CN103527333A

CN103527333A - 数字化电子调速器以及发动机调速方法

Info

Publication number: CN103527333A
Application number: CN201210234335.0A
Authority: CN
Inventors: 余品胜
Original assignee: SHANGHAI YING GAO ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI YING GAO ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明关于一种数字化电子调速器，该数字化电子调速器包括设定理想转速的转速控制器、采集实际转速的转速传感器、调整实际转速的执行器，以及连接上述各部件的电缆，转速控制器又包括设定理想转速的转速设定电位器、比较理想转速与实际转速的比较器、计算理想转速与实际转速的转速偏差量的转速偏差器、转换实际转速为数字方波的转换器和将转速偏差量转换为PWM的PID调节器。本发明另提供一种发动机调速方法。本发明具有以下优点：使得动力系统操作运行更加安全、离散性较佳、稳定性较好。

Description

数字化电子调速器以及发动机调速方法

技术领域

本发明涉及电动机设备系统，特别涉及一种柴油机用的数字化电子调速器以及调速方法。

背景技术

柴油发动机的工作需要靠一个转速调整装置来稳定，称为调速器，目前普遍使用的柴油发动机，其燃油供油量由喷油泵柱塞的位置决定，喷油泵柱塞的位置由喷油泵内的柱塞位置控制齿条来调节，调速器通过转速器与柱塞位置控制齿条间的关联，用“负反馈”的模式来稳定柴油发动机的转速并防止飞车，机械调速器的原理，是靠飞块旋转时所产生的离心力和弹簧力的平衡来调节转速；当弹簧力一定时，转速高则飞快旋转时所产生的离心力大，推动柱塞位置控制齿条使供油量减少，从而降低发动机的转速；转速低则飞块旋转时所产生的离心力小，推动柱塞位置控制齿条使供油量增加，从而提高发动机的转速，达到动态的稳定；加大或减小油门，实际上就是通过改变弹簧变形的尺寸而改变弹簧力，使得柴油发动机在新的转速下达到新的平衡从而改变发动机的转速。但机械调速器仍有缺点，即调速是一次到位且具有惯性，而且这种机械的调速模式需要将弹簧和飞块系统与喷油泵进行精确的调整和配合，如配合不佳时调速灵敏度下降而惯性增加，出现加、减油门时虽然增、减速很快，但燃油燃烧不完全，导致油耗较高、黑烟、废气排放严重；同时在柴油发动机的工作情况下，弹簧力一次设定后不可更改，而负载增加时需要供油量增加，只有增速降低供油量才能增加。

发动机调速器是将发动机稳定控制在设定的工作转速下运行的控制装置，根据其实现方式的不同市面上有：机械调速器、液压调速器、电液调速器、电子调速器、复合式调速器。长期以来，柴油机主要采用机械式和机械液压式以及模拟式电子调速器。但这二种存在致命的不稳定性和离散行，在许多场合远远不能满足要求。模拟电子调速器是运算电路、伺服电路、反馈电路组成，在运算过程中存在离散性和稳定性的浮动，这样多的分立器件构成的电路，只要一个器件出现参数变化就能影响整个电路系统，如果是多个元件出现参数变化问题更加严重。

本发明则提供一种新的数字化的电子调速器来解决上述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种可将发动机控制在恒转速下稳定运行并且能够克服离散性以及提升稳定性的数字化电子调速器以及发动机调速方法。

本发明通过这样的技术方案解决上述的技术问题：

提供一种数字化电子调速器，该数字化电子调速器包括设定理想转速的转速控制器、采集实际转速的转速传感器、调整实际转速的执行器，以及连接上述各部件的电缆，转速控制器又包括设定理想转速的转速设定电位器、比较理想转速与实际转速的比较器、计算理想转速与实际转速的转速偏差量的转速偏差器、转换实际转速模拟正弦波信号为数字方波信号的转换器和将转速偏差量转换为PWM的PID调节器。

作为一种改进，执行器为电磁执行器，为铠装式直流比例电磁铁，其加油方向驱动力与线圈绕组内控制电流成比例，减油方向复位力由复位弹簧产生。

作为一种改进，转速传感器是磁电式转速传感器，内部结构由导磁探头、线圈、磁钢组成，磁钢产生的磁力通过导磁探头形成闭合的磁力线，线圈缠绕在导磁探头上。

本发明另提供一种发动机调速方法，该方法为：数字化电子调速器包括转速控制器、转速传感器、执行器，以及连接上述各部件的电缆，转速控制器又包括转速设定电位器、比较器、转速偏差器、模数信号转换器和PID调节器，发动机的理想转速由转速控制器的转速设定电位器设定，发动机的实际转速由安装于飞轮齿圈部位的转速传感器采集，其输出信号为频率与发动机转速成比例的交流正弦波信号，该信号经模数信号转换器转换为数字方波信号，与转速设定值经过比较器比较后由转速偏差器得到转速偏差量，该转速偏差量经PID调节器运算放大后转化成PWM电流控制方式，向执行器输出驱动电流，执行器在驱动电流的作用下压缩内部弹簧改做直线运动输出执行器拉杆作用柴油发动机调速手柄，从而控制发动机在所设定的转速下稳定运行。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：使得动力系统操作运行更加安全、离散性较佳、稳定性较好。

