傳統(tǒng)柴油機(jī)電控供油的實(shí)現(xiàn)

1、學(xué) 位 論 文傳統(tǒng)柴油機(jī)電控供油的實(shí)現(xiàn)traditional diesel fuel supply electric control the realization of作 者 姓 名： 學(xué)科、專業(yè) ： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 號 ： 指 導(dǎo) 教 師： 完 成 日 期： 摘 要隨著我國汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，采用傳統(tǒng)燃油供給系統(tǒng)的柴油機(jī)將無法滿足排放法規(guī)要求，應(yīng)用電子控制技術(shù)已成為當(dāng)今柴油機(jī)的重要方向和必然趨勢，實(shí)現(xiàn)電控供油控制技術(shù)的研究具有十分重要的意義。本文是在認(rèn)真研究了國內(nèi)外調(diào)速器的發(fā)展及其現(xiàn)狀，針對傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)速器存在控制精度低，響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，在不改變?nèi)加洼斔拖到y(tǒng)和噴射系統(tǒng)的

2、情況下把傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)速系統(tǒng)改造為電子調(diào)速系統(tǒng)，主要是針對電子調(diào)速器的控制電路、控制程序及其執(zhí)行器進(jìn)行設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)柴油機(jī)的優(yōu)良性能奠定基礎(chǔ)。關(guān)鍵字：電控供油系統(tǒng)；電子調(diào)速器；改造；控制電路traditional diesel fuel supply electric control the realization ofabstractas chinas auto emission regulations become increasingly strict， traditional diesel fuel supply system will not be able to meet emi

3、ssions regulations， applications for electronic control technology has become the engine of the major directions and an inevitable trend， and electronic control of fuel supply control technology is very important significance. this article was carefully studied the governors development at home and

4、abroad and the status quo, found that the traditional mechanical-electronic governor, there are many shortcomings: the control of precision low, slow response, etc., without changing the fuel injection system and transmission system under the circumstances the traditional mechanical speed control sy

5、stem into the modern electronic speed control system is mainly directed against the governor electronic control circuit, control procedures and their implementation is designed to fundamentally solve the traditional mechanical governor of the many drawbacks for the realization of the traditional die

6、sel engine lay the foundation for the excellent performance.keywords：electronic fuel injection system ; electronic governor ; transformation ; control circuit-57-目 錄摘 要iiabstractiii1 緒 論11.1 課題研究背景11.2 課題研究的目的和意義11.2.1 課題的研究目的11.2.2 課題研究的意義11.3 國內(nèi)外研究狀況21.3.1 國外研究狀況21.3.2 國內(nèi)研究狀況22 分析柴油機(jī)電控改造的途徑42.1 柴油

7、機(jī)電控改造的主要途徑42.1.1 采用泵-管-嘴系統(tǒng)42.1.2 采用泵-噴-嘴系統(tǒng)42.1.3 共軌式系統(tǒng)42.2 確定合理的改造方案43 柴油機(jī)調(diào)速器概況63.1 柴油機(jī)調(diào)速器的分類及其工作原理63.1.1 調(diào)速器按結(jié)構(gòu)和工作原理分類63.1.2 柴油機(jī)調(diào)速器按功能分類：73.2 柴油機(jī)安裝調(diào)速器的必要性113.2.1 柴油機(jī)的扭矩速度特性113.2.2 柴油機(jī)噴油泵速度特性124 柴油機(jī)電子調(diào)速器控制策略方案144.1 柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)及其控制方法144.1.1 柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)組成145 電子調(diào)速器的結(jié)構(gòu)、電路和控制程序設(shè)計(jì)175.1 電子調(diào)速器硬件系統(tǒng)組成175.1.1 單片

8、機(jī)的選擇175.1.2 執(zhí)行器185.1.3 傳感器235.2 電子調(diào)速器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)235.3 單片機(jī)顯示及通訊電路255.4 模擬信號的檢測和轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)265.4.1 轉(zhuǎn)速給定電路265.4.2 齒桿位置傳感器及信號處理電路265.4.3 轉(zhuǎn)速傳感器信號處理電路305.4.4 噴油泵對轉(zhuǎn)角信號的獲取315.4.5 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方法325.4.6 信號的隔離345.5 電子調(diào)速器控制程序設(shè)計(jì)355.5.1 程序結(jié)構(gòu)和程序框圖35 結(jié)論38參考文獻(xiàn)39致謝. 401 緒 論1.1 課題研究背景隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和汽車保有量的增加，其排放對大氣污染越來越嚴(yán)重，這日益提高了對高效、低排放及更經(jīng)

9、濟(jì)汽車的現(xiàn)實(shí)需求。柴油轎車相比太陽能、燃料電池、混合動力車來說技術(shù)更成熟、更具推廣潛力和價(jià)值。柴油機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)都有很多突破性的發(fā)展。燃油噴射系統(tǒng)是影響燃燒過程的重要因素，高壓直噴系統(tǒng)和共軌系統(tǒng)都使燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性有很大改善。廢氣再循環(huán)和催化器改善了柴油機(jī)的各項(xiàng)排放。發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)對噴油和進(jìn)氣過程進(jìn)行綜合控制，保證發(fā)動機(jī)能夠在保持良好的動力性基礎(chǔ)上，燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能都能達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)降低振動和噪音。 柴油機(jī)電控技術(shù)是在解決能源危機(jī)和排放污染兩大難題的背景下，在飛速發(fā)展的電子控制技術(shù)平臺上發(fā)展起來的。電控燃油噴射系統(tǒng)是影響缸內(nèi)燃燒過程的關(guān)鍵因素，對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能都有重要影響

10、。要改善柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒，燃油噴射系統(tǒng)一方面要有理想的噴射速率特性，另一方面要提高噴射壓力。因此，柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來。在傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)基礎(chǔ)上首先發(fā)展起來的電控噴射系統(tǒng)是位置控制系統(tǒng)，稱之為第一代電控噴射系統(tǒng)，而基于電磁閥的時(shí)間控制系統(tǒng)則稱為第二代電控噴射系統(tǒng)。第三代電控系統(tǒng)高壓共軌系統(tǒng)被世界內(nèi)燃機(jī)行業(yè)公認(rèn)為20世紀(jì)三大突破之一，將成為21世紀(jì)柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的主流。采用高壓共軌電子控制柴油噴射系統(tǒng)降低廢氣排放，能滿足歐排放標(biāo)準(zhǔn)、甚至歐排放標(biāo)準(zhǔn)。已成為降低柴油機(jī)排放的主要核心技術(shù)。1.2 課題研究的目的和意義1.2.1 課題的研究目的本課題是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)柴油機(jī)電控供油，仍采用傳統(tǒng)機(jī)械式噴油泵

