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鍵部分。傳統的內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，其驅動部分采用晶閘管電磁轉差離合器無級調速系統，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，能夠實時控制主軸轉速測試和調節，并將相關測量數據傳輸給上位PC機進行顯示，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凋速系統，如圖1所示。驅動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電路構成。

　　圖1中實線框為硬件設計部分，主要完成調速功能。虛線框為軟件設計部分，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(晶閘管一電動機電路)。輸出部分的地線接地，而單片機系統的電源地線懸空，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。

　　使用反相驅動器7406作為4N25輸入端的驅動。電磁轉差離合器中的勵磁線圈采用帶續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載，線圈兩端并聯一只續流二極管VD6使電流平滑。調節觸發裝置采用單結管VBG7。為了實現操作機構的速度閉環控制，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個齒，每轉過1個齒就在測速傳感器上感應一個脈沖信號。這樣，主軸每轉一周，產生120個脈沖，其表達式為：

　　式中：P為測速傳感器每轉輸出的脈沖數；T為規定時間；m1為轉速脈沖數。

　　取8155的定時器／計數器工作于定時方式，定時時間為lO ms，其輸入端接1 MHz時鐘信號為計數頻率，輸出端接89C51的中斷INT0申請端。89C51的定時器／計數器T1工作于計數方式，測速傳感器經整形后的脈沖輸入T1，當輸入信號發生負跳變，計數器加1。每當10 ms到，通過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。

　　噴油校泵臺動力系統的主要部件是電磁調速電動機，由單速或多速鼠籠型異步電動機和電磁轉差離合器組成，通過控制器可在較大范圍內實現無級調速。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；通信模塊實現PC機與單片機之間數據傳輸；89C51單片機模塊完成定時采樣和自動控制主軸轉速。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送程序。

　　由于控制對象是具有純滯后的一階慣性環節，所以按要求設計為快速隨動系統。為了提高跟蹤的快速性，調速范圍過大時，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控制算法的數學模型為：

　　式中：Kp為比例系數；T為采樣周期；Ti為積分時間常數。

　　第二拍控制模型為：

　　式中：K0，K1，K2，K3，P1，P2，P3為系數。

　　由于加入了積分環節，影響系統的動態性能，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控制噴油計數、主軸轉速，實現量油時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化程度。