附图说明

图1是本发明数字化电子调速器的一种实施方式的系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明数字化电子调速器是将发动机稳定控制在设定的工作转速下运行的精密控制装置，根据其实现方式的不同可分为机械调速器、液压调速器、电液调速器、电子调速器以及复合式调速器等，在控制原理上，各种调速器都具有转速设定、测速、比较、运算、驱动输出、执行元件、调节系数设定、保护或限制等机构或部件，各机构或部件经过有效组合形成一个闭环控制系统。

本发明数字化电子调速器由转速控制器、执行器、转速传感器和连接上述部件的电缆等组成。发动机的理想转速由转速控制器上的转速设定电位器设定，发动机的实际转速由安装于飞轮齿圈部位的磁电式转速传感器采集，其输出信号为频率与发动机转速成比例的交流正弦波信号；该信号经模数信号转换器（正弦波信号转换为方波信号）转换为数字方波信号，与转速设定值比较后得到转速偏差量；该偏差量经PID调节器（比例-积分-微分控制器，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成）运算放大后转化成PWM（Pulse-Width Modulation，脉宽调制）电流控制方式，向执行器输出驱动电流，执行器在驱动电流的作用下压缩内部弹簧改做直线运动输出，执行器为铠装式直流比例电磁铁，其加油方向驱动力与线圈绕组内控制电流成比例，减油方向复位力由复位弹簧产生，执行器拉杆作用柴油发动机调速手柄，从而控制发动机在所设定的转速下稳定运行。

本发明调速器工作原理是：调速器将设定工作转速与测速元件测得的发动机实际转速进行比较，比较的结果（即偏差）包含两部分信息：偏差“正、负”信息和偏差幅度信息。

偏差“正、负”信息的作用是：如果发动机实际转速大于设定的工作转速，偏差为“负”，调速器将输出“负向”控制，通过执行元件减小燃料量，发动机转速随之降低；如果发动机实际转速小于设定的工作转速，偏差为“正”，调速器将输出“正向”控制，通过执行元件增大燃料量，发动机转速随之升高。

偏差幅度信息的作用是：偏差幅度经过MCU（Micro Controlling Unit，微处理器或微控制器）的处理，确定输出控制量的大小，即增加或减少燃料量的多少，在偏差幅度一定的情况下，输出控制量的大小必须是合适的，过大或过小都会导致发动机转速不稳或达不到调速精度要求。

根据调速器种类的不同，处理的运算方法具有其特有的物理实现方式：

机械调速器：由机械杠杆支点的变化实现简单的“比例调节”运（P运算）;

液压调速器：由机械杠杆支点的变化、具有节流作用的油缸以及针阀实现“比例调节”、“积分调节”和“微分调节”等（PID运算）；

电子调速器：由模拟电路或计算机软件实现PID运算或更加复杂的智能控制。

请参图1，为本发明数字化电子调速器的10的一种实施方式的系统框架图。该数字化电子调速器10由电源30供电并且用于调节发动机20的转速。

数字化电子调速器10包括转速控制器11、转速传感器12、电磁执行器13，以及连接上述各部件的电缆（图中显示为带箭头的线条）。具体地，转速控制器11又包括转速设定电位器111、比较器112、转速偏差器113、模数信号转换器114和PID调节器115。

调速方法如下：发动机20的理想转速由转速控制器11的转速设定电位器111设定，发动机20的实际转速由安装于飞轮齿圈部位的磁电式转速传感器12采集，其输出信号为频率与发动机20转速成比例的交流电压信号，该信号经模数信号转换器114转换为直流电压，与转速设定值经过比较器112比较后由转速偏差器113得到转速偏差量，该转速偏差量经PID调节器115运算放大后转化成PWM电流控制方式，向电磁执行器13输出驱动电流，电磁执行器13在驱动电流的作用下压缩内部弹簧改做直线运动输出，从而达到发动机转速动态平衡，使发动机组输出恒定的380V交流电压。

电磁执行器13为铠装式直流比例电磁铁，其加油方向驱动力与线圈绕组内控制电流成比例，减油方向复位力由复位弹簧产生，执行器拉杆作用柴油发动机调速手柄，从而控制发动机在所设定的转速下稳定运行。