11、和噴油機(jī)構(gòu)，由機(jī)械式調(diào)速系統(tǒng)改裝成電子式調(diào)速系統(tǒng)，其主要目的是改善柴油機(jī)供油調(diào)節(jié)精度和提高響應(yīng)速度，從而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)恒速調(diào)速和改善柴油機(jī)的排放性，能夠滿足絕大部分傳統(tǒng)柴油機(jī)的需求。1.2.2 課題研究的意義隨著環(huán)境污染及能源危機(jī)問題的日益嚴(yán)峻，對車用柴油機(jī)的排放性、動力性及經(jīng)濟(jì)性提出了越來越高的要求。為滿足這些已經(jīng)出臺的各種嚴(yán)格的柴油機(jī)排放法規(guī)，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能的最優(yōu)運(yùn)行，必須對車用柴油機(jī)進(jìn)行電控技術(shù)改造，引進(jìn)電子控制裝置。電子調(diào)速器是電子控制裝置必不可少的部分，用電子調(diào)速器代替原有的機(jī)械式調(diào)速器對柴油機(jī)噴油量的調(diào)節(jié)將會更加快速精確。由于長期以來，柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要以機(jī)械式調(diào)速器為主。機(jī)械式

12、調(diào)速器工作性能可靠，但是一般情況下控制精度不夠，反映速度也不快，而且對柴油機(jī)參數(shù)變化適應(yīng)性不強(qiáng)。而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出電子控制調(diào)速器對傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)速器的缺點(diǎn)能予以改善，使其更好的貫徹人們對柴油機(jī)工作過程的控制思想。使柴油機(jī)的控制參數(shù)保持在最佳狀態(tài)，大大改善柴油機(jī)的性能。開發(fā)電子控制調(diào)速器既能降低排放、改善柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，又不至于大幅度提高制造成本，是適合我國國情的一條途徑，在現(xiàn)階段乃至今后數(shù)年內(nèi)都有較大的產(chǎn)業(yè)化前景，所以，開展這方面的工作是十分有意義的1.3 國內(nèi)外研究狀況1.3.1 國外研究狀況位置控制式噴油系統(tǒng)在現(xiàn)有的柴油機(jī)上實(shí)施方便，是目前國外商品化最高的產(chǎn)品。這種伺服式控制系

13、統(tǒng)的基本構(gòu)成是：采用電磁執(zhí)行器控制噴油泵調(diào)節(jié)齒桿，由傳感器檢出調(diào)節(jié)齒桿的位移，通過反饋系統(tǒng)把調(diào)節(jié)齒桿的位移當(dāng)著目標(biāo)噴油量進(jìn)行控制。在電子回路中，作為控制發(fā)動機(jī)的基本信號有：油門位置（輸入目標(biāo)控制轉(zhuǎn)速）和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)目標(biāo)控制特性由電子控制回路計(jì)算出調(diào)節(jié)齒桿的目標(biāo)位移，輸入了目標(biāo)齒桿位移的電壓電子伺服機(jī)構(gòu)可以將調(diào)節(jié)齒桿的位移精確的控制在目標(biāo)位置上，從而可以得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速特性。80年代初，日本杰克塞爾公司研制出delcos微處理器的柴油機(jī)直列泵電子調(diào)速器，但是該裝置無位移傳感器，不能實(shí)現(xiàn)油量的閉環(huán)反饋控制。在delcos的基礎(chǔ)上又研制了由rediii型電子調(diào)速器控制噴油泵齒條桿位移的copec系統(tǒng)

14、，利用非接觸式可變電感位移傳感器來實(shí)現(xiàn)反饋油量的調(diào)節(jié)。兩種調(diào)速器均采用直線電機(jī)作為油泵齒條驅(qū)動力，并用于車輛發(fā)動機(jī)。德國bosch公司的edr系統(tǒng)，在回油道上設(shè)置電磁閥控制回油，并通過液壓伺服機(jī)構(gòu)來控制直列泵齒條的位移，從而實(shí)現(xiàn)噴油量的控制。日本電裝公司開發(fā)的ecd-p3系統(tǒng)，具有電控供油定時(shí)和供油量調(diào)節(jié)的雙重功能，調(diào)速器的執(zhí)行器以線形線圈為基礎(chǔ)構(gòu)成拉桿執(zhí)行器。ecd-v1系統(tǒng)采用線形電磁鐵，通過杠桿來控制滑套的位移，從而實(shí)現(xiàn)油量控制。系統(tǒng)中裝有傳感器來反饋滑套位置。1.32 國內(nèi)研究狀況國內(nèi)電子調(diào)速器的研究應(yīng)用情況與國外在差距在逐漸縮小，有許多單位、院校正在開展柴油機(jī)電子調(diào)速器的研究工作。并

15、取得了很大的成就。80年代末，交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所自動化室研制成功了中國第一臺pd-1型電子調(diào)速器，其功能和性能指標(biāo)基本上達(dá)到了德國同類型的產(chǎn)品水平。哈而濱工程大學(xué)動力工程系與山西柴油機(jī)廠也共同開發(fā)了dr100型電子調(diào)速器。主要是滿足高精度的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的需要。北京理工大學(xué)在直列泵上用電磁閥通過液壓伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動齒條，以實(shí)現(xiàn)噴油量的控制。并在12v120柴油機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。上海內(nèi)燃機(jī)研究所針對6102qa研制了電子控制噴油定時(shí)系統(tǒng)。無錫油泵油嘴研究所、威孚集團(tuán)公司和浙江大學(xué)合作在ve分配泵上進(jìn)行用旋轉(zhuǎn)電磁鐵控制滑套、高速電磁鐵控制提前器活塞的研究，并進(jìn)行了臺架性能實(shí)驗(yàn)。由于對工程重視不

16、夠，大部分的研究成果目前仍停留在原理性的樣機(jī)或?qū)嶒?yàn)室階段，與世界的先進(jìn)水平存在著比較大差距，當(dāng)然這也與國內(nèi)柴油機(jī)水平不高、排放法規(guī)不健全、不嚴(yán)格有關(guān)。2 分析柴油機(jī)電控改造的途徑2.1 柴油機(jī)電控改造的主要途徑2.1.1 采用泵-管-嘴系統(tǒng)這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是噴油泵為往復(fù)式柱塞泵，由凸輪軸來驅(qū)動。噴油泵的每次供油伴隨著一次噴油過程，因此也可以稱為脈動式燃料供給系統(tǒng)。噴油泵與噴油器之間有高壓油管連接。其中按噴油泵結(jié)構(gòu)以及高壓油管的長度不同可以分為合成泵系統(tǒng)、分配泵系統(tǒng)及單體泵系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是制造成本低廉、匹配性好，缺點(diǎn)是控制精度一般。但是在絕大多數(shù)柴油機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。2.1.2 采用泵-噴-嘴系統(tǒng)

