[摘 要]：介紹了柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)的控制方案，采用差動(dòng)變壓器工作原理，對(duì)角位移傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)。并通過角位移傳感器與角位移電磁執(zhí)行器匹配，電子調(diào)速器系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)3個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，得到了角位移傳感器最佳工作性能參數(shù)，證實(shí)了電子調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)完全滿足柴油機(jī)正常調(diào)速的要求。 0 引 言 針對(duì)柴油機(jī)電子調(diào)速器使用特點(diǎn)，常見的位移傳感器有電渦流、電感差動(dòng)、電阻式等，它們常用于測(cè)量直線位移，對(duì)于測(cè)量角位移則很少使用；目前，在柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)中，用于測(cè)量位移的是電感差動(dòng)式位移傳感器，但其尚存在以下不足：體積大、勵(lì)磁穩(wěn)定性差、零點(diǎn)不易處理及電路復(fù)雜造成的精度低、可靠性差。這都不適應(yīng)柴汕機(jī)電子調(diào)速器高精度、高可靠性要求。因此，位移傳感器性能的提高已成為提高電子調(diào)速器性能的關(guān)鍵所在。本文按照柴油機(jī)電子調(diào)速器對(duì)角位移傳感器部分性能參數(shù)指標(biāo)要求：最大角位移為：±25°；輸出電壓為±5V；線性度為0.％；最大動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為0.5s。以差動(dòng)變壓器原理為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種新型的角位移傳感器，用于對(duì)電子調(diào)速器系統(tǒng)的角位移進(jìn)行測(cè)量；所設(shè)計(jì)的角位移傳感器具有體積小、信號(hào)調(diào)理電路完善等優(yōu)點(diǎn)。通過其與角位移電磁執(zhí)行器匹配實(shí)驗(yàn)，得出其最佳的性能參數(shù)；通過電子調(diào)速器系統(tǒng)內(nèi)環(huán)、外環(huán)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其所處的整個(gè)電子調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到0.5s。線性度為0.％。具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。 1 電子調(diào)速器系統(tǒng)工作原理 電子調(diào)速器控制方案如圖l所示。柴油機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)由位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PID控制模塊、電位器以及壓頻轉(zhuǎn)換電路模塊（相當(dāng)于柴油機(jī)）等組成，由外環(huán)和內(nèi)環(huán)組成雙閉環(huán)PID控制模塊來進(jìn)行控制。外環(huán)由給定的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n1和檢測(cè)到的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n2進(jìn)行比較，由外環(huán)PID進(jìn)行控制調(diào)整。其輸出為噴油泵齒條位置的給定值信號(hào)，送給內(nèi)環(huán)PI控制模塊。內(nèi)環(huán)作用是根據(jù)外環(huán)給定信號(hào)位移與由檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)定齒條的實(shí)際位置信號(hào)的差值進(jìn)行控制，通過執(zhí)行器控制電路作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)齒條位置進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而控制噴油泵的噴油量，最終，達(dá)到調(diào)速n。 2 角位移傳感器設(shè)計(jì) 柴油機(jī)電子調(diào)速器對(duì)角位移高性能的測(cè)量要求是由角位移傳感器的位移傳感元件和信號(hào)調(diào)理電路這兩部分來保障。因此，角位移傳感器設(shè)計(jì)應(yīng)分為位移傳感元件設(shè)計(jì)和信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)。 2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)差動(dòng)變壓器工作原理，本文將差動(dòng)變壓器應(yīng)用于角位移傳感器設(shè)計(jì)。角位移傳感器線圈組合及其圓盤示意圖如圖2所示。線圈組合由一個(gè)初級(jí)線圈和2個(gè)對(duì)稱的次級(jí)線圈、底座和骨架等構(gòu)成，骨架采用圓柱形絕緣材料制成，選用直徑D=0.1mm的絕緣漆包線均勻繞制（初級(jí)線圈匝數(shù)為320，2個(gè)次級(jí)線圈的匝數(shù)均為640）。