张玉峰，李声晋，卢 刚，周 勇

(1．西北工业大学，陕西西安，710072;2．西安科技大学，陕西西安710054)

0引 言

柴油机是生产、运输领域的一类重要动力机械，已在发电、交通运输等领域得到广泛应用［1-3］，其输出力矩主要通过调整循环供油量来实现，但柴油机的负载适应性较低，易受外界负载的影响。通过配备油门自动调节装置，能很好地提高柴油机的性能。燃油的喷射控制是通过执行器来实现的，执行器的调节性能、安装方式、可靠性直接影响整个柴油机的运行性能。目前，我国的柴油机上应用较多的是离心式机械执行器和比例电磁铁。离心式机械执行器调节功能单一，平衡点不稳定，存在机械传动摩擦，致使柴油机的输出动力不稳定，不能充分发挥其性能;以比例电磁铁为油门调节执行器，结构较复杂，控制参数的移植性较差。

步进电动机是一种将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的机电执行元件。在不需要数模变换的情况下，就能直接将数字脉冲信号转换成角位移或直线位移。步进电动机的角位移量或线位移量取决于电脉冲信号，其转速或线速度取决于电脉冲的频率，在负载能力范围内不受电源电压、负载、环境条件的波动而变化，其结构简单、可靠性好、成本低、控制误差不累计，非常适用于开环系统中作执行元件，简化控制系统［4-5］。

直接以步距角为步进单位的步进电动机脉冲控制技术中存在低频振荡、噪声大、驱动系统可靠性差等不足，制约了其应用范围。目前步进电动机驱动方式中性能最好的是细分驱动，它通过对步进电动机绕组电流的精确控制，提高了步进电动机的分辨率和连续运行时的均匀性，减弱了低频振荡，增大了电机的动态输出转矩［6-7］。

目前，柴油机油门调节系统相对研究现状滞后，通过技术改造可以增强油门调节系统的功能，提高调节控制性能。本文在对一类小型柴油发电机组的技术改造中，以两相混合步进电动机作为油门调节执行器，设计了油门调节的数字控制系统和变细分的控制策略，最后通过实验进行了系统功能和性能验证。

1系统设计

1．1 系统结构

整个油门调节控制系统的结构设计如图1所示，系统主要以数字信号控制器dsPIC30F4012为数字信号处理核心，通过获取相关的输入信息，经过条件判决，按照一定的控制策略，通过驱动电路驱动步进电动机动作，以实现供油量的实时调节。

图1 油门调节控制系统结构图

油门数字调节系统的设计主要集中在调速控制板及其嵌入式软件的设计，在保证功能完善的前提下，尽量简化系统的结构。

1．2硬件电路设计

1．2．1核心数字信号控制器

调速控制系统的核心是数字信号处理单元。系统的数字信号处理单元选用高性能的16位数字信号控制器dsPIC30F4012作为处理器，该芯片采用CMOS工艺，具有2．5～5．5 V的宽工作电压范围，内部具有时钟锁相环，最高能达到30MIPS的工作速度，并嵌有DSP引擎，集成有FLASH、RAM、EEPROM多种类型的存储单元。dsPIC30F4012集成的外设资源丰富，有4路输入捕捉模块，5个16位定时器，6通道的PWM模块，6通道的10位AD，1路UART模块，1路2．0B标准的CAN模块，1路正交编码接口，完全满足控制系统的资源需求。该芯片运行速度较快，外设资源较全，具有很高的性价比。其最小系统设计如图2所示，U1为电源监控芯片MAX809。

图2 dsPIC30F4012最小系统

1．2．2步进电动机驱动电路设计

根据系统的功能要求，柴油机的供油量需要根据负载波动而变化。因此，在工作时混合式步进电动机的定子磁场需要交变，实现正反转，以实现油门双向调节的功能，因此系统采用两相混合式步进电动机作为执行器，采用双极性驱动控制结构。考虑到整个油门调节系统均由蓄电池供电，为减小系统设计的复杂性，采用两个单桥臂集成驱动芯片TC4424构成一个双极性H桥驱动电路的方案。TC4424芯片是一种高速功率MOSFET集成驱动器，能够提供单桥臂的两路驱动通道，具有4．5～18 V的宽电压工作范围，最大能提供3A的输出电流，驱动能力强。步进电动机驱动电路设计如图3所示。