电磁执行器13是电子调速器的执行元件，通过控制电磁执行器13的线圈电流，可以控制电磁执行器13的输出位移。电磁执行器13直接驱动发动机20的高压油泵齿条或汽油机节气门，从而控制发动机20的燃料供给量。通过热力转换，发动机20将化学能转化为动能输出动力扭矩，动力扭矩与负载阻力矩相互作用形成发动机的转速输出。因此，控制电磁执行器13的电流大小即可控制发动机的转速。

转速传感器12是磁电式转速传感器，内部结构由导磁探头、线圈、磁钢组成，磁钢产生的磁力通过导磁探头形成闭合的磁力线，线圈缠绕在导磁探头上，当发动机20飞轮齿圈上的一个齿切割导磁探头前的磁力线时，引起通过线圈的磁通量的变化，并在线圈上形成感生电势，该感生电势近似于正弦波信号。当发动机飞轮齿圈连续运转通过转速传感器的导磁探头时，即在线圈两端产生连续的正弦波转速信号。感生电势的大小取决于磁钢产生的磁场强度、线圈匝数、飞轮齿圈的线速度以及导磁探头至齿顶的距离（转速传感器安装间隙）。

发动机20的理想转速由转速设定电位器111和外接微调电位器（可选部件，可根据实际需要选择设置或不设置）设定，发动机20的实际转速由安装于飞轮齿圈部位的磁电式转速传感器12所感受，其输出信号为频率与发动机转速成比例的交流正弦波信号；该信号经模数信号转换器114转换为数字方波信号，与转速设定值比较后得到转速偏差量；该偏差经PID调节器115运算放大后得出发动机燃料供给量位置，即执行元件稳态输出指令位置，该指令位置与当前电磁执行器实际输出位置比较后，得到位置偏差量，该偏差再经过PID调节器115运算放大后，转化成PWM电流控制方式，向电磁执行器输出驱动电流，以改变电磁执行器的输出位置，驱动发动机喷油泵齿条、节气门或燃料控制阀向减小转速偏差的方向运动，从而控制发动机在所设定的转速下稳定运行。

采用本发明，将会具有使得动力系统操作运行更加安全、离散性较佳、稳定性较好的特点。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种数字化电子调速器，其特征在于该数字化电子调速器包括设定理想转速的转速控制器、采集实际转速的转速传感器、调整实际转速的执行器，以及连接上述各部件的电缆，转速控制器又包括设定理想转速的转速设定电位器、比较理想转速与实际转速的比较器、计算理想转速与实际转速的转速偏差量的转速偏差器、转换实际转速模拟正弦波信号为数字方波信号的转换器和将转速偏差量转换为PWM的PID调节器。

2.根据权利要求1所述的数字化电子调速器，其特征在于：执行器为电磁执行器，为铠装式直流比例电磁铁，其加油方向驱动力与线圈绕组内控制电流成比例，减油方向复位力由复位弹簧产生。

3.根据权利要求1所述的数字化电子调速器，其特征在于：转速传感器是磁电式转速传感器，内部结构由导磁探头、线圈、磁钢组成，磁钢产生的磁力通过导磁探头形成闭合的磁力线，线圈缠绕在导磁探头上。

4.一种根据权利要求1所述的数字化电子调速器的发动机调速方法，其特征在于，该方法为：数字化电子调速器包括转速控制器、转速传感器、执行器，以及连接上述各部件的电缆，转速控制器又包括转速设定电位器、比较器、转速偏差器、模拟正弦波信号转换为数字方波信号的转换器和PID调节器，发动机的理想转速由转速控制器的转速设定电位器设定，发动机的实际转速由安装于飞轮齿圈部位的转速传感器采集，其输出信号为频率与发动机转速成比例的正弦波信号，该信号模拟正弦波信号转换为数字方波信号，与转速设定值经过比较器比较后由转速偏差器得到转速偏差量，该转速偏差量经PID调节器运算放大后转化成PWM电流控制方式，向执行器输出驱动电流，执行器在驱动电流的作用下压缩内部弹簧改做直线运动输出执行器拉杆作用柴油发动机调速手柄，从而控制发动机在所设定的转速下稳定运行。

5.根据权利要求4所述的发动机调速方法，其特征在于：执行器为电磁执行器，为铠装式直流比例电磁铁，其加油方向驱动力与线圈绕组内控制电流成比例，减油方向复位力由复位弹簧产生。

6.根据权利要求4所述的发动机调速方法，其特征在于：转速传感器是磁电式转速传感器，内部结构由导磁探头、线圈、磁钢组成，磁钢产生的磁力通过导磁探头形成闭合的磁力线，线圈缠绕在导磁探头上。