CN105065130A - 一种柴油机数字调速控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油机数字调控装置以及利用上述柴油机数字调控装置实现的调控方法，该装置包括调速驱动主电路、整形电路、用于分段PID控制的核心处理器和输入输出设备；所述整形电路的输入信号为转速传感器信号，其输出信号为方波转速信号，所述整形电路的输出端接核心处理器的外部中断管脚，所述核心处理器的I/O端口与输入输出设备相连接；所述核心处理器的PWM输出脚输出的信号接入调速驱动主电路，所述调速驱动主电路的调速输出端子TS输出调节柴油机油门的电压；本发明的优点是结构紧凑，低功耗，高精度，速度控制性能好，安全性高且使用方便。

Description

一种柴油机数字调速控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种柴油机调速装置及其调控方法，属于数字调速控制领域，具体涉及一种柴油机数字调速控制装置及其控制方法。

背景技术

目前，柴油发电机组通常采用模拟式调速控制装置，模拟式调速控制器主要存在以下问题：1、由于采用较多的分离元件多，所以造成功耗大、可靠性降低；2、在传统的模拟型调速控制器中，通常采用电位器旋钮的方式进行转速设定，因此，最终影响到转速的控制精度，难以实现速度精确控制；3、通常采用PID参数固定的控制方法，在柴油机不同的运行区间和运行状态下，不能实现变参数控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种结构紧凑、低功耗、高精度、速度控制性能好、安全性高、使用方便的柴油机数字调速控制装置及其调控方法。

本发明的技术方案如下：

一种柴油机数字调控装置，其包括调速驱动主电路、整形电路、用于分段PID控制的核心处理器和输入输出设备；所述整形电路的输入信号为转速传感器信号，其输出信号为方波转速信号，所述整形电路的输出端接核心处理器的外部中断管脚，所述核心处理器的I/O端口与输入输出设备相连接；所述核心处理器的PWM输出脚输出的信号接入调速驱动主电路，所述调速驱动主电路的调速输出端子TS输出调节柴油机油门的电压；所述核心处理器选用STM32型ARM芯片。

进一步的，所述输入输出设备为触摸液晶显示屏；所述核心处理器的I/O端口即触摸液晶显示屏接口，所述触摸液晶显示屏接口与触摸液晶显示屏相连接。

进一步的，所述调速驱动主电路包括光电隔离驱动电路、驱动电流采集电路、驱动电压采集电路及其外围驱动电路元件；所述核心处理器的PWM输出脚接入光电隔离驱动电路，所述光电隔离驱动电路的输出端输出控制改变柴油机油门大小的驱动电压，所述驱动电压由外部的调速输出端子TS采集；所述驱动电流采集电路和驱动电压采集电路分别采集光电隔离驱动电路输出的电流信号和电压信号，所述驱动电流采集电路和驱动电压采集电路的采集输出端接核心处理器的A/D管脚。

进一步的，所述调速驱动主电路的外围驱动电路元件包括绝缘栅双极型晶体管IGBT、电阻Rk、二极管D2和滤波电容C1；所述光电隔离驱动电路的输出端接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极经滤波电容C1接地，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极反向接二极管D2后经电阻Rk接地，所述驱动电流采集电路的输入端并联在电阻Rk两端的节点c和节点d上，所述驱动电压采集电路的输入端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极作为的节点a和地作为的节点b。