17、 泵-噴-嘴系統(tǒng)（unit injectior system，縮寫為ups）中，將噴油泵和噴嘴合為一體，由于省去了高壓油管，大大增加了系統(tǒng)高壓部分的液力剛度，因此，成為目前柴油機(jī)燃油供給系統(tǒng)中噴射壓力最高的系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是控制精度較高，缺點(diǎn)是制造成本較高、匹配性一般。應(yīng)用于少數(shù)柴油機(jī)。2.1.3 共軌式系統(tǒng) 柴油機(jī)共軌式燃油供給系統(tǒng)（common rail system，縮寫為crs），油箱中的燃料經(jīng)濾清器與輸油泵送至高壓泵，但高壓油泵的功能與以上脈動式燃料供給系統(tǒng)不同，它不直接產(chǎn)生燃料噴射，而是將高壓燃料送至蓄壓管道中。燃料噴射則是由電子控制器（ecu）控制噴嘴上的電磁閥，接通高壓共軌與噴嘴來

18、實(shí)現(xiàn)的。這種系統(tǒng)由于能產(chǎn)生較高的噴射壓力，且壓力基本上可保持恒定的而不受柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的影響，因此屬于恒壓式燃油供給系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是改善了柴油機(jī)在低速與低負(fù)荷時(shí)的噴霧品質(zhì)，又由于燃料噴射是采用改變電磁閥開啟時(shí)間的控制方式，比較容易對噴油時(shí)刻與噴油持續(xù)期進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的噴油規(guī)律，再加上在柴油機(jī)的布置也比較容易，因而是一種很有前途的燃油供給系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是控制精度最高，缺點(diǎn)制造成本最高、匹配性較差。此系統(tǒng)在國內(nèi)外正處于起步階段。2.2 確定合理的改造方案本課題涉及到的柴油機(jī)（車用）由于無特殊要求，從控制精確度、匹配性、制造成本以及結(jié)合我國電控技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r縱觀三個(gè)方案，本人權(quán)衡利弊以及

19、征求了指導(dǎo)老師的意見，最終采用第一種方案，由于時(shí)間有限，在不改變噴射系統(tǒng)和燃油輸送系統(tǒng)的情況下，本人著重對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造，由機(jī)械式調(diào)速器改造成電子式調(diào)速器。3 柴油機(jī)調(diào)速器概況3.1 柴油機(jī)調(diào)速器的分類及其工作原理因?yàn)椴裼蜋C(jī)的轉(zhuǎn)速直接地與它的動力有關(guān)，所以在運(yùn)轉(zhuǎn)期間必須控制轉(zhuǎn)速。這就是作為柴油機(jī)大腦的調(diào)速器的工作。柴油機(jī)調(diào)速器在各種載荷條件之下通過改變供油量控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。像柴油機(jī)一樣，調(diào)速器也許有各式各樣的設(shè)計(jì)類型，但所有的調(diào)速器都被設(shè)計(jì)在柴油機(jī)低速、高速和滿載的工況下來完成發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。3.1.1 調(diào)速器按結(jié)構(gòu)和工作原理分類（1）機(jī)械式.機(jī)械調(diào)速器通是通過飛塊提供力量調(diào)整供油控制裝置

20、。常跟齒輪裝在一起，飛行塊中軸由于離心力的大小變化伸縮運(yùn)動。飛塊中軸和推力套筒或墊圈相連接。這個(gè)套筒和燃料控制機(jī)制相連接。飛塊以離心力的變大或變小傳遞發(fā)動機(jī)速度的變動，如圖3.1所示。 圖3.1機(jī)械式調(diào)速器工作原理圖 圖3.2液壓式調(diào)速器工作原理圖（2）液壓式(伺服型).一個(gè)液壓調(diào)速器之所以被稱為液壓式，是因?yàn)橛脕碚{(diào)節(jié)供油控制機(jī)制的動力是由液壓伺服活塞提供而不是飛塊。飛塊用來控制調(diào)速器控制閥，進(jìn)而控制液壓油來推動伺服活塞，如圖3.2所示。（3）液壓式(無伺服型).不使用伺服機(jī)的液壓式調(diào)速器通常控制燃油流量，其中之一是泵油單元，例如lucas cav式dpa泵；或者通過控制燃油的旁通管孔溢出來控

21、制分配到噴油嘴的高壓燃油的流量，例如ep/va robert bosch旋轉(zhuǎn)泵。（4）氣動式.氣動式調(diào)速器利用真空(氣壓差)控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)速器有兩個(gè)主要部分，一是在進(jìn)氣歧管和二是連接到噴油泵控制機(jī)架的膜片。固定在進(jìn)氣歧管入口有一個(gè)節(jié)流閥連接到節(jié)流孔。當(dāng)駕駛員改變節(jié)流閥的位置，進(jìn)氣歧管真空度改變。真空度通過一條線傳給膜片裝置。減速膜片裝置的運(yùn)動是強(qiáng)有力的彈簧式運(yùn)動，當(dāng)真空度為零時(shí)控制供油機(jī)架在最大供油位置。然后根據(jù)節(jié)流閥位置和引擎的轉(zhuǎn)速變化引起的真空變化量控制供油機(jī)架位置，進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。如果由于負(fù)載使發(fā)動機(jī)速度變動，真空減少量被提供給膜片。然后膜片彈簧控制機(jī)架向加大的燃料位置移動。（5

22、）電子式. 因?yàn)闆]有恒定的發(fā)動機(jī)速度要求，電子調(diào)速器一般很少用于交通工具的柴油引擎。在發(fā)電機(jī)裝置上上使用電子調(diào)速器控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速在規(guī)定的范圍內(nèi)波動很小。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速必須在任何情況下保持穩(wěn)定以使發(fā)電機(jī)輸出頻率穩(wěn)定。電子調(diào)速器大都使用某種形式的傳感器，例如頻率測量，用來測量速度變動。當(dāng)接收到速度變動信號，就會把信號傳遞給伺服電動機(jī)或電磁閥以改變油門的位置。電子調(diào)速器有非?？焖俚姆磻?yīng)，幾乎沒有遲滯。在載荷變動的情況下通常沒有轉(zhuǎn)速變化，如圖3.3所示。 轉(zhuǎn)速設(shè)定轉(zhuǎn)速傳感器 噴油泵執(zhí)行器控制器 圖3.3電子調(diào)速器工作原理圖由此可以看出，傳統(tǒng)調(diào)速器和與電子調(diào)速器雖然工作方式不同，但原理是相同的，都是