图3 步进电动机驱动电路

1．2．3转速检测单元设计

柴油机的转速信号是系统的重要反馈信号，转速信号调理电路的精度和可靠性，直接影响着整个系统的控制性能。转速检测单元在柴油机运行时容易受到共模串扰和电磁辐射干扰，一般的比较器电路和简单的光耦隔离很难消除这些干扰，本系统采用双光耦互锁的交流过零比较电路，其结构如图4所示。R1、R2用于调整零点偏移量，R4、R5用于调整输出幅值。信号传输导线采用屏蔽电缆，以抑制电磁干扰。

图4 柴油机转速检测电路

1．2．4 其余系统信息检测

为了保证系统正常运行，系统需要根据相关的系统信息进行相应的油门调节时，需要监测的信息由机油压力、油箱油量、输出电压、输出电流、输出功率、供电频率等。机油压力传感器和油箱油量传感器的输出为开关量信号，其输出电平需要调整到数字信号处理器允许的电平范围才可直接送入数字信号处理器。其电平调理电路如图5所示。

检测交流电参数的专业芯片较多，如SA9904B、ATT7026A、CS5463等，这些芯片检测精度高，检测参数多，但成本较高，主要应用于精密电能计量设计中。本系统综合成本和性能因素，采用交流互感器及信号调理的方式测量电压和电流信号，而输出功率和供电频率的检测是利用电压、电流信号由软件间接实现。交流输出电压的检测采用TV1013-1型微型精密交流电压互感器，电流检测采用TA1420-04立式穿芯小型精密交流电流互感器。通过交流电压信号调理电路，传感器检测到交流电参数信号被调理到数字信号控制器可识别的电压范围。交流电压信号调理电路如图6所示，电流信号调理电路与电压信号调理电路类似。

图5 开关量信号调理电路

图6 输出交流电压/电流信号调理电路

1．2．5通信接口及人机交互接口电路设计

人机交互接口电路包括面板控制按钮的电平调理电路以及面板显示屏的输出驱动电路。面板控制按钮属于开关量，其电平调理电路与图5的开关量信号调理电路相同。面板显示屏主要用于显示转速、输出电压、输出电流等调速信息，面板显示屏由两个4位的八段数码管以及6个LED指示灯构成，其驱动电路设计如图7所示。

图7 显示屏驱动电路

为了调试方便及与主控系统间进行信息交换，系统设计了RS422接口电路。系统为实现柴油机并联运行预留了CAN通讯接口电路。

1．3油门调节控制策略设计及软件实现

油门数字调节系统软件的主要功能是依据柴油机的转速反馈信号对喷油量进行调节。此外为保证系统运行的可靠性，还要监测机油压力、燃油油量、输出电压、输出电流、控制面板输入量;并将需要观测的信息以数码显示屏和指示灯方式进行显示。

1．3．1步进电动机控制策略设计

由于柴油机在运行期间对喷油量的变化比较敏感，而在加减载时对喷油量的变化需求也不尽相同。在小扰动情况下，转速变化比较小，需要对作为执行器的步进电动机进行微调，既要消除干扰稳定转速，又要防止调节过度引起转速振荡;而在大扰动情况下，转速变化比较大，需要快速对步进电动机进行调节，以防止转速突变导致停车或飞车。采用步进电动机细分控制技术能够提高步进电动机的分辨率，减弱低频振荡，改善步进电动机的动态输出转矩。依据以上理论，本系统设计了步进电动机的变细分控制策略，具体调节原则如下:

(1)起动阶段要求柴油发电机能够迅速、平稳地升至工作模式所确定的指定转速，因此细分步距可以较大;

(2)停机阶段，柴油发电机要能够迅速、平稳的停机，细分步距也需要较大;

