柴油發(fā)電機(jī)數(shù)字調(diào)速控制器設(shè)計(jì) 思路 簡(jiǎn)介

1、柴油發(fā)電機(jī)數(shù)字調(diào)速控制器設(shè)計(jì)電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 摘 要目前, 柴油發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)大部分采用以分立元器件為基礎(chǔ)的模擬系統(tǒng), 技術(shù)性能指標(biāo)較差。為了使控制系統(tǒng)在性能指標(biāo)和可靠性方面有質(zhì)的提高, 需要在控制思想、控制算法、控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)手段上進(jìn)行全面技術(shù)改造。近幾年來(lái), 隨著自動(dòng)控制理論、微電子技術(shù)以及電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展, 許多與柴油發(fā)電機(jī)組相關(guān)的理論和技術(shù)己經(jīng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中, 傳統(tǒng)的模擬式控制器已逐步被性能更為優(yōu)越、結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的數(shù)字式控制器所取代。介紹了TMS320F2812 DSP 的特性, 并提出了基于TMS320F2812 DSP的柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方案。本文

2、首先對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組電控化方面的發(fā)展和控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。第二章對(duì)智能控制器的硬件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。主要是轉(zhuǎn)速控制模塊、顯示模塊 報(bào)警模塊以及鍵盤處理模塊。對(duì)于轉(zhuǎn)速控制模塊，我們主要用到DSP 的事件管理功能來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速，并通過硬件電路來(lái)產(chǎn)生PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。A/D模塊我們用DSP 自帶的A/D模塊，實(shí)現(xiàn)電壓，電流以及頻率的測(cè)量。顯示模塊我們采用串行的液晶模塊通過RS232接口和DSP 相連，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。該方案是利用高性能芯片為核心的新型控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：控制器; 柴油發(fā)電機(jī); 調(diào)速; 模糊控制；AbstractAt present, diesel generating set

3、s the control system of the separation of the basis of simulation system components, technical performance index is poorer. In order to make the control system in performance index and improve the quality reliability, need to be in control, control algorithm, the realization of the control system of

4、 comprehensive measures technical reform. In recent years, the automatic control theory, microelectronics technology and power electronic technology rapid development, many with diesel generating sets related theory and technology has been applied to engineering practice, the traditional analog cont

5、roller has gradually been is superior, structure is more simple digital controller replaced. Introduces the characteristics of TMS320F2812 DSP, and put forward based on TMS320F2812 DSP diesel generating sets digital controller design scheme.This paper first to diesel generating sets of electric cont

6、rol aspects of the development of the present situation of and control system are introduced. The second chapter to the intelligent controller hardware for the overall design. Mainly is the speed control module, display module alarm module and the keyboard processing module. For speed control module

7、, we mainly use DSP event management function to measure speed, and through the hardware circuit to create PWM signal driven actuators. A/D module with our own DSP the A/D module, realize the voltage, current and frequency measurement. Display module we adopt LCD module through RS232 serial interfac

8、e and DSP is linked together, realize the measurement data real-time display. The scheme is use high-performance chips as the core of the new control system.一、前言 目前，柴油發(fā)電機(jī)上的調(diào)速裝置是離心式機(jī)械調(diào)速器。雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、維修方便、成本低廉，但是也存在著明顯缺點(diǎn)：首先，從控制角度講，它相當(dāng)于一種比例控制器，存在調(diào)節(jié)靜差，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，調(diào)速?gòu)椈闪惋w塊離心力的平衡點(diǎn)也隨著變化，穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速不等于原轉(zhuǎn)速；其次，調(diào)速器中存在著