23、通過調(diào)節(jié)供油量來調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的。因?yàn)橐簤菏胶蜌鈩邮蕉际窃跈C(jī)械式的基礎(chǔ)上開發(fā)的，結(jié)構(gòu)比機(jī)械式復(fù)雜。所以本文所改造的電子式調(diào)速器就是直接改進(jìn)機(jī)械式調(diào)速器的工作方式，使調(diào)速器更好的調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的噴油量進(jìn)而更好的調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.1.2 柴油機(jī)調(diào)速器按功能分類：（1）單極式調(diào)速器. 單極式調(diào)速器的作用是限制發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，主要用于恒定轉(zhuǎn)速的柴油機(jī)，如發(fā)電機(jī)組或帶動螺旋槳的中小型船用柴油機(jī)。單極式機(jī)械調(diào)速器的作用原理如圖3.5所示。當(dāng)調(diào)速器轉(zhuǎn)速超過極限值時(shí)(一般為發(fā)動機(jī)標(biāo)定工況轉(zhuǎn)速的15%)，飛錘的離心力克服彈簧的預(yù)緊力，推動滑塊a，并以b為支點(diǎn)使油泵齒條朝減油方向移動，從而限制轉(zhuǎn)速的上升。理論上

24、說，彈簧的預(yù)緊力應(yīng)等于極限轉(zhuǎn)速時(shí)的離心力，使低于極限轉(zhuǎn)速時(shí)調(diào)速器不起作用，這時(shí)滑塊a是不動的，此時(shí)若移動調(diào)速手柄使杠桿以a為支點(diǎn)改變油泵齒條位置，可得到相應(yīng)的部分特性工況，如圖3.4所示。在不同的部分特性工況下，由于手柄及b點(diǎn)位置不同，單極式調(diào)速器的特性曲線稍有差異，但是，起作用時(shí)的極限轉(zhuǎn)速只決定于彈簧的預(yù)緊力，而在不同的扭矩下，起作用的轉(zhuǎn)速點(diǎn)仍舊不變。如圖3.4中的n0。 mn0n 圖3.4 單極式調(diào)速器工作特性 圖3.5單極式機(jī)械調(diào)速器工作原理（2）兩級式調(diào)速器. 兩極調(diào)速器可控制怠速和高速，但在寬闊的中間轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)速器不起作用，而由操作人員直接控制齒桿或拉桿控制油量，這樣可以減小操作力

25、，縮短反應(yīng)時(shí)間，主要用于轉(zhuǎn)速變化頻繁的柴油機(jī)，如帶有離合器的中小型車用柴油發(fā)動機(jī)上。當(dāng)離合器脫開的瞬時(shí)，相當(dāng)于發(fā)動機(jī)突然卸載，調(diào)速器就能防止發(fā)動機(jī)飛車。在低轉(zhuǎn)速時(shí)接上離合器，又能避免發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降。圖3.6為兩極式機(jī)械調(diào)速器的工作原理。它裝有兩根彈簧，外面一圈是弱彈簧，里面是強(qiáng)彈簧。飛錘張開時(shí)油泵處在最大油量位置。在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，飛錘只受弱彈簧作用，因此，飛錘的離心力用來克服弱彈簧就能驅(qū)動調(diào)油機(jī)構(gòu)，此時(shí)，調(diào)速器起低速穩(wěn)定作用。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸提高后，強(qiáng)彈簧開始加入工作。由于強(qiáng)彈簧受預(yù)緊力作用，所以盡管轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加，但調(diào)速器并不起作用。直到轉(zhuǎn)速超過標(biāo)定值后，飛錘的離心力克服強(qiáng)彈簧的預(yù)緊力和弱彈

26、簧彈力后，調(diào)速器就起極限調(diào)速的作用。圖3.6兩級式機(jī)械調(diào)速器工作原理（3）全程式調(diào)速器. 全程式調(diào)速器對于柴油機(jī)由怠速到最高轉(zhuǎn)速的任何轉(zhuǎn)速都能自動調(diào)節(jié)供油量的大小，從而保持轉(zhuǎn)速的變化在一定范圍內(nèi)，這種調(diào)速器用途很廣，如拖拉機(jī)、工程機(jī)械、重型汽車、船舶和機(jī)車等。圖3.7是全程式機(jī)械調(diào)速器的工作原理。全程式調(diào)速器的重物為圓球，圓錐形圓盤1與調(diào)速器軸剛性連接。帶有平面圓盤3的套管2由圓球的摩擦力帶動，使之與軸一起轉(zhuǎn)動，并能沿軸向移動。套管通過止推軸承5和端點(diǎn)6支撐在杠桿4上。杠桿4與調(diào)油機(jī)構(gòu)連接，同時(shí)受彈簧7的拉力作用，經(jīng)常壓緊在端點(diǎn)上，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，鋼球由于離心力作用，沿著圓盤1的錐面張開，彈簧拉

27、力拉動杠桿及套管向減少供油量一側(cè)運(yùn)動，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降回復(fù)至原來的狀態(tài)。如要改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，則可通過變速桿5來改變彈簧7的預(yù)緊力。 1-圓錐形圓盤 2-套管 3-平面圓盤 4-杠桿 5-止推軸承 6-端點(diǎn) 7-彈簧 8-變速桿圖3.7 全程式機(jī)械調(diào)速器工作原理圖液壓式調(diào)速器都是全程式調(diào)速器。在液壓調(diào)速器中，轉(zhuǎn)速感應(yīng)元件轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換后輸給驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用以控制液壓放大機(jī)構(gòu)，使得到所需的調(diào)節(jié)力來驅(qū)動調(diào)油機(jī)構(gòu)由于它是通過油的壓力起作用的，故也稱為間接式調(diào)速器.同時(shí)，為了改善調(diào)節(jié)性能，在感應(yīng)元件與驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間設(shè)有反饋裝置。因此，與直接式相比，這種調(diào)速器具有較好的調(diào)節(jié)性能和較大的驅(qū)動力。在近代大中型柴油機(jī)中

28、都得到應(yīng)用。液壓調(diào)速器的工作原理如圖3.8所示。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，調(diào)速器離心式感受元件的滑套向上移動，使節(jié)點(diǎn)b帶著杠桿及滑閥亦向上移動，打開了下進(jìn)油孔，壓力油便進(jìn)入伺服器油缸的下部，推動動力活塞向上移動，同時(shí)油缸上部與出油孔接通，進(jìn)行排油。動力活塞的移動推動油泵齒條朝減油方向移動，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速回降。最后滑套和滑閥亦隨轉(zhuǎn)速回至原來平衡位置，切斷油缸的工作油通道，此時(shí)，動力活塞則停止在新的位置上。但是，在調(diào)速過程中，由于包括發(fā)動機(jī)在內(nèi)的整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的慣性、滑閥和動力活塞的運(yùn)動總是滯后于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因而造成轉(zhuǎn)速的波動，使調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定。在某些情況下，波動幅度甚至越來越大，根本不能工作。在實(shí)際

