采用89C51單片機設計的噴油校泵臺調速系統方案

1 引言

燃油噴射系統的性能直接影響柴油機的工作過(guò)程和性能指標，是柴油機改善排放、降低油耗和提高性能的關(guān)鍵部分。傳統的內燃機車(chē)柴油噴油校泵臺主要用于噴油泵的磨合及性能試驗，其驅動(dòng)部分采用晶閘管電磁轉差離合器無(wú)級調速系統，控制和顯示噴油泵的主軸轉速。由于采用分離元件，測試靈敏度低，設定調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顯系統。為此，按國際標準采用89C51單片機設計了一種新型的校泵臺調速系統，能夠實(shí)時(shí)控制主軸轉速測試和調節，并將相關(guān)測量數據傳輸給上位PC機進(jìn)行顯示，從而提高測試靈敏度。

2 系統結構設計

　　該系統設計采用轉速單閉環(huán)凋速系統，如圖1所示。驅動(dòng)電路由晶閘管和電機構成，而控制電路則由轉速給定、轉速反饋、比例一積分一微分(PID)調節器以及晶閘管脈沖觸發(fā)電路構成。

　　圖1中實(shí)線(xiàn)框為硬件設計部分，主要完成調速功能。虛線(xiàn)框為軟件設計部分，主要完成轉速給定、轉速反饋、偏差信號的形成和PID運算。

3 系統硬件電路設計

　　系統硬件設計是以89C51單片機為核心，并配以必要的外圍設備，如數據采集、電氣接口、執行機構、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(dòng)機電路)。輸出部分的地線(xiàn)接地，而單片機系統的電源地線(xiàn)懸空，不能與交流電源的地線(xiàn)相接，以避免輸出部分電源變化對單片機電源的影響。

　　使用反相驅動(dòng)器7406作為4N25輸入端的驅動(dòng)。電磁轉差離合器中的勵磁線(xiàn)圈采用帶續流二極管的晶閘管半波整流電路供電。勵磁線(xiàn)圈是電感性負載，線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一只續流二極管VD6使電流平滑。調節觸發(fā)裝置采用單結管VBG7。為了實(shí)現操作機構的速度閉環(huán)控制，需要檢測主軸轉速。測速傳感器采用磁電式轉速傳感器。測速輪有120個(gè)齒，每轉過(guò)1個(gè)齒就在測速傳感器上感應一個(gè)脈沖信號。這樣，主軸每轉一周，產(chǎn)生120個(gè)脈沖，其表達式為：

　　式中：P為測速傳感器每轉輸出的脈沖數；T為規定時(shí)間；m1為轉速脈沖數。

　　取8155的定時(shí)器／計數器工作于定時(shí)方式，定時(shí)時(shí)間為lO ms，其輸入端接1 MHz時(shí)鐘信號為計數頻率，輸出端接89C51的中斷INT0申請端。89C51的定時(shí)器／計數器T1工作于計數方式，測速傳感器經(jīng)整形后的脈沖輸入T1，當輸入信號發(fā)生負跳變，計數器加1。每當10 ms到，通過(guò)INT0申請中斷，在中斷處理程序中得到Tl計數值。計數值再乘以50，測出電機當前轉速。

　　噴油校泵臺動(dòng)力系統的主要部件是電磁調速電動(dòng)機，由單速或多速鼠籠型異步電動(dòng)機和電磁轉差離合器組成，通過(guò)控制器可在較大范圍內實(shí)現無(wú)級調速。其轉速表達式為：

　　式中：n1為同步轉速，r／min；f1為電源頻率，Hz；p為極對數s為轉差率。

　　在一定的負載范圍內調節勵磁線(xiàn)圈中的勵磁電流，可以調節轉差率s，達到調節轉速的目的。勵磁電流越大，轉速越高；反之則轉速越低。

4 系統軟件設計

系統軟件采用模塊化結構設計，主要由PC機、89C51單片機和通信3個(gè)模塊組成嘲。其中PC機模塊主要完成主軸轉速預置及顯示；通信模塊實(shí)現PC機與單片機之間數據傳輸；89C51單片機模塊完成定時(shí)采樣和自動(dòng)控制主軸轉速。其系統軟件的主程序如圖3所示。主程序主要完成系統初始化、與上位機握手、接收預置參數、調用主軸轉速程序、調用噴油計數程序以及調用數據采集發(fā)送程序。

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

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

　　PI控制算法的數學(xué)模型為：

　　式中：Kp為比例系數；T為采樣周期；Ti為積分時(shí)間常數。

　　第二拍控制模型為：

　　式中：K0，K1，K2，K3，P1，P2，P3為系數。

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

5 結論

　　該設計系統已成功應用在某內燃機車(chē)柴油機噴油泵的測試平臺。研究表明，該噴油校泵臺調速系統可自動(dòng)控制噴油計數、主軸轉速，實(shí)現量油時(shí)主軸轉速的數字顯示與屏幕顯示，使用維修方便，從而提高檢測精度和自動(dòng)化程度。