一种汽油机电子调速器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种汽油机电子调速器，包括转速采样模块、数字控制器、执行驱动模块和执行器；所述转速采样模块获取当前的转速信号，对信号进行数字化处理后送给数字控制器；所述数字控制器，在数字控制器中利用PID数字控制算法对收到的信号进行处理，得到控制命令输送给执行驱动模块；所述执行驱动模块根据控制命令驱动执行器执行控制命令；所述执行器控制汽油机的节气门，从而对汽油机的输出转速进行调节。本发明的有益效果是采用的汽油机电子调速器具有可靠性高，瞬时调速性能好。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽油机电子调速器【技术领域】，涉及一种汽油机电子调速器。 一种汽油机电子调速器
【背景技术】
[0002] 汽油机调速器的作用是依靠控制软件来实现调节和控制功能，使汽油机的转速在 负荷不断变化的情况下，稳定在设定的转速范围内。分析国内外有关电子调速器研究现状 的基础上，针对电子调速器在汽油机的过渡过程中，如何提高电子调速器的动态特性进行 了研究。分析了汽油机在过渡过程中转速变化与节气门开度变化之间的关系以及节气门的 调节量对电子调速器的动态特性的影响。采用分段式数字PID控制，根据汽油机过渡过程 的要求，提高电子调速器的动态响应速度，改善瞬时调速率，及时消除超调量，缩短稳定时 间。
[0003] 电子调速器依靠控制软件来实现调节和控制功能，使汽油机的转速在负荷不断变 化的情况下，稳定在设定的转速范围内。解决了机械式调速器无法克服的缺点，其稳态、瞬 态调速率以及过渡时间都可通过程序进行控制，具有很强的通用性和扩展能力。执行机构 采用四相步进电机，将电脉冲信号变化成转角或转速的执行电动机。只要软件设计得当，就 可以直接驱动汽油机的节气门，其控制精度较高，而且控制系统线路简单、功放元件少、工 作可靠。
[0004] 现有汽油机上的调速器普遍使用的是机械式调速器，它存在稳态、瞬时调速性能 较差，稳定时间较长等缺点。目前国内外针对小型高速汽油机用电子调速器进行的研究相 对较少。与柴油机用电子调速器相比，汽油机用电子调速器有较大的技术难度，其中主要原 因在于汽油机转速高，转动惯量小，突加或突卸负荷时的dn/特别大，以及化油器静态特 性的非线性和动态特性中的过度性能差等方面，特别是对电子调速器的动态特性有很高的 要求。为适应生产的需要，开发一种价格低廉、可靠性高、具有通用性和扩展性的数字式电 子调速器是十分必要的，其应用前景非常广阔。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种汽油机电子调速器，解决了现有的汽油机调速器采用 机械式稳态、瞬时调速性能较差的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是包括转速采样模块、数字控制器、执行驱动模块和执 行器；所述转速采样模块获取当前的转速信号，对信号进行数字化处理后送给数字控制器； 所述数字控制器，在数字控制器中利用PID数字控制算法对收到的信号进行处理，得到控 制命令输送给执行驱动模块；所述执行驱动模块根据控制命令驱动执行器执行控制命令； 所述执行器控制汽油机的节气门，从而对汽油机的输出转速进行调节。
[0007] 进一步，所述PID数字控制算法公式如下：
[0008] Δ U (i) = K' xe (i) +K' ρ [e (i) _e (i_l) ] +K' D [e (i) +e (i_2) ~2e (i_l)]
[0009] 式中，e(i)表示当前转速与设定值之差；4表示比例系数，e⑴-e(i-l)表示 当前转速与前一次转速之差，反映速度的变化快慢；6(1)+6(卜2)-26(卜1)转速的加速度； △U(i)为输出的控制增量，数值的大小表示当次计算需要调节的量，当值为正时，表示需要 关小节气门；当值为负时，表示要开大节气门，由于汽油机的转速很高，速度的变化快慢以 及加速度的变化可以忽略不计，故取积分系数K' p、微分系数K' D为零。
[0010] 整个控制电路由核心控制单元AT89C51单片机最小系统以及外围电路组成；外围 电路包括输入信号整形电路、转速采用电路以及步进电机的驱动电路；汽油机的输出转速 信号，经过输入信号整形电路的运算放大器进行放大、光电耦合器对其整形后，隔离干扰信 号后，再经过非门电路，虑去负半周期的信号，作为单片机最小系统的输入信号，单片机最 小系统对输入的信号通过PID数字控制算法进行计算，经过步进电机驱动电路，实现步进 电机的正反转的控制，进而实现汽油机节气门以及转速的控制。