进一步的，所述光电隔离驱动电路包括电阻R1～R13、电源隔离模块U1、光耦U2、NPN型三极管T1-T3、PNP型三极管T4、比较器U3和稳压管D3；所述电阻R2和电阻R3串联后并接在所述PWM输出脚的N脚和M脚上，所述PWM输出脚的M脚接地；所述NPN型三极管T1的基极接电阻R2和电阻R3的节点，所述NPN型三极管T1的发射极接地，所述NPN型三极管T1的集电极接光耦U2的阴极，所述光耦U2的阳极接电源隔离模块U1的电源端，所述光耦U2的集电极接电源VPP2，所述光耦U2的集电极接入NPN型三极管T2的基极，所述光耦U2的集电极依次经电阻R7、R8和稳压管D3接入NPN型三极管T2的发射极；所述电源VPP2依次经电阻R6、R5和R4后接入比较器U3的负输入端，所述电阻R5和R4的节点接地，所述电阻R6和R5的节点接入比较器U3的正输入端，所述比较器U3的输出端接电阻R7和R8的节点；所述NPN型三极管T2的集电极经电阻R9分别接入NPN型三极管T3和PNP型三极管T4的基极，所述NPN型三极管T3的发射极接PNP型三极管T4的发射极，所述PNP型三极管T4的集电极经电阻R12接地，所述电阻R11和电阻R13串联后并接在NPN型三极管T3的发射极和集电极之间，所述电阻R11和电阻R13的节点输出所述光电隔离驱动电路1-1的输出信号；所述NPN型三极管T3的集电极外接励磁电源输入端子J15，所述电阻R10并联在NPN型三极管T3的基极和集电极之间；所述电源隔离模块U1的型号是DLM03-12S12。

进一步的，所述驱动电流采集电路包括电阻R18-R24、电位器PR3-PR4、运算放大器U8-U11、线性光耦U12和电容C4-C6；所述驱动电流采集电路的输入端节点c经电阻R18接其输入端节点d，所述输入端节点d接地；所述电阻R19和电容C4串联后并联接在电阻R18两端，所述电阻R19和电容C4的节点经电阻R20接入运算放大器U8的正输入端，所述运算放大器U8的负输入端经电阻R21接地，所述电位器PR3的固定端并联在运算放大器U8的负输入端和输出端，所述电位器PR3的滑动端接运算放大器U8的负极；所述运算放大器U8的输出端经电阻R22接入运算放大器U9的负输入端，所述运算放大器U9的负输入端接地，所述运算放大器U9的正输出端接线性光耦U12的4脚，所述线性光耦U12的3脚接地，其2脚接电源VPP2，所述运算放大器U9的输出端经电阻R23接线性光耦U12的1脚；所述电容C5并联在运算放大器U9的负输入端和输出端；所述线性光耦U12的6脚接运算放大器U10的负输入端，所述运算放大器U10的正输入端接地，所述运算放大器U10的输出端接运算放大器U11的正输入端，所述运算放大器U11的负输入端经电阻R24接地，所述电阻R24和电容C6均并联在运算放大器U10的负输入端和输出端，所述电位器PR4的固定端并联在运算放大器U11的负输入端和输出端，所述电位器PR4的滑动端接运算放大器U11的负输入端；所述线性光耦U12的型号为HCNR200，所述运算放大器U8-U11的型号为LM324。

进一步的，所述驱动电压采集电路包括电阻R13-R17、电位器PR1-PR2、运算放大器U4-U6、线性光耦U7和电容C1-C3；所述驱动电压采集电路的输入端节点a依次经电阻R13和R14接入运算放大器U4的负输入端，所述驱动电压采集电路的输入端节点b接地，所述运算放大器U4的负输入端接地，所述电容C1一端接入电阻R13和R14的节点，其另一端接地，所述电位器PR1的固定端并联在电容C1两端，所述电位器PR1的滑动端接入电阻R13和R14间的节点；所述运算放大器U4的正输入端接线性光耦U7的4脚，所述线性光耦U7的的3脚接地，其2脚接电源VPP2，所述运算放大器U4的输出端经电阻R15接线性光耦U7的1脚，所述电容C2并联在运算放大器U4的负输入端和其输出端，所述线性光耦U7的6脚接入运算放大器U5的负输入端，所述运算放大器U5的正输入端接地，所述运算放大器U5的输出端接运算放大器U6的正输入端，所述电阻R16和电容C3均并联接在运算放大器U5的负输入端和输出端，所述运算放大器U6的负输入端经电阻R17接地，所述电位器PR2的固定端并联在运算放大器U6的负输入端和其输出端，所述电位器PR2的滑动端接运算放大器U6的负输入端，所述运算放大器U6的输出端接入A/D管脚；所述线性光耦U7的型号为HCNR200；所述运算放大器U4-U6的型号为LM324。

