一種柴油機(jī)數(shù)字調(diào)速控制裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種柴油機(jī)調(diào)速裝置及其調(diào)控方法，屬于數(shù)字調(diào)速控制領(lǐng)域，具體涉 及一種柴油機(jī)數(shù)字調(diào)速控制裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，柴油發(fā)電機(jī)組通常采用模擬式調(diào)速控制裝置，模擬式調(diào)速控制器主要存在 以下問題：1、由于采用較多的分離元件多，所以造成功耗大、可靠性降低；2、在傳統(tǒng)的模擬 型調(diào)速控制器中，通常采用電位器旋鈕的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)定，因此，最終影響到轉(zhuǎn)速的控制 精度，難以實(shí)現(xiàn)速度精確控制；3、通常采用PID參數(shù)固定的控制方法，在柴油機(jī)不同的運(yùn)行 區(qū)間和運(yùn)行狀態(tài)下，不能實(shí)現(xiàn)變參數(shù)控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、低功耗、高精度、速度控制性 能好、安全性高、使用方便的柴油機(jī)數(shù)字調(diào)速控制裝置及其調(diào)控方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下： 一種柴油機(jī)數(shù)字調(diào)控裝置，其包括調(diào)速驅(qū)動(dòng)主電路、整形電路、用于分段PID控制的核 心處理器和輸入輸出設(shè)備；所述整形電路的輸入信號(hào)為轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)，其輸出信號(hào)為方 波轉(zhuǎn)速信號(hào)，所述整形電路的輸出端接核心處理器的外部中斷管腳，所述核心處理器的I/O 端口與輸入輸出設(shè)備相連接；所述核心處理器的PWM輸出腳輸出的信號(hào)接入調(diào)速驅(qū)動(dòng)主電 路，所述調(diào)速驅(qū)動(dòng)主電路的調(diào)速輸出端子TS輸出調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門的電壓；所述核心處理器 選用STM32型ARM芯片。
[0005] 進(jìn)一步的，所述輸入輸出設(shè)備為觸摸液晶顯示屏；所述核心處理器的I/O端口即 觸摸液晶顯示屏接口，所述觸摸液晶顯示屏接口與觸摸液晶顯示屏相連接。
[0006] 進(jìn)一步的，所述調(diào)速驅(qū)動(dòng)主電路包括光電隔離驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)電流采集電路、驅(qū)動(dòng) 電壓采集電路及其外圍驅(qū)動(dòng)電路元件；所述核心處理器的PWM輸出腳接入光電隔離驅(qū)動(dòng)電 路，所述光電隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸出端輸出控制改變柴油機(jī)油門大小的驅(qū)動(dòng)電壓，所述驅(qū)動(dòng) 電壓由外部的調(diào)速輸出端子TS采集；所述驅(qū)動(dòng)電流采集電路和驅(qū)動(dòng)電壓采集電路分別采 集光電隔離驅(qū)動(dòng)電路輸出的電流信號(hào)和電壓信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電流采集電路和驅(qū)動(dòng)電壓采集 電路的采集輸出端接核心處理器的A/D管腳。
[0007] 進(jìn)一步的，所述調(diào)速驅(qū)動(dòng)主電路的外圍驅(qū)動(dòng)電路元件包括絕緣柵雙極型晶體管 IGBT、電阻Rk、二極管D2和濾波電容C1 ;所述光電隔離驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接絕緣柵雙極型 晶體管IGBT的柵極，所述絕緣柵雙極型晶體管IGBT的集電極經(jīng)濾波電容C1接地，所述絕 緣柵雙極型晶體管IGBT的發(fā)射極反向接二極管D2后經(jīng)電阻Rk接地，所述驅(qū)動(dòng)電流采集電 路的輸入端并聯(lián)在電阻Rk兩端的節(jié)點(diǎn)c和節(jié)點(diǎn)d上，所述驅(qū)動(dòng)電壓采集電路的輸入端連接 絕緣柵雙極型晶體管IGBT的發(fā)射極作為的節(jié)點(diǎn)a和地作為的節(jié)點(diǎn)b。
