采用89C51單片機設(shè)計的噴油校泵臺調(diào)速系統(tǒng)方案

1 引言

燃油噴射系統(tǒng)的性能直接影響柴油機的工作過程和性能指標(biāo)，是柴油機改善排放、降低油耗和提高性能的關(guān)鍵部分。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車柴油噴油校泵臺主要用于噴油泵的磨合及性能試驗，其驅(qū)動部分采用晶閘管電磁轉(zhuǎn)差離合器無級調(diào)速系統(tǒng)，控制和顯示噴油泵的主軸轉(zhuǎn)速。由于采用分離元件，測試靈敏度低，設(shè)定調(diào)整不方便且故障率高。目前，國外噴油校泵臺采用微機控制及數(shù)顯系統(tǒng)。為此，按國際標(biāo)準(zhǔn)采用89C51單片機設(shè)計了一種新型的校泵臺調(diào)速系統(tǒng)，能夠?qū)崟r控制主軸轉(zhuǎn)速測試和調(diào)節(jié)，并將相關(guān)測量數(shù)據(jù)傳輸給上位PC機進(jìn)行顯示，從而提高測試靈敏度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　該系統(tǒng)設(shè)計采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)凋速系統(tǒng)，如圖1所示。驅(qū)動電路由晶閘管和電機構(gòu)成，而控制電路則由轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、比例一積分一微分(PID)調(diào)節(jié)器以及晶閘管脈沖觸發(fā)電路構(gòu)成。

　　圖1中實線框為硬件設(shè)計部分，主要完成調(diào)速功能。虛線框為軟件設(shè)計部分，主要完成轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、偏差信號的形成和PID運算。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計是以89C51單片機為核心，并配以必要的外圍設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集、電氣接口、執(zhí)行機構(gòu)、通信接口等電路，如圖2所示。選用3CT20/500型晶閘管，由于晶閘管工作于交流電路，不宜與微機直接相接，采用光電耦合器4N25隔離單片機與輸出部分(晶閘管一電動機電路)。輸出部分的地線接地，而單片機系統(tǒng)的電源地線懸空，不能與交流電源的地線相接，以避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響。

　　使用反相驅(qū)動器7406作為4N25輸入端的驅(qū)動。電磁轉(zhuǎn)差離合器中的勵磁線圈采用帶續(xù)流二極管的晶閘管半波整流電路供電。勵磁線圈是電感性負(fù)載，線圈兩端并聯(lián)一只續(xù)流二極管VD6使電流平滑。調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置采用單結(jié)管VBG7。為了實現(xiàn)操作機構(gòu)的速度閉環(huán)控制，需要檢測主軸轉(zhuǎn)速。測速傳感器采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。測速輪有120個齒，每轉(zhuǎn)過1個齒就在測速傳感器上感應(yīng)一個脈沖信號。這樣，主軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生120個脈沖，其表達(dá)式為：

　　式中：P為測速傳感器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)；T為規(guī)定時間；m1為轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)。

　　取8155的定時器／計數(shù)器工作于定時方式，定時時間為lO ms，其輸入端接1 MHz時鐘信號為計數(shù)頻率，輸出端接89C51的中斷INT0申請端。89C51的定時器／計數(shù)器T1工作于計數(shù)方式，測速傳感器經(jīng)整形后的脈沖輸入T1，當(dāng)輸入信號發(fā)生負(fù)跳變，計數(shù)器加1。每當(dāng)10 ms到，通過INT0申請中斷，在中斷處理程序中得到Tl計數(shù)值。計數(shù)值再乘以50，測出電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

　　噴油校泵臺動力系統(tǒng)的主要部件是電磁調(diào)速電動機，由單速或多速鼠籠型異步電動機和電磁轉(zhuǎn)差離合器組成，通過控制器可在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。其轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

　　式中：n1為同步轉(zhuǎn)速，r／min；f1為電源頻率，Hz；p為極對數(shù)s為轉(zhuǎn)差率。

　　在一定的負(fù)載范圍內(nèi)調(diào)節(jié)勵磁線圈中的勵磁電流，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。勵磁電流越大，轉(zhuǎn)速越高；反之則轉(zhuǎn)速越低。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由PC機、89C51單片機和通信3個模塊組成嘲。其中PC機模塊主要完成主軸轉(zhuǎn)速預(yù)置及顯示；通信模塊實現(xiàn)PC機與單片機之間數(shù)據(jù)傳輸；89C51單片機模塊完成定時采樣和自動控制主軸轉(zhuǎn)速。其系統(tǒng)軟件的主程序如圖3所示。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、與上位機握手、接收預(yù)置參數(shù)、調(diào)用主軸轉(zhuǎn)速程序、調(diào)用噴油計數(shù)程序以及調(diào)用數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序。

　　由于控制對象是具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，所以按要求設(shè)計為快速隨動系統(tǒng)。為了提高跟蹤的快速性，調(diào)速范圍過大時，在第一拍先使控制器輸出逼近給定要求，后啟動PI控制算法。第一拍控制模型為：

　　式中：U(T)為當(dāng)前控制器輸出值；U(T-1)為上一次控制器輸出值；N(T)為當(dāng)前控制器給定值；N(T-1)為上一次控制器給定值。

　　PI控制算法的數(shù)學(xué)模型為：

　　式中：Kp為比例系數(shù)；T為采樣周期；Ti為積分時間常數(shù)。

　　第二拍控制模型為：

　　式中：K0，K1，K2，K3，P1，P2，P3為系數(shù)。

　　由于加入了積分環(huán)節(jié)，影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，可以消除余差，提高控制精度。

5 結(jié)論

　　該設(shè)計系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某內(nèi)燃機車柴油機噴油泵的測試平臺。研究表明，該噴油校泵臺調(diào)速系統(tǒng)可自動控制噴油計數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)量油時主軸轉(zhuǎn)速的數(shù)字顯示與屏幕顯示，使用維修方便，從而提高檢測精度和自動化程度。