[0011] 进一步，所述单片机最小系统包括AT89C51单片机，晶振电路和复位电路，晶振电 路中的晶振即石英晶体振荡器，是用来产生基准频率，通过基准频率来控制电路中频率的 准确性，同时，它还可产生振荡电流，向单片机发出时钟信号，电路中电容C1和C2选择为 30pF，晶振频率为12MHz，复位电路采用手动按键复位。
[0012] 进一步，所述信号整形电路对汽油机的输出转速信号，经过运算放大器进行放大、 光电耦合器对齐整形后的信号进行隔离，去掉电路中的干扰信号。
[0013] 本发明的有益效果是采用的汽油机电子调速器具有可靠性高，瞬时调速性能好。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明电子调速器模块结构示意图；
[0015] 图2是本发明控制电路图；
[0016] 图3是本发明单片机最小应用系统电路原理图；
[0017] 图4是本发明单片机输入信号整形电路原理图；
[0018] 图5是本发明A相步进电机驱动电路原理图；
[0019] 图6是本发明转速采用电路原理图；
[0020] 图7是本发明步进电机驱动程序流程图；
[0021] 图8是本发明转速采集流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0023] -种汽油机电子调速器，包括转速采样模块1、数字控制器2、执行驱动模块3和执 行器4;
[0024] 所述转速采样模块1获取当前的转速信号，对信号进行数字化处理后送给数字控 制器2;
[0025] 数字控制器2,在数字控制器2中利用PID数字控制算法对收到的信号进行处理， 得到控制命令输送给执行驱动模块3 ;
[0026] 所述执行驱动模块3根据控制命令驱动执行器4执行控制命令；
[0027] 所述执行器4控制汽油机5的节气门，从而对汽油机5的输出转速进行调节。
[0028] 电子调速器系统结构如图1所示，汽油机5的输出转速是连续量，数字控制器2所 接受的转速信号以及对执行驱动模块3的控制等都是离散量。数字控制器2主要完成调节 汽油机5的转速和控制计算，它是数字式电子调速器的核心部分。根据系统的控制要求，对 汽油机5的转速进行控制，控制算法是由程序来实现的，控制算法以及相应的控制程序决 定了控制的效果。转速采样模块1要求稳定可靠，采样的周期越短，包括汽油机5在内的整 个系统越接近于连续系统，转速也就越稳定。汽油机5具有周期性工作的特点，即使在稳定 工作时，不同的曲轴转角，汽油机5的瞬时转速也不尽相同。因此，过短的采样时间反而不 能准确反映汽油机5的转速。执行器4是调速器实现其功能的关键部分，执行器4的性能 直接影响调速器的控制效果，要求执行器4的惯性较小，动态反应快，
[0029] 本发明电路设计如下：
[0030] 系统主控制电路的设计：如图2所示，该控制电路由核心控制单元AT89C51单片机 最小系统以及外围电路组成。外围电路包括输入信号整形电路、转速采用电路以及步进电 机的驱动电路。
[0031] 汽油机的输出转速信号，经过输入信号整形电路的运算放大器进行放大、光电耦 合器对其整形后，隔离干扰信号，再经过转速采用电路非门，虑去负半周期的信号，作为单 片机最小系统的输入信号，单片机最小系统对输入的信号进行PID数字计算，经过步进电 机驱动电路，实现步进电机的正反转的控制，进而实现汽油机5节气门以及转速的控制。
[0032] 单片机最小系统：如图3所不，包括AT89C51单片机，晶振电路和复位电路。晶振 电路中的晶振即石英晶体振荡器，是用来产生基准频率。通过基准频率来控制电路中频率 的准确性。同时，它还可产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。电路中电容C1和C2选择 为30pF。晶振频率为12MHz。复位电路采用手动按键复位。当系统工作时，按键可以看成 是两个串联电阻，因下面电阻的阻值大，当REST端为高电平时，系统复位。松开按键，REST 端电压下降，降为低电平时系统开始工作。
[0033] 信号整形电路设计：如图4所示，汽油机的输出转速信号，经过运算放大器进行放 大、光电耦合器对齐整形后的信号进行隔离，去掉电路中的干扰信号，再经过非门，滤去负 半周的信号，作为单片机的输入信号。
[0034] 步进电机驱动电路设计：如图5所示，本试验采用的步进电机优选为四相步进电 机。步进电机与化油器同轴安装，步进电机的转动使节气门的开度增大或减小。用步进电机 直接驱动节气门时，只要软件设计得当，不容易发生"游车"振荡现象，控制精度相对较高。