[0008] 進(jìn)一步的，所述光電隔離驅(qū)動(dòng)電路包括電阻R1~R13、電源隔離模塊U1、光耦U2、 NPN型三極管T1-T3、PNP型三極管T4、比較器U3和穩(wěn)壓管D3 ;所述電阻R2和電阻R3串聯(lián) 后并接在所述PWM輸出腳的N腳和M腳上，所述PWM輸出腳的M腳接地；所述NPN型三極管 T1的基極接電阻R2和電阻R3的節(jié)點(diǎn)，所述NPN型三極管T1的發(fā)射極接地，所述NPN型三 極管T1的集電極接光耦U2的陰極，所述光耦U2的陽(yáng)極接電源隔離模塊U1的電源端，所述 光耦U2的集電極接電源VPP2,所述光耦U2的集電極接入NPN型三極管T2的基極，所述光 耦U2的集電極依次經(jīng)電阻R7、R8和穩(wěn)壓管D3接入NPN型三極管T2的發(fā)射極；所述電源 VPP2依次經(jīng)電阻R6、R5和R4后接入比較器U3的負(fù)輸入端，所述電阻R5和R4的節(jié)點(diǎn)接地， 所述電阻R6和R5的節(jié)點(diǎn)接入比較器U3的正輸入端，所述比較器U3的輸出端接電阻R7和 R8的節(jié)點(diǎn)；所述NPN型三極管T2的集電極經(jīng)電阻R9分別接入NPN型三極管T3和PNP型三 極管T4的基極，所述NPN型三極管T3的發(fā)射極接PNP型三極管T4的發(fā)射極，所述PNP型三 極管T4的集電極經(jīng)電阻R12接地，所述電阻R11和電阻R13串聯(lián)后并接在NPN型三極管T3 的發(fā)射極和集電極之間，所述電阻R11和電阻R13的節(jié)點(diǎn)輸出所述光電隔離驅(qū)動(dòng)電路1-1 的輸出信號(hào)；所述NPN型三極管T3的集電極外接勵(lì)磁電源輸入端子J15,所述電阻R10并 聯(lián)在NPN型三極管T3的基極和集電極之間；所述電源隔離模塊U1的型號(hào)是DLM03-12S12。
[0009] 進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)電流采集電路包括電阻R18-R24、電位器PR3-PR4、運(yùn)算放大 器U8-U11、線性光耦U12和電容C4-C6 ;所述驅(qū)動(dòng)電流采集電路的輸入端節(jié)點(diǎn)c經(jīng)電阻R18 接其輸入端節(jié)點(diǎn)d，所述輸入端節(jié)點(diǎn)d接地；所述電阻R19和電容C4串聯(lián)后并聯(lián)接在電阻 R18兩端，所述電阻R19和電容C4的節(jié)點(diǎn)經(jīng)電阻R20接入運(yùn)算放大器U8的正輸入端，所述 運(yùn)算放大器U8的負(fù)輸入端經(jīng)電阻R21接地，所述電位器PR3的固定端并聯(lián)在運(yùn)算放大器U8 的負(fù)輸入端和輸出端，所述電位器PR3的滑動(dòng)端接運(yùn)算放大器U8的負(fù)極；所述運(yùn)算放大器 U8的輸出端經(jīng)電阻R22接入運(yùn)算放大器U9的負(fù)輸入端，所述運(yùn)算放大器U9的負(fù)輸入端接 地，所述運(yùn)算放大器U9的正輸出端接線性光耦U12的4腳，所述線性光耦U12的3腳接地， 其2腳接電源VPP2,所述運(yùn)算放大器U9的輸出端經(jīng)電阻R23接線性光耦U12的1腳；所述 電容C5并聯(lián)在運(yùn)算放大器U9的負(fù)輸入端和輸出端；所述線性光耦U12的6腳接運(yùn)算放大器 U10的負(fù)輸入端，所述運(yùn)算放大器U10的正輸入端接地，所述運(yùn)算放大器U10的輸出端接運(yùn) 算放大器U11的正輸入端，所述運(yùn)算放大器U11的負(fù)輸入端經(jīng)電阻R24接地，所述電阻R24 和電容C6均并聯(lián)在運(yùn)算放大器U10的負(fù)輸入端和輸出端，所述電位器PR4的固定端并聯(lián)在 運(yùn)算放大器U11的負(fù)輸入端和輸出端，所述電位器PR4的滑動(dòng)端接運(yùn)算放大器U11的負(fù)輸 入端；所述線性光耦U12的型號(hào)為HCNR200,所述運(yùn)算放大器U8-U11的型號(hào)為L(zhǎng)M324。
[0010] 進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)電壓采集電路包括電阻R13-R17、電位器PR1-PR2、運(yùn)算放大 器U4-U6、線性光耦U7和電容C1-C3 ;所述驅(qū)動(dòng)電壓采集電路的輸入端節(jié)點(diǎn)a依次經(jīng)電阻 R13和R14接入運(yùn)算放大器U4的負(fù)輸入端，所述驅(qū)動(dòng)電壓采集電路的輸入端節(jié)點(diǎn)b接地， 所述運(yùn)算放大器U4的負(fù)輸入端接地，所述電容C1 一端接入電阻R13和R14的節(jié)點(diǎn)，其另一 端接地，所述電位器PR1的固定端并聯(lián)在電容C1兩端，所述電位器PR1的滑動(dòng)端接入電阻 R13和R14間的節(jié)點(diǎn)；所述運(yùn)算放大器U4的正輸入端接線性光耦U7的4腳，所述線性光耦 U7的的3腳接地，其2腳接電源VPP2,所述運(yùn)算放大器U4的輸出端經(jīng)電阻R15接線性光耦 