29、應(yīng)用中，液壓調(diào)速器都加上反饋環(huán)節(jié)，使轉(zhuǎn)速波動減少并逐漸收斂。從這種調(diào)速器中可以看出，只要選擇適當(dāng)?shù)膭恿τ透字睆胶陀蛪?，就可以得到所需的推動力來帶動調(diào)油機(jī)構(gòu)。具有反饋功能的液壓調(diào)速器分為：剛性反饋液壓調(diào)速器、彈性反饋液壓調(diào)速器和雙反饋液壓調(diào)速器。剛性反饋液壓調(diào)速器如圖3.9所示。把圖中的a點(diǎn)從固定改為用銷軸同伺服器的動力活塞連接，動力活塞的位移通過一組杠桿反饋至滑閥m上。由于反饋環(huán)節(jié)是用機(jī)械連接，因此稱為剛性反饋。當(dāng)負(fù)荷減少而轉(zhuǎn)速增加時(shí)，滑套m上升使杠桿ab以a點(diǎn)為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動，把滑閥向上提，高壓油便通至油缸下部空間，向上推動動力活塞使發(fā)動機(jī)減少供油?；钍垢軛Ua點(diǎn)向上移動。與此同時(shí)，由于發(fā)動機(jī)減油而

30、轉(zhuǎn)速下降。 圖3.8液壓調(diào)速器工作原理 圖3.9剛性反饋液壓調(diào)速器工作原理 圖3.10彈性反饋液壓調(diào)速器工作原理 圖3.11雙反饋液壓調(diào)速器工作原理但是當(dāng)b點(diǎn)回復(fù)到原來位置，調(diào)速過程結(jié)束后，由于反饋是通過剛性連接來實(shí)現(xiàn)的，故a點(diǎn)以及滑套m亦穩(wěn)定在新的位置，亦即發(fā)動機(jī)不能回復(fù)至原有的轉(zhuǎn)速。因而調(diào)速器的穩(wěn)定調(diào)速率不為零。這是剛性反饋調(diào)速器的特性。對圖中的調(diào)速器的動作進(jìn)一步分析，就可以知道這種調(diào)速器隨著負(fù)荷減少，新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速將增加。反之，負(fù)荷增加時(shí)轉(zhuǎn)速將下降。此外，這種調(diào)速器的穩(wěn)定調(diào)速率，可以通過改變杠桿ab兩臂的比例，得到不同的數(shù)值。彈性反饋液壓調(diào)速器如圖3.10所示，把剛性反饋液壓調(diào)速器的剛性反

31、饋桿ac改用緩沖器k，并增加一彈簧組a，則反饋環(huán)節(jié)變?yōu)閺椥苑答?。緩沖器是由充滿工作油的油缸及活塞組成。油缸兩空間通過一管道及針閥c而接通，當(dāng)活塞受力后，缸內(nèi)液體從一空間流向另一空間。由于針閥的節(jié)流作用，使活塞的移動比受力滯后，起到緩沖作用。調(diào)速器工作過程中，動力活塞移動的初期，緩沖器的氣缸、活塞以及接點(diǎn)a同時(shí)移動，彈簧5受壓縮。此時(shí)，調(diào)速器的動作與剛性反饋相同，但經(jīng)一段的延時(shí)后，緩沖器活塞因受彈簧力而移到新的平衡位置，使得彈簧5以及杠桿ab恢復(fù)到起始位置。即套筒m也回到起始位置。這樣，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變，穩(wěn)定調(diào)速率可為零。且與負(fù)荷大小無關(guān)，調(diào)節(jié)節(jié)流針閥的開度，可以改變阻尼作用

32、，當(dāng)開度增大時(shí)，阻尼減少，使柴油機(jī)調(diào)速動作加快，轉(zhuǎn)速波動增大：反之，調(diào)速動作減慢，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的時(shí)間增加。一般是通過試驗(yàn)來確定。因此，調(diào)節(jié)針閥可以改變調(diào)速器的動態(tài)過程。雙反饋液壓調(diào)速器是在彈性反饋調(diào)速器上再加上剛性反饋杠桿，如圖3.11中的efg杠桿，使調(diào)速器同時(shí)具有彈性和剛性反饋，這樣，調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性由彈性反饋系統(tǒng)的針閥來調(diào)整，而改變反饋杠桿兩臂比，可使穩(wěn)定調(diào)速率從零到一定數(shù)值內(nèi)變化。當(dāng)f與g點(diǎn)重合時(shí)，不起剛性反饋?zhàn)饔?，穩(wěn)定調(diào)速率為零。這種調(diào)速器的性能較好，適用范圍廣，所以在各種大中型發(fā)動機(jī)上獲得廣泛的采用。（4）全程兩級組合式調(diào)速器.全程兩極組合式調(diào)速器兼有全程與兩極調(diào)速器的功能，適用于工程車輛

33、，如帶超重機(jī)和攪拌機(jī)的汽車、掃雪車和油罐車等有作業(yè)和行駛雙重任務(wù)的車輛，它們在行駛時(shí)采用兩極調(diào)速以達(dá)到省力與反應(yīng)快捷的目的，作業(yè)時(shí)則采用全程調(diào)速，以保證工作穩(wěn)定可靠。3.2 柴油機(jī)安裝調(diào)速器的必要性 所有壓燃式內(nèi)燃機(jī)即柴油機(jī)上均裝有調(diào)速器，其最基本的功能是限制發(fā)動機(jī)的最離轉(zhuǎn)速，即保證它在高速工況下不致因超速而產(chǎn)生“飛車”，同時(shí)也要保證在低速與怠速時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，并限制其在其他工況下的轉(zhuǎn)速波動。柴油機(jī)上必須安裝調(diào)速器，其原因可以從以下兩個(gè)方面來加以說明。3.2.1 柴油機(jī)的扭矩速度特性圖3.12是柴油機(jī)在不同加速踏板轉(zhuǎn)角情況下的扭矩速度特性曲線，分析圖中三條曲線可以看出，柴油機(jī)的扭矩-速度特性曲線

34、非常平坦，當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速有很大的變化時(shí)，其扭矩的變化卻很?。环粗?，扭矩的微小變化卻會引起轉(zhuǎn)速的巨大突變。無論何種柴油機(jī)，工作時(shí)所受到的阻力矩都會有一些變化或波動，阻力矩的波動使得轉(zhuǎn)速突變，引起柴油機(jī)工作極不穩(wěn)定，為緩解或避免這種不穩(wěn)定情況，必須在柴油機(jī)上安裝轉(zhuǎn)速自動調(diào)速裝置-調(diào)速器。如使用柴油機(jī)的車輛，在行駛過程，其受到的阻力情況是復(fù)雜多變的，如沒有安裝調(diào)速裝置，柴油發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速波動太大，車輛將無法正常行駛。3.2.2 柴油機(jī)噴油泵速度特性當(dāng)噴油泵油量控制機(jī)構(gòu)(齒桿或拉桿)位置一定時(shí)，噴油系統(tǒng)每循環(huán)噴油量隨轉(zhuǎn)速的變化特性，稱為噴油泵的速度特性。圖3.13是實(shí)測結(jié)果。在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，每循環(huán)噴油