进一步的，所述整形电路包括分压电路和电压比较电路，所述分压电路经过电压比较电路后输出至核心处理器的外部中断管脚。

进一步的，所述整形电路包括二极管D1、电阻R18、R27、R36、R37、R41、R44、电容C14、C15、C30和比较器IC3；所述转速传感器信号作为整形电路的输入信号，所述整形电路的输入端子A经电阻R37和电阻R18接电源Vcpu3.3，其输入端子B依次经电阻R36、二极管D1和电阻R41接电源Vcpu3.3，所述二极管D1和电阻R41的节点接入比较器IC3的正输入端，所述电阻R37和电阻R18的节点接入比较器IC3的负输入端；所述输入端子B经电容C30接地；所述比较器IC3的输出端接入外部中断管脚；所述比较器IC3的输出端经电阻R44接电源Vcpu3.3；所述电阻R27的一端接在所述二极管D1和电阻R41的节点上，所述电阻R27的另一端接输入端子B，所述电容C14并联在电阻R27两端，所述电容C15并联在电阻R37两端。

利用上述柴油机数字调控装置实现的调控方法，包括如下步骤：

步骤1、使用者通过触摸操作液晶显示屏设定柴油发电机组的额定速度n₀、转速上限n_max、驱动电压上限V_max、驱动电流上限I_max、控制参数的值，所述控制参数即比例系数k_p、积分系数k_I、微分系数k_d，并通过核心处理器的触摸液晶显示屏接口输入核心处理器；

步骤2、柴油发电机组的转速传感器信号经过整形电路转化为方波转速信号，并输入核心处理器的外部中断管脚，所述方波转速信号的每一个上升沿触发核心处理器产生外部程序中断，所述核心处理器通过计算中断的频率，可以得到柴油发电机组的转速n和转速偏差△n，其计算公式(1)和公式(2)如下：

$n=\frac{t\·Z}{k}---\left(1\right)$

Δn＝n-n₀(2)

其中：k代表中断次数；

t代表k次总共中断的时间；

Z代表柴油机曲轴旋转一周时方波转速信号上升沿的个数；

n₀为额定同步角速度；

步骤3、所述核心处理器存储包括本次转速偏差在内的三次转速偏差值：Δn(k)、Δn(k-1)、Δn(k-2)，并根据实测转速大小，利用以下公式3～6分情况计算核心处理器的PWM输出脚所输出的占空比u_T：

情况①：当0.95n_N＜n≤1.05n_N时，计算公式(3)为：

u_T1(k)＝u_T(k-1)+k_p1(Δn(k)-Δn(k-1))+k_I1(Δn(k))(3)

情况②：当0.9n_N＜n≤0.95n_N或1.05n_N＜n≤1.1n_N时，计算公式(4)为：

u_T2(k)＝u_T(k-1)+k_p2(Δn(k)-Δn(k-1))+k_d2(Δn(k)-2×Δn(k-1)+Δn(k-2))(4)情况③：当n≤0.9n_N或1.1n_N＜n时，计算公式(5)为：

u_T3(k)＝u_T(k-1)+k_p3(Δn(k)-Δn(k-1))(5)

情况④：当n＞n_max时，计算公式(6)为：

u_T4(k)＝0(6)