U7的1腳，所述電容C2并聯(lián)在運(yùn)算放大器U4的負(fù)輸入端和其輸出端，所述線性光耦U7的 6腳接入運(yùn)算放大器U5的負(fù)輸入端，所述運(yùn)算放大器U5的正輸入端接地，所述運(yùn)算放大器 U5的輸出端接運(yùn)算放大器U6的正輸入端，所述電阻R16和電容C3均并聯(lián)接在運(yùn)算放大器 U5的負(fù)輸入端和輸出端，所述運(yùn)算放大器U6的負(fù)輸入端經(jīng)電阻R17接地，所述電位器PR2 的固定端并聯(lián)在運(yùn)算放大器U6的負(fù)輸入端和其輸出端，所述電位器PR2的滑動(dòng)端接運(yùn)算放 大器U6的負(fù)輸入端，所述運(yùn)算放大器U6的輸出端接入A/D管腳；所述線性光耦U7的型號(hào) 為HCNR200 ;所述運(yùn)算放大器U4-U6的型號(hào)為L(zhǎng)M324。
[0011] 進(jìn)一步的，所述整形電路包括分壓電路和電壓比較電路，所述分壓電路經(jīng)過電壓 比較電路后輸出至核心處理器的外部中斷管腳。
[0012] 進(jìn)一步的，所述整形電路包括二極管D1、電阻R18、R27、R36、R37、R41、R44、電容 C14、C15、C30和比較器IC3 ;所述轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)作為整形電路的輸入信號(hào)，所述整形電路 的輸入端子A經(jīng)電阻R37和電阻R18接電源Vcpu3. 3,其輸入端子B依次經(jīng)電阻R36、二極 管D1和電阻R41接電源Vcpu3. 3,所述二極管D1和電阻R41的節(jié)點(diǎn)接入比較器IC3的正 輸入端，所述電阻R37和電阻R18的節(jié)點(diǎn)接入比較器IC3的負(fù)輸入端；所述輸入端子B經(jīng)電 容C30接地；所述比較器IC3的輸出端接入外部中斷管腳；所述比較器IC3的輸出端經(jīng)電阻 R44接電源Vcpu3. 3 ;所述電阻R27的一端接在所述二極管D1和電阻R41的節(jié)點(diǎn)上，所述電 阻R27的另一端接輸入端子B，所述電容C14并聯(lián)在電阻R27兩端，所述電容C15并聯(lián)在電 阻R37兩端。
[0013] 利用上述柴油機(jī)數(shù)字調(diào)控裝置實(shí)現(xiàn)的調(diào)控方法，包括如下步驟： 步驟1、使用者通過觸摸操作液晶顯示屏設(shè)定柴油發(fā)電機(jī)組的額定速度n。、轉(zhuǎn)速上限 、驅(qū)動(dòng)電壓上限V_、驅(qū)動(dòng)電流上限1_、控制參數(shù)的值，所述控制參數(shù)即比例系數(shù)kp、積 分系數(shù)h、微分系數(shù)kd，并通過核心處理器的觸摸液晶顯示屏接口輸入核心處理器； 步驟2、柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)經(jīng)過整形電路轉(zhuǎn)化為方波轉(zhuǎn)速信號(hào)，并輸入核 心處理器的外部中斷管腳，所述方波轉(zhuǎn)速信號(hào)的每一個(gè)上升沿觸發(fā)核心處理器產(chǎn)生外部程 序中斷，所述核心處理器通過計(jì)算中斷的頻率，可以得到柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)速偏 差A(yù)n，其計(jì)算公式（1)和公式（2)如下：
An=n_n0 (2) 其中：k代表中斷次數(shù)；t代表k次總共中斷的時(shí)間； Z代表柴油機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)方波轉(zhuǎn)速信號(hào)上升沿的個(gè)數(shù)；n。為額定同步角速度； 步驟3、所述核心處理器存儲(chǔ)包括本次轉(zhuǎn)速偏差在內(nèi)的三次轉(zhuǎn)速偏差值：An(k)、An (k-1)、An (k-2)，并根據(jù)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速大小，利用以下公式3~6分情況計(jì)算核心處理器的 PWM輸出腳所輸出的占空比uT: 情況①：當(dāng)〇. 95nN<n彡1. 05]^時(shí)，計(jì)算公式⑶為： uT1 (k) =uT (k-1) +kpl (An(k) -An(k-1)) +kn (An(k)) (3) 情況②：當(dāng)〇? 9nN<n彡0? 95]^或1. 05nN<n彡1. 1]^時(shí)，計(jì)算公式⑷為：uT2 (k) =uT (k-1) +kp2 (An(k) -An(k-1)) +kd2 (An(k) -2XAn(k-1) +An(k-2)) (4) 情況③：當(dāng)n彡0? 9]^或1.InN<n時(shí)，計(jì)算公式（5)為：uT3 (k) =uT (k-1) +kp3 (An(k) -An(k-1)) (5) 情況④：當(dāng)n>nmax時(shí)，計(jì)算公式（6)為：uT4(k)