[0035] 转速采用电路设计：如图6所示，在本电路采样中，汽油机发出的信号经过非门整 形后作为采样电路的输入信号，由单片机的I/O 口 P3. 0进行采集；P2. 6采集汽油机负荷的 突加或突卸信号；P1端口的高四位采集步进电机的相序，其输入信号是经过两个非门的逐 一整形为矩形波。由于AT89C51单片机片内存储器的容量只有4KB，又因汽油机的转速很 高，每次采集的数据数量较大，所以必须外扩存储器，才能够真实反映出整个动态过程的情 况。转速采用模块分别采集四相步进电机的相序。
[0036] 系统软件设计：
[0037] 如图7为步进电机驱动程序流程图，图8为转速采集流程图所示步骤，PID数字控 制算法是电子调速器中数字控制器2的控制核心部分，在整个控制系统中，控制算法处理 采样信号后对汽油机的转速进行调节。PID数字控制算法的计算公式如下：
[0038] Δ U (i) = K' xe (i) +K' ρ [e (i) _e (i_l) ] +K' D [e (i) +e (i_2) ~2e (i_l)]
[0039] 式中，e(i)表示当前转速与设定值之差；e(i)-e(i-l)表示当前转速与前一次转 速之差，反映速度的变化快慢；e(i)+e(i-2)-2e(i-l)转速的加速度；AU(i)为输出的控制 增量，数值的大小表示当次计算需要调节的量。当值为正时，表示需要关小节气门；当值为 负时，表示要开大节气门。由于汽油机的转速很高，速度的变化快慢以及加速度的变化可以 忽略不计，故取积分系数K' p、微分系数K' D为零。【>:表示比例系数。
[0040] 在实际的运用中，AU(i)值的大小即决定当次需要调节的量，又决定调节的速度 快慢。设计的驱动脉冲频率越高，步进电机的角速度越快；反之，则步进电机的角度越慢。这 样设计的好处是在转速轻微波动时能减小超调量，在大幅度加载和卸载时又能避免响应迟 缓。设定汽油机的转速为3000r/min，发电机为9对磁极，在发电机的输出端获取转速信号， 计数时间为整周期电信号。当单片机AT89C51的晶振为6MHz时，一个机器周期为2 μ s。定 时器采用16位定时器，在设定转速的计数时间位2. 22ms，计数值为0280Η。当高八位大于或 者小于02H时，汽油机处于启动、停机、大幅度加载或者卸载状态，这时需要对汽油机的转 速进行大幅度调节，使其尽快回到稳定的状态；当高八位为02H时，汽油机处于正常工作状 态下，需要进行小调节。当高八位不变，低八位在7DH?83H变化时，对应的转速为3019? 2986r/min，此时汽油机基本上处于稳定状态，不需要对其进行调节，调速器不动作；当低八 位在77H?89H变化时，对应的转速为3052?2955r/min，此时，步进电机采用四相八拍工 作方式，其它情况下，均采用四相双四拍工作方式，这样，能够提高其控制精度。
[0041] 在地址分配时，内部数据存储器单元30H?37H、40H?4--、60Η?73H是位存储器 地址，R0、R1为工作寄存器。50H为1，表示汽油机的转速需要调节；为0,不需要调节；51H 为1，表示步进电机正转；为0,表示反转；52H为1，表示高八位大于或者小于02H，需要大调 节；为0,高八位等于02H，需要小调节。
[0042] 采用分段式数字PID控制，根据汽油机过渡过程的要求，提高电子调速器的动态 响应速度，改善瞬时调速率，及时消除超调量，缩短稳定时间。
[0043] 下面列举具体实施例对本发明进行说明：
[0044] 实施例1 :本次试验采用不挥发随机访问存储器Dallas公司生产的系列产品 DS1225AD，为65536位，全静态非易失（NV) SRAM，按照8位、8192字节排列，每个NV SRAM均 自带锂电池及控制电路，控制电路连续监视Vcc是否超出容差范围，一旦超出容差范围，锂 电池便自动切换至供电状态、写保护将无条件使能防止数据被破坏。NV SRAM可直接现有 的8KX8SRAM，符合通用的单字节宽、28弓丨脚DIP封装。这些器件还与2764EEPR0M的引脚 匹配，可直接替代并增强其性能。该器件没有写次数限制，可直接与微处理器接口，不需要 额外的支持电路。
[0045] 本试验采用的步进电机为四相步进电机。步进电机与化油器同轴安装，步进电机 的转动使节气门的开度增大或减小。用步进电机直接驱动节气门时，只要软件设计得当，不 容易发生"游车"振荡现象，控制精度相对较高。步进电机的主要参数如表1所示，驱动电路 如图2所示。其中，步进电机、化油器、气门都是链接汽油机的部分，是控制系统的一部分。 是用程序控制步进电机，打开或关闭气门的大小。
[0046] 表 1
[0047] 输出传动最大空载启动 最大连续空转 相数齿数 步距角 比 频率 频率 Bl 4 16 1:16 450 Hz 900 Hz 0.044 0 0.088 0
[0048] 本试验采用的样机是四冲程汽油机，其额定转速为3000r/min，转子共有9对磁 极。所以，汽油机在额定转速下工作时，其发出的交流电频率为： Γ ? , 3000x9 ,