35、量隨轉(zhuǎn)速增大而增加。在高速段，噴油量增加的數(shù)值較少。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是柱塞套進(jìn)、回油油孔節(jié)流作用和柱塞偶件間的泄漏作用的綜合結(jié)果。當(dāng)凸輪軸轉(zhuǎn)動、柱塞上行、理論上柱塞頂平面關(guān)閉柱塞套進(jìn)油孔時(shí)，即開始壓油：而實(shí)際上當(dāng)柱塞頂平面還未完全關(guān)閉進(jìn)油孔(離關(guān)閉進(jìn)油孔還有一定量的柱塞行程)時(shí)，由于節(jié)流作用，在柱塞壓油腔內(nèi)的燃油不能迅速通過進(jìn)油孔開啟的截面流出，柱塞腔壓力開始升高，導(dǎo)致出油閥提早開啟。同樣道理，理論上柱塞的斜槽(或螺旋槽)邊緣與柱塞套回油孔相通則供油停止。實(shí)際上斜槽邊緣剛打開回油孔，回油孔截面不大時(shí)，節(jié)流作用較大，柱塞腔油壓不可能立即降到出油閥落座壓力，從而使出油閥延遲關(guān)閉。出油閥的早開和遲

36、關(guān)，使實(shí)際的柱塞有效供油行程大于在幾何上的有效供油行程，每循環(huán)供油量增多，轉(zhuǎn)速高時(shí)，節(jié)流作用強(qiáng)，使每循環(huán)噴油量增大.另一方面，柱塞與柱塞套間配合間隙很小(一般為1.5 um3um)，但在往復(fù)運(yùn)動中間隙可能偏在一邊，柱塞腔與低壓油腔的壓力差很大，且密封長度短(與有效行程有關(guān))，故必有一定的泄漏量。泄漏量多少與時(shí)間有關(guān)，轉(zhuǎn)速高時(shí)每循環(huán)經(jīng)歷時(shí)間短，泄漏量少，供油量增多；低速時(shí)泄漏量多，供油量減少。因此，通過節(jié)流和滲漏共同作用，使每循環(huán)噴油量隨轉(zhuǎn)速降低明顯減少。但轉(zhuǎn)速很高時(shí)，受結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，泄漏和節(jié)流作用有一定的極限量，故影響不再明顯，出現(xiàn)循環(huán)噴油量隨轉(zhuǎn)速變化不明顯的趨向。 2 2004006006

37、009601200144016801920轉(zhuǎn)速 r/min(m.n) 扭矩50403020500 700 900 1100 1300 1500（環(huán)循/3mm） vbn r/min圖3.12柴油機(jī)扭矩-速度特性 圖3.13柴油機(jī)噴油泵速度特性 由以上對柴油機(jī)噴油泵柱塞偶件的工作過程分析，可以得出結(jié)論：當(dāng)柴油機(jī)所受阻力扭矩不變時(shí)，柱塞套進(jìn)、回油孔節(jié)流作用和柱塞偶件間的泄漏作用的綜合結(jié)果，使得柴油機(jī)噴油泵隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增高，噴油量會相應(yīng)增大。噴油量的增大，理所當(dāng)然地將會引起轉(zhuǎn)速的提高，這樣就會引起一個(gè)轉(zhuǎn)速增高-噴油量增大-轉(zhuǎn)速增高的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致柴油超速，甚至損壞柴油機(jī)。反之也然，將會引起一個(gè)

38、轉(zhuǎn)速降低-噴油量減小-轉(zhuǎn)速降低的惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致柴油機(jī)停機(jī)，無法正常工作。為了緩解或避免這種情況，就必須在柴油機(jī)上安裝速度調(diào)節(jié)裝置-調(diào)速器。 調(diào)速器除了防止超速與保持怠速穩(wěn)定這兩項(xiàng)基本任務(wù)以外，調(diào)速器作為柴油機(jī)及其姍料供給系統(tǒng)的重要控制部件，還擔(dān)負(fù)著其他重要功能，如保持怠速與最高車速之間各工況的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定住程調(diào)速，起動加濃，轉(zhuǎn)矩校正以及增壓與海拔調(diào)試補(bǔ)償?shù)龋詽M足柴油機(jī)在各種情況下的運(yùn)轉(zhuǎn)需要。4 柴油機(jī)電子調(diào)速器控制策略方案4.1 柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)及其控制方法柴油機(jī)電子調(diào)速器是將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)引入柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，提高和改善柴油機(jī)性能的產(chǎn)物。電子調(diào)速器在控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定與調(diào)節(jié)、系

39、統(tǒng)功能的擴(kuò)展、調(diào)速器木身的調(diào)試與整定等方面具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，能夠快速精確地調(diào)節(jié)柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，自動調(diào)整柴油機(jī)外特性，是實(shí)現(xiàn)配套柴油機(jī)動力機(jī)械自動化的前提。4.1.1 柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)組成電子調(diào)速器系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)等幾部分組成，如圖4.1所示。速度給定控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)噴油泵柴油機(jī)轉(zhuǎn)速檢測n圖4.1柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)原理（1）速度給定環(huán)節(jié)實(shí)際上是指動力機(jī)械的操縱或控制機(jī)構(gòu)，它發(fā)出柴油機(jī)起動、停機(jī)或升降柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的命令。（2）控制器 控制器由微機(jī)或單片機(jī)擔(dān)當(dāng)構(gòu)成實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)規(guī)律需根據(jù)柴油機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的控制方法，是電子調(diào)速器的核心。（3）

40、轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié) 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)構(gòu)成了電子調(diào)速器系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，由此實(shí)現(xiàn)對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制器發(fā)出的指令來驅(qū)動柴油機(jī)噴油泵供油齒條朝著控制器所給定的方向移動給定的距離，從而改變噴油泵的供油量，實(shí)現(xiàn)控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。（5）系統(tǒng)控制程序系統(tǒng)控制程序主要由系統(tǒng)初始化、狀態(tài)設(shè)定、柴油機(jī)起動、停機(jī)、恒速控制、轉(zhuǎn)速檢測與顯示、驅(qū)動控制等若干程序塊組成。4.1.2 柴油機(jī)電子調(diào)速器控制方法對于像柴油機(jī)這種包括氣體流動、往復(fù)機(jī)械運(yùn)動、燃油噴射、油氣混合、燃燒膨脹等諸多過程的復(fù)雜的非線性瞬變系統(tǒng)以及柴油機(jī)工況的千變?nèi)f化，柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立.即使建立了模型其離散性也較大

