小功率汽油发电机组电子调速器研制
0引言
小功率汽油发电机组由于体积小，方便携带，广泛作为生活生产的应急备用电源及野外作业电源。汽油发电机组是由汽油发动机拖动发电机向外部负载供电，发电机供电电压与频率受发动机转速影响，要求发动机加装凋速器在额定功率范围内具有稳定转速¨j，保证发电机供电质量稳定，并减小由发动机转速波动引起的噪声。传统的机械式调速器结构复杂，并存在瞬时调速率和稳定率较差、过渡时间长等缺点，已不能适应发电机组的供电要求。电子凋速器调速具有调速性能稳定、控制范围宽、灵活方便等优点，代表着调速器的发展趋势。
本文设计了一种由AVR单片机为控制核心，通过检测发电机绕组电参数采样发动机转速，采用步进电机作为执行机构的电子调速器，并阐述了调速控制策略。
1调速器组成及工作原理
本设计电子凋速器以单片机为控制核心，通过检测发电机辅助绕组电压频率采样发动机转速，并与目标转速比较运算，当存在差值时，通过步进电机调节发动机油门开度大小，达到调节发动机转速的目的，使发电机组输出供电质量稳定，减小由于发动机转速波动而产生的噪声。调速器主要由ECU、执行机构、执行驱动、转速采样4部分组成，组成框图如图1所示。
2硬件组成及主要电路设计
根据电子调速器工作原理，设计硬件组成框图如图2所示。其中ECU采用ATMEL公司生产的AVR单片机ATMegal6，该芯片采用精简指令集，具有16k字节Flash，内带看门狗，并具ISP下载功能；显示模块具有数码管及发光二极管2种，分别用于显示各种参数及状态指示；人机接口主要由轻触接键实现，可用于设定转速及相关控制参数；RS232接口主要采用Max232芯片构成电平转换接口，用于与Pc机进行联机通信；ISP接口主要用于ECU软件烧写；电源直接取样电机辅助绕组经过全桥整流后由芯片7805和7810稳压后产生+5V和+10V电源用于系统工作及步进电机驱动使用。
2.1转速采样
本设计中转速采样也别于传统的利用磁电式或霍尔转速传感器检测转速，是通过检测发电机b辅助绕组电压频率实现对发动机转速的采样，可以节约成本，如图3所示，其中AC1与AC2为发电机辅助绕组交流电压输入，RPM—INT为整形后脉冲接入ECU的外部中断口。
2.2步进电机驱动
其电路图如图4所示，其中，101、I11、PH1、PH2、I12、102用于控制驱动电流大小及方向，CON4为步进电机接线口。
发动机油门开度要可以实现正反方向变化，因此设计采用双极性两相步进电机作为执行机构，并采用ST公司生产的L6219作为驱动芯片，其电路图如图4所示，其中，101、I11、PH1、PH2、I12、102用于控制驱动电流大小及方向，CON4为步进电机接线口。
3转速控制策略
在汽油机转速变化过渡过程中，调速系统可以看作一阶惯性环节和二阶欠阻尼环节的叠加，作为连续控制系统适合用PID进行控制¨]。其数学表达式为：式中，（）f为调节量，e（t）为实际值与目标值偏差量，K为比例系数，K为积分时间常数，为微分时间常数。
位置式PID算法由于是全量输出，每次输出均与过去的状态有关，计算时要对偏差进行累加，计算工作量大，且电子调速器是以步进电机作为执行机构，适合采用增量式PID控制算法[3]，其数学表达式为：
4软件设计
系统软件采用模块化设计，主要由按键扫描模块、显示模块、通信模块、转速采样、步进电机驱动、控制输出组成，其中，按键扫描模块实现人机交互，用于目标转速及相关参数设定；显示模块用于显示各种实时参数及状态；通信模块采用中断方式收发，主要用于与PC机数据通信；控制输出主要根据PID控制算法进行计算得到步进电机驱动方向及驱动步数，并通过步进电机驱动模块执行输出。另外，转速采样主要在外部中断中实现。软件主程序框图如图5所示。
5结论
本设计系统以信号发生器作为控制系统进行试验，其中，信号发生器输出信号模拟发电机输出电压；调节旋扭模拟油门。结果表明，增量式PID算法可以满足调速器要求，调速性能较好，响应快，控制精度高。系统设计架构可通过变更软件控制参数、执行机构以适应不同发电机组，并可借鉴应用于柴油机，通用性及实用性强。