9、機(jī)械傳動(dòng)摩擦，運(yùn)行時(shí)，飛塊離心力因需克服摩擦力而產(chǎn)生調(diào)節(jié)滯后，滯后較大時(shí)，會(huì)造成柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，從而影響輸出電能質(zhì)量；再次，機(jī)械調(diào)速器功能單一，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，也就不能充分發(fā)揮柴油發(fā)電機(jī)的工作性能。對(duì)于柴油機(jī)來(lái)說，在其燃燒室及進(jìn)排氣系統(tǒng)已確定的情況下，借助于調(diào)節(jié)控制技術(shù)的改進(jìn)能使柴油機(jī)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)都處于較佳的工作狀態(tài)，提高小型柴油機(jī)的工作性能。因此，研制一款適用于柴油機(jī)的電子調(diào)速裝置，可以優(yōu)化柴油機(jī)的動(dòng)力性能、改善燃油使用經(jīng)濟(jì)性、控制排放和噪聲，延長(zhǎng)零件的使用壽命，使柴油機(jī)從怠速至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能獲得較佳的工作狀態(tài)，從而提高柴油發(fā)電機(jī)的工作性能。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)包括：主

10、控模塊、轉(zhuǎn)速控制模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊以及鍵盤部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體電路框圖見圖1所示。 1 處理器：TMS320F2812是TI 公司專門用于控制的一款高性能、多功能、高性價(jià)比的定點(diǎn)32位DSP 處理芯片。該芯片與TMSLF2407指令兼容系統(tǒng)，最高可以150MHz 主頻工作，并帶有18K*16位零等待周期的片內(nèi)SRAM 和128K*16位片內(nèi)FLASH 該器件還有3個(gè)獨(dú)立的的32為CPU 定時(shí)器，以及56個(gè)獨(dú)立編程的GPID 引腳, 還可以擴(kuò)大于1M*16位程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該芯片上外設(shè)主要包括16路12位精度的ADC ，2路SCI,1路SPI,1路McBSP ，1路Ecan, 以及兩個(gè)事

11、件管理模塊等，每個(gè)事件管理模塊包括6路PWM/CMP，2路QEP ，3路CAP 和2路16位的定時(shí)器。2轉(zhuǎn)速控制：柴油機(jī)的速度控制對(duì)輸出電的品質(zhì)有極大的影響，因此必須進(jìn)行準(zhǔn)確的速度控制。柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速的基本原理是通過速度信號(hào)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)速的變化，通過電子調(diào)速器的控制，有執(zhí)行器帶動(dòng)油門拉桿，調(diào)節(jié)供油量大小，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。如圖23 報(bào)警單元：當(dāng)溫度或濕度達(dá)到最高或最低報(bào)警限時(shí)，此時(shí)報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生。系統(tǒng)采用三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警，當(dāng)溫濕度嚴(yán)重超標(biāo)或出現(xiàn)火情、遇盜時(shí)，系統(tǒng)做出聲光報(bào)警，同時(shí)記錄并打印事故出現(xiàn)的時(shí)間、控制點(diǎn)等情報(bào)，并能啟動(dòng)適當(dāng)應(yīng)急措施。4 顯示單元：采用LCD 顯示輸入值和相應(yīng)的

12、轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速控制模塊顯示模塊鍵盤處理模塊報(bào)警和跳閘模塊執(zhí)行器轉(zhuǎn)速信號(hào)電網(wǎng)電壓、電流、頻率進(jìn)入A/D門主控模塊TMS320F2812 圖1 系統(tǒng)整體電路框圖執(zhí)行器柴油機(jī)發(fā)電機(jī)電磁傳感器飛輪圖2 轉(zhuǎn)速的控制三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以微處理器為核心的控制系統(tǒng)是柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，我們采用以DSP 為核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的參數(shù)檢測(cè)，同時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，特點(diǎn)是所有控制通過控制程序來(lái)完成，總的來(lái)說轉(zhuǎn)速控制分為三部分，轉(zhuǎn)速的輸入，控制調(diào)節(jié)，和執(zhí)行器的輸出，我們通過測(cè)得的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整輸出，算法上采用數(shù)字PID 控制，這是比較成熟的算法。我們要實(shí)現(xiàn)的是控制器要有以下功能:1）對(duì)轉(zhuǎn)速實(shí)

