輸出所接的逆變器工作頻率進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)逆變器輸出為50 Hz時，采樣周期應(yīng)為20 ms的整數(shù)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(nèi)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。

圖7 控制軟件流程圖

油門控制設(shè)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(shè)置，當(dāng)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(zhuǎn)速對應(yīng)特性曲線由發(fā)電機(jī)廠家提供。節(jié)油模式時，調(diào)速器根據(jù)負(fù)載大小來實時調(diào)節(jié)油門，負(fù)載重時加大油門，負(fù)載輕時減小油門，達(dá)到節(jié)油的目的。全速模式時，在較低負(fù)載時，油門固定在一定位置，可以提高汽油機(jī)在較低負(fù)載時的帶載能力和響應(yīng)速度，當(dāng)負(fù)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：

針對本控制系統(tǒng)為汽油機(jī)油門，難以準(zhǔn)確得到數(shù)學(xué)模型，故采用簡易工程整定法。具體實施時采用擴(kuò)充臨界比例度法，這種方法只需整定一個參數(shù)即可，也稱其為歸一參數(shù)整定法。

令 T=0.1Tk，TI=0.5Tk，TD=0.125Tk，則

這樣問題簡化為整定參數(shù)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(dāng)頻率誤差在 50 Hz以內(nèi)時，Kp取 0.35；當(dāng)誤差在 50 Hz以上時，Kp取 0.7，使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作且負(fù)載突變時能具有較快的響應(yīng)。

4 試驗結(jié)果

試驗時采用的汽油發(fā)電機(jī)額定功率為3 kW，電子調(diào)速器控制油門后測得的轉(zhuǎn)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(diào)速器控制汽油機(jī)轉(zhuǎn)速隨功率變化而變化，使得低負(fù)載時，油耗少、轉(zhuǎn)速低，噪音減小。全速模式時，電子調(diào)速器控制汽油機(jī)在負(fù)載為1.8 kW以下時工作在固定轉(zhuǎn)速，當(dāng)負(fù)載大于1.8 kW，電子調(diào)速器根據(jù)負(fù)載變化逐步增加汽油機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖8 發(fā)電機(jī)輸出功率－頻率曲線圖

電子調(diào)速器在發(fā)電機(jī)負(fù)載切換時，能迅速調(diào)整油門位置，保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可控，較好地滿足了系統(tǒng)的設(shè)計要求。

[1]楊長圣.小功率汽油發(fā)電機(jī)組數(shù)字電子調(diào)速器的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

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[4]胡書舉，李建林，裴云慶，等.便攜式發(fā)電機(jī)用整流器的控制策略及實現(xiàn)[J].電氣傳動，2008，38（1）：35－38.

[5]于海生.微型計算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.