摘 要: 為提高便攜式汽油發電機的調速性能,采用數字信號控制器dsPIC開發了一種電子調速器。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,通過PID算法實現對汽油機轉速的閉環控制。介紹了系統的總體方案,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;便攜式汽油發電機;PID控制;數字信號控制器
便攜式汽油發電機是近幾年發展較快的發電機產品,為適應其小型化和節能的要求,采用數字控制技術成為目前的發展方向。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,以及化油器靜態特性的非線性和動態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汽油機的轉速,以達到明顯節能和提高系統性能的作用,這是傳統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,節省了燃料消耗,提高了汽油機發電的經濟性。
1 總體方案設計
本文設計的電子調速器組成如圖1所示。控制器采樣汽油發電機整流后的直流電壓、電流信號,根據發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控制系統。
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
汽油發電機具有一組低壓輔助繞組,其輸出的交流電與發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響應和穩態響應,需要執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電機廠家提供。節油模式時,調速器根據負載大小來實時調節油門,負載重時加大油門,負載輕時減小油門,達到節油的目的。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,使系統能穩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為節油模式工作曲線,曲線B為全速模式工作曲線。節能模式時,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。
電子調速器在發電機負載切換時,能迅速調整油門位置,保證發電機轉速可控,較好地滿足了系統的設計要求。
參考文獻
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[2] 田雅賓,鄭勝國,裴鋒.汽油發電機組電子調速器研究[J].移動電源與車輛,2006(2):1-4.
[3] 郭軍華,張敏,羅挺,等.小型汽油機調速系統建模與仿真研究[J].計算機仿真,2004(5):74-77.
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