13、現(xiàn)閉環(huán)的PID 控制。2）對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)和顯示。3）通過鍵盤對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。4）對(duì)電流過大、頻率，電壓過高進(jìn)行報(bào)警和跳閘保護(hù)。四、電源設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)際開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中占有很重要的位置。由于很多實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)工作環(huán)境比較復(fù)雜，所以電源設(shè)計(jì)就有很高的要求，既要穩(wěn)定，又要有很高的抗干擾能力。對(duì)于要求較高的系統(tǒng)，通常電源選擇比較可靠的專業(yè)廠家設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的要求，DSP2812所需的工作電源為+3.3V和1.8V ，而LCD ，MAX485要求的工作電源為+5V。所以要設(shè)計(jì)滿足本系統(tǒng)所需芯片的工作電壓設(shè)計(jì)電源如下圖3所示：。 圖3 電源電路圖五、軟件分

14、析要完成系統(tǒng)要求的任務(wù)，在一個(gè)良好的硬件基礎(chǔ)上，還需要優(yōu)良的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它將控制規(guī)律、控制算法以及整個(gè)系統(tǒng)資源緊密地連接在一起完成調(diào)速功能，它決定了系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)軟件主要由開機(jī)油門復(fù)位、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、輸出功率檢測(cè)、油門調(diào)節(jié)和保護(hù)子程序組成六、結(jié)論本文通過對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的研究，設(shè)計(jì)了基于柴油發(fā)電機(jī)組的控制器，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制和狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真研究，通過對(duì)系統(tǒng)的研究開發(fā)，得出以下結(jié)論:1 柴油發(fā)電機(jī)組的數(shù)字調(diào)速器比傳統(tǒng)的模擬調(diào)速器可靠性更高，適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度也更高，同時(shí)抗干擾能力也更強(qiáng)。同時(shí)主要是通過軟件實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，升

15、級(jí)也更方便。2 本文采用TMS32OLF240A7為核心設(shè)計(jì)了柴油發(fā)電機(jī)組的硬件系統(tǒng)，通過CCS 開發(fā)環(huán)境，用C 語(yǔ)言開發(fā)DSP 應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和各部分功能模塊的實(shí)現(xiàn)，由于各部分都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，所以有很強(qiáng)的適應(yīng)性。3 完成了柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)的檢測(cè)和顯示。這是通過DSP 的A/D模塊對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的水溫和油壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，水溫水壓通過傳感器經(jīng)過運(yùn)放和濾波電路進(jìn)入DSP 的AD/模塊的，通過DSP 處理后再通過DSP 的SC 工模塊實(shí)現(xiàn)液晶顯示。4 由于柴油發(fā)電機(jī)組具有非線性和時(shí)變性，并且其數(shù)學(xué)模型不是十分精確，常規(guī)PID 不能對(duì)其進(jìn)行很好的控制，本文采用

16、模糊自適應(yīng)PID 控制，系統(tǒng)的響應(yīng)速度更快，超調(diào)量更小，調(diào)速精度更高，并且環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，大大地提高了系統(tǒng)的整體性能。5 在建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組模型的基礎(chǔ)上，建立柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的仿真系統(tǒng)框圖，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制算法進(jìn)行了仿真研究。比較了常規(guī)PID 控制和不完全微分，變速積分，和模糊自適應(yīng)P 工D 控制的仿真效果，通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真有助于我們對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的快速理解，并初步的分析出我們需要的控制參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的研究有積極作用。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文簡(jiǎn)介 參考文獻(xiàn) 宋宜海. 柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析J. 農(nóng)村實(shí)用科技信息，2011.8 呂海衛(wèi)等. 基于 DSP 的柴油發(fā)電機(jī)組數(shù)字控制器設(shè)計(jì)J. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2008.3 史際