3個(gè)線圈由鐵芯和底座固定，并形成磁路的一部分。偏心圓盤（相當(dāng)于直線式差動(dòng)變壓器的鐵芯）和軸固定在一起。偏心圓盤處于中間位置時(shí)，2個(gè)次級(jí)線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。隨著軸轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心圓盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心圓盤轉(zhuǎn)向的那邊磁感應(yīng)強(qiáng)度大于另一邊的磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此，輸出信號(hào)隨著偏心圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。 2．2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì) 目前，電子調(diào)速器中位移信號(hào)調(diào)理電路多采用相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。前者對(duì)電路條件要求苛刻，使檢測(cè)精度受到影響；后者采用分離元件搭成，不夠規(guī)范。且其存在集成度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線性度不良，零點(diǎn)不易處理、元件多、可靠性差等缺點(diǎn)。 圖3是角位移傳感器控制方框圖。圖中，角位移傳感元件的初級(jí)線圈兩端分別和位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路中的高集成度的新型差動(dòng)變壓器信號(hào)調(diào)節(jié)器AD598的輸入端口相連，輸入激勵(lì)電壓信號(hào)；2個(gè)反向連接的次級(jí)線圈兩端分別與AD598的輸出端口相連，產(chǎn)生輸出電壓信號(hào)。為了更好解決零點(diǎn)誤差、漂移、遲滯等問題，本文以AD598為核心，設(shè)計(jì)了角位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路，AD598的外圍主要包含有三大電路模塊。其功能分別為：由于AD598的工作電源采用雙極電源±12V，故設(shè)計(jì)了由二極管、電解電容器、電阻器等元器件構(gòu)成的濾波保護(hù)電路模塊對(duì)電源進(jìn)行濾波和保護(hù)，從而使調(diào)理信號(hào)避免電源干擾；由電位器構(gòu)成信號(hào)對(duì)稱電路模塊可調(diào)整傳感器信號(hào)調(diào)理后的正負(fù)向電壓大小與對(duì)稱性；由電位器、電容器構(gòu)成的信號(hào)放大電路模塊對(duì)信號(hào)調(diào)理后的輸出電壓進(jìn)行大小調(diào)整和進(jìn)一步濾波；角位移信號(hào)調(diào)節(jié)器AD598本身電路決定激勵(lì)頻率大小和系統(tǒng)頻帶寬度。該信號(hào)處理電路調(diào)整方便、適用廣。 3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 3．1 參數(shù)匹配實(shí)驗(yàn) 由于角位移傳感器和角位移電磁執(zhí)行器（角位移電磁執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，請(qǐng)參考文獻(xiàn)）是同軸安裝，故有體積和工作空間比較小等優(yōu)點(diǎn)，但安裝時(shí)兩者結(jié)構(gòu)定位、參數(shù)匹配比較困難，因此，進(jìn)行角位移傳感器和角位移執(zhí)行器匹配實(shí)驗(yàn)，以檢測(cè)出零點(diǎn)標(biāo)定、轉(zhuǎn)動(dòng)方向及最佳匹配參數(shù)。 3.1.1 結(jié)構(gòu)定位 如圖2所示，角位移傳感器和其偏心圓盤同軸安裝，且中心線OOˊ對(duì)齊位置，是角位移傳感器零點(diǎn)標(biāo)定位置；偏心轉(zhuǎn)盤相對(duì)角位移傳感器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向，是角位移傳感器運(yùn)動(dòng)正方向；偏心轉(zhuǎn)盤相對(duì)角位移傳感器逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向，是角位移傳感器運(yùn)動(dòng)負(fù)方向。由于角位移傳感器和角位移電磁執(zhí)行器是同軸安裝，且有固定銷來固定，因此，角位移電磁執(zhí)行器零點(diǎn)及轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角位移傳感器零點(diǎn)及轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。 3.1.2 實(shí) 驗(yàn) 通過改變位移調(diào)理電路的元件、電位器安裝角度來調(diào)整電子調(diào)速器系統(tǒng)的參數(shù)匹配。