41、，且受到硬件運(yùn)算速度的制約，實(shí)現(xiàn)控制難度較大，因此目前柴油機(jī)電子調(diào)速器應(yīng)用最普遍和效果較好的控制算法仍為pid控制算法，其控制方案如圖4.2所示。pid控制pi控制電機(jī)執(zhí)行器驅(qū)動電路轉(zhuǎn)速檢測噴油泵ne +-檢測齒條位置n柴油機(jī)圖4.2柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)控制原理該控制系統(tǒng)是一個(gè)轉(zhuǎn)速、噴油泵供油齒條位置雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)，外環(huán)為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)為噴油泵供油齒條位置環(huán)。外環(huán)控制器采用pid控制方法，外環(huán)通過轉(zhuǎn)速傳感器反饋的柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速比較產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差，經(jīng)pid控制器計(jì)算得出噴油泵齒條的計(jì)算位移。它有兩個(gè)作用：一是對給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值進(jìn)行控制；二是其輸出作為噴油泵供油齒條位置的給

42、定值，即輸出內(nèi)環(huán)控制器的給定參考序列。內(nèi)環(huán)控制器采用哥德溫自適應(yīng)控制器，根據(jù)外環(huán)給定參考序列進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出控制量，對噴油泵供油齒敢位置進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而控制噴油量。由于采用哥德溫自適應(yīng)控制方案能跟蹤任意給定參考序列，所以可獲得較好的性能。（1）pid控制簡介pid(proportional integral derivative)控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，已經(jīng)形成了一套完整的控制方法和典型結(jié)構(gòu)。它不僅適應(yīng)于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)，而且對于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng)用pid控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，在大多數(shù)的工業(yè)過程中取得了滿意的應(yīng)用效

43、果。（2）pid控制方法pid( 比例、積分、微分)控制不需要了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對控制器的參數(shù)進(jìn)行在線整定，就可以取得滿意的控制效果.計(jì)算機(jī)pid控制的基本結(jié)構(gòu)如圖4.3所示，輸出y(t)被反饋到輸入端，輸入信號與反饋信號的偏差e(t)加給pid控制器，控制器調(diào)節(jié)控制量u(t)并向被控對象輸出，pid根據(jù)反饋信號與輸入信號的偏差情況對控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)。數(shù)字pid控制器零階保持器被控對象e(t)u(t)y(t)計(jì)算機(jī) 圖4.3計(jì)算機(jī)pid控制原理當(dāng)偏差e(t)較大時(shí)，控制量u(t)也相應(yīng)增大，就是比例p控制。當(dāng)偏差e(t)累加起來以增大控制量使偏差消失，就是積分控制。當(dāng)偏差e(

44、t)的微分大于0時(shí)，表明偏差在加大，就應(yīng)及時(shí)增加控制量，使偏差減??；當(dāng)偏差e(t)的微分小于0時(shí)，表明偏差在減小，就應(yīng)及時(shí)減小控制量，以免當(dāng)偏差e(0)趨于0時(shí)，又向相反的方向發(fā)展，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，所以，微分d控制起到對偏差進(jìn)行預(yù)估的作用。pid控制的算法為：y(t)=kpe(t)+td （4.1）其中， y(t)，e(t)為調(diào)節(jié)量和轉(zhuǎn)速偏差量；kp、ti 、td 分別為比例增益、積分和微分時(shí)間常數(shù)。在pid控制器中，控制規(guī)律差分方程實(shí)現(xiàn)，pid控制算法采用一般常用的后向差分近似，即：y(k)=kpe(t)+ki+kde(t)-d(k-1) （4.2） 其中，ki=kp/ti、kd =kptd

45、/t分別為積分系數(shù)和微分系數(shù)，t為采樣間隔。5 電子調(diào)速器的結(jié)構(gòu)、電路和控制程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)電子調(diào)速器結(jié)構(gòu)原理及工作原理如圖5.1和圖5.2所示。圖5.1 電子調(diào)速器結(jié)構(gòu)原理圖轉(zhuǎn)速n0加速踏板齒桿s0單片機(jī)步進(jìn)電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)油 泵轉(zhuǎn)速n1齒桿s1圖5.2 電子調(diào)速器工作原理框圖5.1 電子調(diào)速器硬件系統(tǒng)組成電子調(diào)速器硬件系統(tǒng)主要由傳感器、微機(jī)控制系統(tǒng)、執(zhí)行器等組成。5.1.1 單片機(jī)的選擇目前世界上生產(chǎn)單片機(jī)生產(chǎn)商很多，如intel、motorrola 、philips等公司，其主流產(chǎn)品有幾十個(gè)系列，幾百個(gè)品種，但是本設(shè)計(jì)采用的是intel公司的mcs-51的gms89s51單片機(jī)，因?yàn)檫@款單片機(jī)

46、相比其它的單片機(jī)性能較優(yōu)良，價(jià)格實(shí)惠。以 mcs-51系列單片機(jī)為核心的微機(jī)控制系統(tǒng)電子調(diào)速器系統(tǒng)以51系列的gms89s51單片機(jī)為核心，其結(jié)構(gòu)圖如5.3所示。本設(shè)計(jì)電子調(diào)速器主要電路由單片機(jī)及顯示通訊電路、模擬信號檢測及轉(zhuǎn)換電路、轉(zhuǎn)速檢測及整形處理電路等組成。 圖5.3 mcs-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5.1.2 執(zhí)行器 本設(shè)計(jì)的電子調(diào)速器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為步進(jìn)電機(jī)、螺紋傳動機(jī)構(gòu)、杠杠機(jī)構(gòu)等。（1）步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)是一種利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電機(jī)，近年來在數(shù)字控制裝置中的應(yīng)用日益廣泛。選用常州雙杰電子有限公司生產(chǎn)的57bygh6602型4相混合式步進(jìn)電機(jī)，其

47、主要技術(shù)參數(shù)如下表所示。表5.1 578ygh6602型4相混合式步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表步距角機(jī)身長電流電阻電感1.856mm1.5a3.25.4mh靜力距定位力矩轉(zhuǎn)動慣量引線數(shù)重量9.0kg.cm350.cm280g.cm6590g57bygh602型4相混合式步進(jìn)電機(jī)的外形如圖5.4所示，接線如圖5.5所示。圖5.4 57bygh602型4相混合式步進(jìn)電機(jī)的外形圖blk 黑 ayel黃 0grn 綠 ab 紅red0 白whdb 藍(lán)blum圖5.5 b-57bygh602型4相混合式步進(jìn)電機(jī)接線圖57bygh6602型4相混合式步進(jìn)電機(jī)的引出線有六條，對于四相六線的電機(jī)，中間抽頭的二根線可

