基于89C51單片機(jī)的噴油校泵臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言
    燃油噴射系統(tǒng)的性能直接影響柴油機(jī)的工作過程和性能指標(biāo)，是柴油機(jī)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(jī)車柴油噴油校泵臺(tái)主要用于噴油泵的磨合及性能試驗(yàn)，其驅(qū)動(dòng)部分采用晶閘管電磁轉(zhuǎn)差離合器無級(jí)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(cè)試靈敏度低，設(shè)定調(diào)整不方便且故障率高。目前，國(guó)外噴油校泵臺(tái)采用微機(jī)控制及數(shù)顯系統(tǒng)。為此，按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)采用89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型的校泵臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)控制主軸轉(zhuǎn)速測(cè)試和調(diào)節(jié)，并將相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給上位PC機(jī)進(jìn)行顯示，從而提高測(cè)試靈敏度。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)速單閉環(huán)凋速系統(tǒng)，如圖1所示。驅(qū)動(dòng)電路由晶閘管和電機(jī)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(shí)線框?yàn)橛布O(shè)計(jì)部分，主要完成調(diào)速功能。虛線框?yàn)檐浖O(shè)計(jì)部分，主要完成轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速反饋、偏差信號(hào)的形成和PID運(yùn)算。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是以89C51單片機(jī)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(jī)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(jī)直接相接，采用光電耦合器4N25隔離單片機(jī)與輸出部分(晶閘管一電動(dòng)機(jī)電路)。輸出部分的地線接地，而單片機(jī)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(duì)單片機(jī)電源的影響。
    使用反相驅(qū)動(dòng)器7406作為4N25輸入端的驅(qū)動(dòng)。電磁轉(zhuǎn)差離合器中的勵(lì)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(lì)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(shí)現(xiàn)操作機(jī)構(gòu)的速度閉環(huán)控制，需要檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)速。測(cè)速傳感器采用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器。測(cè)速輪有120個(gè)齒，每轉(zhuǎn)過1個(gè)齒就在測(cè)速傳感器上感應(yīng)一個(gè)脈沖信號(hào)。這樣，主軸每轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生120個(gè)脈沖，其表達(dá)式為：
   

式中：P為測(cè)速傳感器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)；T為規(guī)定時(shí)間；m1為轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)。
    取8155的定時(shí)器／計(jì)數(shù)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(hào)為計(jì)數(shù)頻率，輸出端接89C51的中斷INT0申請(qǐng)端。89C51的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T1工作于計(jì)數(shù)方式，測(cè)速傳感器經(jīng)整形后的脈沖輸入T1，當(dāng)輸入信號(hào)發(fā)生負(fù)跳變，計(jì)數(shù)器加1。每當(dāng)10 ms到，通過INT0申請(qǐng)中斷，在中斷處理程序中得到Tl計(jì)數(shù)值。計(jì)數(shù)值再乘以50，測(cè)出電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

    噴油校泵臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)的主要部件是電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)，由單速或多速鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)無級(jí)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(duì)數(shù)s為轉(zhuǎn)差率。
    在一定的負(fù)載范圍內(nèi)調(diào)節(jié)勵(lì)磁線圈中的勵(lì)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(lì)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(jì)
    系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由PC機(jī)、89C51單片機(jī)和通信3個(gè)模塊組成嘲。其中PC機(jī)模塊主要完成主軸轉(zhuǎn)速預(yù)置及顯示；通信模塊實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸；89C51單片機(jī)模塊完成定時(shí)采樣和自動(dòng)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(jī)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(jì)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(duì)象是具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，所以按要求設(shè)計(jì)為快速隨動(dòng)系統(tǒng)。為了提高跟蹤的快速性，調(diào)速范圍過大時(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(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(shí)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(dòng)態(tài)性能，可以消除余差，提高控制精度。

5 結(jié)論
    該設(shè)計(jì)系統(tǒng)已成功應(yīng)用在某內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)噴油泵的測(cè)試平臺(tái)。研究表明，該噴油校泵臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)可自動(dòng)控制噴油計(jì)數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)量油時(shí)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(cè)精度和自動(dòng)化程度。