[0049] f =-= 450/fe 60
[0050] 汽油机两个周期对应一个工作循环，如果采用对发电机发出交流电的一个周期进 行计数的方式，记时时间的长短反映汽油机转速的大小。采用6MHz晶振的单片机，其计数 时间为2 μ s，在额定转速下，在一个周期里计数时间为：
[0051] Τ = ---χ1000 = 2.22/ηλ. 3000 X 9
[0052] 当汽油机转速低于设定的转速时，所需要的采样时间有所增加；高于设定的转速 时，所需的采样时间相对减少，2%的稳定调速率所对应的转速范围为3060?2940r/min， 采样时间为2. 179?2. 268ms，此方案不需要A/D转换，频率--电压转电路，电路简单，工 作可靠。
[0053] 本系统以磁电机发出的交流电作为汽油机的转速信号，在本电路采样中，汽油机 发出的信号经过非门整形后作为采样电路的输入信号，由单片机的I/O 口 P3. 0进行采集； P2. 6采集汽油机负荷的突加或突卸信号；P1端口的高四位采集步进电机的相序，其输入信 号是经过两个非门逐一整形为矩形波。由于AT89C51单片机片内存储器的容量只有4KB，又 因汽油机的转速很高，每次采集的数据数量较大，所以必须外扩存储器，才能够真实反映出 整个动态过程的情况。
[0054] 通过对汽油机电子调速器大量的试验研究，其结果表明：在设定汽油机的转速为 3000r/min条件下，该电子调速器的瞬时调速可达到5. 8%，稳定时间可达到3. ls，均优于 国家行业标准的要求。
[0055] 以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制， 凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于 本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1. 一种汽油机电子调速器，其特征在于：包括转速采样模块（1)、数字控制器（2)、执行 驱动模块（3)和执行器（4); 所述转速采样模块（1)获取当前的转速信号，对信号进行数字化处理后送给数字控制 器⑵； 所述数字控制器（2)，在数字控制器（2)中利用PID数字控制算法对收到的信号进行处 理，得到控制命令输送给执行驱动模块（3); 所述执行驱动模块（3)根据控制命令驱动执行器（4)执行控制命令； 所述执行器（4)控制汽油机（5)的节气门，从而对汽油机（5)的输出转速进行调节。
2. 按照权利要求1所述一种汽油机电子调速器，其特征在于：所述PID数字控制算法 公式如下： Λ U ⑴=K，卢⑴ +K，p [e ⑴-e (i-1) ] +K，d [e ⑴ +e (i-2) -2e (i-1)] 式中，e(i)表示当前转速与设定值之差；表示比例系数，e⑴-e(i-l)表示当前转 速与前一次转速之差，反映速度的变化快慢；6(1)+6(卜2)-26(卜1)转速的加速度；^以1) 为输出的控制增量，数值的大小表示当次计算需要调节的量，当值为正时，表示需要关小节 气门；当值为负时，表示要开大节气门，由于汽油机的转速很高，速度的变化快慢以及加速 度的变化可以忽略不计，故取积分系数K' p、微分系数K'D为零。
3. 按照权利要求1所述一种汽油机电子调速器的控制电路，其特征在于：由AT89C51 单片机最小系统以及外围电路组成；外围电路包括输入信号整形电路、转速采用电路以及 步进电机的驱动电路； 汽油机（5)的输出转速信号，经过输入信号整形电路的运算放大器进行放大、光电耦 合器对其整形后，隔离干扰信号后，再经过非门电路，虑去负半周期的信号，作为单片机最 小系统的输入信号，单片机最小系统对输入的信号通过PID数字控制算法进行计算，经过 步进电机驱动电路，实现步进电机的正反转的控制，进而实现汽油机（5)节气门以及转速 的控制。
4. 按照权利要求3所述一种汽油机电子调速器的控制电路，其特征在于：所述单片机 最小系统包括AT89C51单片机，晶振电路和复位电路，晶振电路中的晶振即石英晶体振荡 器，是用来产生基准频率，通过基准频率来控制电路中频率的准确性，同时，它还可产生振 荡电流，向单片机发出时钟信号，电路中电容C1和C2选择为30pF，晶振频率为12MHz，复位 电路采用手动按键复位。
5. 按照权利要求3所述一种汽油机电子调速器的控制电路，其特征在于：所述信号整 形电路对汽油机的输出转速信号，经过运算放大器进行放大、光电耦合器对齐整形后的信 号进行隔离，去掉电路中的干扰信号。
【文档编号】F02D1/02GK104100382SQ201410294554
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】陈燕慧 申请人:临沂大学