調(diào)整結(jié)果為：當(dāng)角位移傳感器處于最大負(fù)方向位置時(shí)，經(jīng)角位移傳感器調(diào)理后電壓為-5V；輸入給壓頻轉(zhuǎn)換器的電壓為0V，其對(duì)應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為0r/min，角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)角度為－32°；當(dāng)角位移傳感器處于最大正方向位置時(shí)，經(jīng)角位移傳感器調(diào)理后電壓為5V；輸入壓頻轉(zhuǎn)換器電壓為5V，其對(duì)應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r／min，角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)角度為＋32°；角位移傳感器處于零點(diǎn)位置時(shí)，經(jīng)角位移傳感器調(diào)理后電壓為0V；輸入給壓頻轉(zhuǎn)換器電壓為2.5V，其對(duì)應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min，角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°。 角位移電磁執(zhí)行器從其最大負(fù)方向位置向最大正方向位置轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)動(dòng)2°，檢測(cè)一次角位移傳感器的輸出電壓信號(hào)，角位移電磁執(zhí)行器和角位移傳感器的配合性能曲線如圖4所示。由圖可知，角位移電磁執(zhí)行器和角位移傳感器配合特性基本良好；角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ。在-32～32°之間變化時(shí)，角位移傳感器輸出電壓U在－4.5～5.0V之間變化，且呈線性關(guān)系，其線性度為0.3％，實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察其動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)到0.20s。 3．2 內(nèi)環(huán)實(shí)驗(yàn) 如圖1所示，內(nèi)環(huán)模塊的工作原理是：經(jīng)外環(huán)（PID）控制模塊的理論轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速之差的電壓信號(hào)Ur與角位移傳感器反饋角度信號(hào)合成，經(jīng)內(nèi)環(huán)（PI）控制模塊后，來控制角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)某個(gè)角度θ。內(nèi)環(huán)模塊系統(tǒng)性能曲線如圖5中的（a）所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速偏差的電壓信號(hào)Ur在-5～5V之間變化時(shí)，角位移電磁執(zhí)行器在-32°～32°范圍內(nèi)呈線性轉(zhuǎn)動(dòng)，線性度為0.％；實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察內(nèi)環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)達(dá)0.2s，重復(fù)性誤差達(dá)2.0%，這證明內(nèi)環(huán)系統(tǒng)工作正常。 3．3 外環(huán)實(shí)驗(yàn) 外環(huán)PID控制方案圖如圖l所示。它表示為給定轉(zhuǎn)速信號(hào)n1和轉(zhuǎn)速傳感器的反饋信號(hào)n2并經(jīng)一系列處理后經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換器輸出信f之間的控制關(guān)系。外環(huán)性能曲線如圖5（b）所示。由可圖知，給定轉(zhuǎn)速n1的電壓信號(hào)在0～5V之間變化時(shí)，壓頻轉(zhuǎn)換器的輸出頻率f在0～6kHz內(nèi)呈線性變化，線性度為0.4％。實(shí)驗(yàn)時(shí)，觀察外環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)達(dá)0.5s，重復(fù)性誤差達(dá)3.0％，遲滯誤差達(dá)3.5％，因此，說明外環(huán)系統(tǒng)工作正常。 4 結(jié) 論 本文以柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)裝置為平臺(tái)，通過對(duì)所研制的角位移傳感器與相應(yīng)的角位移電磁執(zhí)行器參數(shù)配合實(shí)驗(yàn)以及電子調(diào)速器系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)、外環(huán)實(shí)驗(yàn)、得出如下結(jié)論： （1）本文所提出的這種新型角位移傳感器，其結(jié)構(gòu)和位移信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)非常適合電子調(diào)速器使用。同時(shí)，也驗(yàn)證出了它的工作最佳參數(shù)； （2）所設(shè)計(jì)的角位移傳感器放人電子調(diào)速器系統(tǒng)中使用，系統(tǒng)正常工作。動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)能夠滿足柴油機(jī)正常調(diào)速的工作要求。