48、以懸空不接，其它四根線和驅(qū)動器相連，這也方便sj-2h042ma步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的配合使用。（2）傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)噴油泵工作時(shí)，要求齒桿位移調(diào)節(jié)靈敏迅速，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)實(shí)際情況由程序設(shè)定，在電子調(diào)速器的傳動機(jī)構(gòu)中，要求其傳動速度越快越好。因此，在滿足扭矩要求的前提下，盡可能地提高步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。螺桿傳動機(jī)構(gòu)由傳動螺桿、螺母、拉桿和彈簧組成。螺紋傳動機(jī)構(gòu)所傳遞的扭矩較小，與步進(jìn)電機(jī)連接的傳動螺桿選用ms的螺紋即可足夠滿足所需強(qiáng)度。螺母采用薄板制成，與螺桿配合時(shí)有2個(gè)螺紋牙嚙合即可，這樣設(shè)計(jì)既有效減少了機(jī)構(gòu)的摩擦阻力，同時(shí)也有效減少了機(jī)構(gòu)的慣量。拉桿用薄板組焊而成，目的也是為了減少機(jī)構(gòu)的慣量。

49、拉桿中有彈簧套在螺桿上，以預(yù)緊螺母，并可減小螺紋傳動的間隙。各零件的具體尺寸結(jié)構(gòu)如下列幾圖中所示。圖5.6 傳動螺桿 圖5.7 螺母圖5.8拉桿 圖5.9彈簧 圖5.10 螺桿傳動機(jī)構(gòu)杠桿的作用是將螺桿的小位移量變換成齒桿的大位移量，以增大傳動比，提高傳動機(jī)構(gòu)的反應(yīng)速度。經(jīng)計(jì)算，杠桿比為3：5時(shí)，即能達(dá)到理想的傳動速度。 圖5.11 傳動杠桿 圖5.12 傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖在該傳動機(jī)構(gòu)中，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，螺母移動一個(gè)螺距1.25mm，螺紋機(jī)構(gòu)帶動杠桿短臂端點(diǎn)移動距離也是1.25mm。經(jīng)過3：5的杠桿比例傳動，杠桿長臂端點(diǎn)移動2.08mm，杠桿長臂端點(diǎn)帶動齒桿移動距離也為2.08mm。要使齒桿

50、移動一個(gè)行程的距離12mm，則步進(jìn)電機(jī)要旋轉(zhuǎn)5.76周。以步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為150r/min計(jì)，齒桿移動一個(gè)行程的距離，需時(shí)2.304秒。由傳動機(jī)構(gòu)的傳動比例可得出，齒桿位移與步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系式為：y = 2.08 x （5.1）其中：y為齒桿移動的距離，單位為mm。x為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的圈數(shù) 。5.1.3 傳感器傳感器是控制系統(tǒng)中的重要硬件，是控制系統(tǒng)中所有信息來源。傳感器的選擇是否得當(dāng)，直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的功能和可靠性。選擇傳感器的第一依據(jù)是傳感器的性能，傳感器的性能決定著控制系統(tǒng)的性能。中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)gb765-1987對傳感器（transducer/sensor)的定義是：能感定的

51、被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中，敏感元件(sensing element)是指能直接感受或響應(yīng)被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件（transduction element)是指傳感器中能將感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。其具體的齒桿位置傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器及油門踏板角度傳感器分別見后續(xù)5.4.2、5.4.3和5.4.4。5.2 電子調(diào)速器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)需要的電源有三種電壓：單片機(jī)及脈沖電路用+5v的電源，溫度測量及處理電路、轉(zhuǎn)速信號控制電路的兩種模擬+5v的電源，a/d和我d/a電路的+2.5v基準(zhǔn)電壓和溫度測量及處理電

52、路的+5v、2.5v基準(zhǔn)電壓。而這些電源均由24v蓄電池提供。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)極其重要的工作，它對整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行起著重要的作用。電源設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮功率、電壓及抗干擾等問題。電源功率必須能滿足全系統(tǒng)的需要。單片機(jī)系統(tǒng)的絕大多數(shù)器件以脈沖方式工作，對較小的系統(tǒng)，功率消耗的脈沖特性更為突出，因此單片機(jī)電源系統(tǒng)必須有足夠的耐沖擊性，這就要求電源設(shè)計(jì)時(shí)留有充分的余量，對此小型系統(tǒng)按實(shí)際功率消耗的2倍和3倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證單片機(jī)的正常和穩(wěn)定工作。系統(tǒng)采用分布式電源設(shè)計(jì)，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和現(xiàn)代電子電路中最常用的一種電源技術(shù)。分布式電源將單片機(jī)系統(tǒng)中不同部件的電源相對獨(dú)

53、立，使電源功率分散，這對降低電源成本，提高效率，減少紋波系統(tǒng)，提高電源穩(wěn)定度均十分有利，電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5.13所示。蓄電池24v可調(diào)電源模塊輸出；+5v供測溫電路用大功率可調(diào)電源模塊降壓至18v電壓基準(zhǔn)模塊輸出；+5v基準(zhǔn)電壓，供測溫電壓使用可調(diào)電源模塊輸出；+5v供單片機(jī)電路電壓基準(zhǔn)模塊輸出；+2.5v基準(zhǔn)電壓，供測溫電路使用大功率可調(diào)電源模塊降壓至12v可調(diào)電源模塊輸出；+5v供測速電路與控制電路用電壓基準(zhǔn)模塊輸出；+2.5v基準(zhǔn)電壓，供ad、da轉(zhuǎn)換用圖5.13 電源結(jié)構(gòu)示意圖利用大功率可調(diào)電源模塊分兩級將電壓降至12v，作為產(chǎn)生單片機(jī)系統(tǒng)所需各種電壓的電源。此12v電源分別送入有較高

54、精度的電源模塊，產(chǎn)生三路+5v電源，供單片機(jī)、測溫電路和測速與控制電路使用。此12v電源還送入電壓基準(zhǔn)模塊產(chǎn)生+5v基準(zhǔn)電壓，供測溫電路使用。由于測溫電路和測速與控制電路所需功率較小，所以此二路電源還分別產(chǎn)生+2.5v 基準(zhǔn)電壓供測溫電路和更精確的+2.5v基準(zhǔn)電壓，供a/d采樣和d/a轉(zhuǎn)換使用。系統(tǒng)中單片機(jī)電源對模擬電路尤其是基準(zhǔn)電壓有較高的要求?？紤]到電路設(shè)計(jì)的方便，單片機(jī)電源和模擬電路均采用具有較高精度的電源模塊lm338和lm317來產(chǎn)生。對要求精度較高的a/d采樣及d/a轉(zhuǎn)換，采用高精度的mc1403基準(zhǔn)電源模塊；對溫度測量電路所需基準(zhǔn)電源則采用lm336-2.5v 和lm336-5v基準(zhǔn)電源模塊。發(fā)動機(jī)的電源系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)通過電壓調(diào)節(jié)器對蓄電池充電，而發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓隨轉(zhuǎn)速有較大的波動，會造成蓄電池電壓的波動。另外，啟動電機(jī)等大功率用電器在工作時(shí)會造成蓄電池電壓有較大幅度的下降，一些繼電器式的用電器在工作時(shí)會產(chǎn)生火花也會造