(3)运行阶段，柴油发电机根据扰动引起的转速误差进行相应的细分。在突加减较重负载时，转速误差较大，此时应采用较大的细分步距，以尽快消除突加减负载引起的动态误差;若突加减负载较轻或处于突加减负载的调节后期，转速误差较小，为了减小过调节引起的超调和步进电动机振荡引起的误差，应采用较小的细分步距。

1．3．2 控制策略实现

系统依据以上细分控制策略设计软件。系统主要由主程序、定时中断程序，PWM中断程序构成。

主程序流程图如图8所示。主程序在完成系统初始化后进入无限循环结构，每当有更新的输出电压有效值、输出电流有效值、输出电频率计算值，则更新显示屏显示内容。

图8 主程序流程图

考虑到柴油机系统的惯性较大，程序设计采用5 ms作为步进电动机的控制周期。5 ms定时中断程序主要完成反馈转速的计算以及调节周期内步进电动机细分数设定、总步进数的计算、步进方向的设定。为了避免细分类型过多，系统设计了两种细分类型:64细分和128细分。

5 ms定时中断程序流程图如图9所示。

PWM中断程序主要完成PWM占空比的更新、ADC采样数据更新以及上传数据的更新。步进电动机的细分驱动实际上是通过控制相绕组电流来控制步进电动机的旋转磁场。采用细分控制使相绕组电流按正弦规律连续精确变化时，绕组电流波动较小，使得步进电动机的磁场均匀度较好，从而使步进电动机运行时均匀、平稳。正弦电流的产生可以通过查表方式实现。本系统程序建立了一个128细分的正弦表，64细分时可通过将查表指针的递增单位加倍从128细分表中获得。两相混合式步进电动机的相绕组在空间上相差 90°，因此，可以通过移相方式由同一个正弦表产生。为了节约细分表存储空间，可以只存储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数的对称性获得。

程序采用15 kHz的PWM斩波频率，PWM中断程序流程图如图10所示。

图9 5 ms定时中断程序流程图

图10 PWM中断程序流程图

2系统实验及结果

为验证系统功能和调速控制策略，对某便携式军用机械式柴油机进行了改造，采用两相混合式步进电动机作为油门调节执行器。柴油机为单缸、立式、四冲程、风冷、直喷式，标定转速nN=3 200 r/min，标定功率PN=3 kW。运行阶段速度范围为2 250～3 200 r/min。为调试方便，基于 LabWindows编制了上位机用于显示实时数据，通讯方式采用RS422串口，波特率57 600 b/s。图11中横坐标为所收到的数据点数，纵坐标为柴油机转速。

空载起动波形如图11所示，可见起动阶段速度曲线陡，此阶段步进电动机采用64细分，速度调整迅速。在达到阈值速度后进入切入运行阶段，此阶段经过一个短暂的调整过程，由起动时的64细分向稳定运行阶段的128细分切换。在稳定运行阶段，步进电动机采用128细分，柴油机转速稳定。

图11 空载时起动阶段切换至运行阶段波形

柴油机在稳态运行时突加120%负荷时的转速如图12所示。从图12中可以看出，控制策略能较好地抑制转速扰动。

图12 运行阶段突加卸100%负载波形

将柴油机改造前后通过试验获得的调速性能参数列举如表1所示。由表1可以看出，改造后系统的调速性能明显优于原调速系统。

表1 柴油机调速系统改造前后调速性能对比表

3结 语

步进电动机是数字控制系统中应用较广的一种执行元件，角度细分控制方式是提高步进电动机控制性能的一种方法。本文将步进电动机用作柴油机的油门调速执行元件，设计了柴油机数字电子调速控制系统，针对步进电动机作为供油调节执行机构设计了变细分控制策略。试验结果及数据表明，设计的调速控制系统的调速性能优于原系统。

本文设计的柴油机调速系统结构简单，功能较完备，易于开发调试。对现有柴油机调速控制系统的改造升级具有理论指导和工程借鉴意义。

［1］ 冯国胜，刘玉杰，戎美瑞．基于遗传算法的柴油机电磁执行器控制研究［J］．内燃机工程，2006，25(12):33-35．

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