其中：Δn(k)代表本次中断时所计算的转速偏差；

Δn(k-1)代表上一次中断时所计算的转速偏差；

Δn(k-2)代表上两次中断时所计算的转速偏差；

k_p1、k_p2、k_p3分别代表在情况①～情况③下的比例系数，在不同转速区间，取不同数值；

k₁₁代表在情况①下的积分系数；

k_d2代表在情况②下的微分系数；

u(k-1)代表上一次中断时所计算得到的驱动占空比；

u_T1(k)、u_T2(k)、u_T3(k)、u_T4(k)分别代表在上述情况①～情况④下本次计算得到的驱动占空比；

步骤4、所述调速驱动主电路中的光电隔离驱动电路依据核心处理器输出的占空比u_T改变绝缘栅双极型晶体管IGBT导通的时间，进而改变调速输出端子TS输出的驱动电压，从而改变柴油机油门大小，最终保证柴油机的转速等于所设定的额定转速，完成调控；

在所述步骤1设置完成后，所述核心处理器通过调速驱动主电路中的驱动电流采集电路采集驱动电流I和驱动电压采集电路采集驱动电压V的大小；当驱动电压V大于驱动电压上限V_max或驱动电流I大于驱动电流上限I_max时，所述核心处理器3将使驱动输出占空比为0。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明中调控装置采用低功耗的核心处理器集成了触摸液晶显示屏接口，该接口内含驱动和响应接口，同时集成了PWM控制器、A/D转换器等内部资源，简化了数字式调速控制器的外围电路，通过PWM输出脚、A/D管脚、外部中断管脚连接外部电路，同时核心处理器采用了3.3V供电的低功耗结构，因此本装置具有结构紧凑、低功耗的优点；

(2)由于柴油发电机组的额定转速通过触摸屏进行了精确设定，因此，该数字式调速控制器可以实现精确速度控制，这是模拟式调速控制不能够完成的。在传统的模拟型调速控制器中，通常采用电位器旋钮的方式进行转速设定，因此，最终影响到转速的控制精度，而在数字式速度控制器中，采用触摸屏对转速大小输入和设定目标转速是精确设定的。

附图说明

图1为本发明中调控装置的结构示意图。

图2为本发明中调控方法的流程图。

图3为整形电路的电路原理图。

图4为光电隔离驱动电路的电路原理图。

图5为驱动电压采集电路的电路原理图。

图6为驱动电流采集电路的电路原理图。

其中，1调速驱动主电路、2整形电路、3核心处理器、4触摸液晶显示屏、5励磁电源输入端子J1、6调速输出端子TS、7转速传感器信号、8方波转速信号、9、1-1光电隔离驱动电路、1-2驱动电流采集电路、1-3驱动电压采集电路。

具体实施方式

以下结合具体实施例和说明书附图的图1-图6对本发明进行进一步详细的叙述。

参见图1-图6，本实施例包括调速驱动主电路1、整形电路2、用于分段PID控制的核心处理器3和触摸液晶显示屏4；所述整形电路2的输入信号为转速传感器信号7，其输出信号为方波转速信号8，所述整形电路2的输出端接核心处理器3的外部中断管脚，所述核心处理器3的触摸液晶显示屏接口与触摸液晶显示屏4相连接；所述核心处理器3的PWM输出脚输出的信号接入调速驱动主电路1，所述调速驱动主电路1的调速输出端子TS输出调节柴油机油门的电压。

进一步的，所述调速驱动主电路1包括光电隔离驱动电路1-1、驱动电流采集电路1-2、驱动电压采集电路1-3及其外围驱动电路元件；所述核心处理器3的PWM输出脚接入光电隔离驱动电路1-1，所述光电隔离驱动电路1-1的输出端输出控制改变柴油机油门大小的驱动电压，所述驱动电压由外部的调速输出端子TS6采集；所述驱动电流采集电路1-2和驱动电压采集电路1-3分别采集光电隔离驱动电路1-1输出的电流信号和电压信号，所述驱动电流采集电路1-2和驱动电压采集电路1-3的采集输出端接核心处理器3的A/D管脚。

进一步的，所述调速驱动主电路1的外围驱动电路元件包括绝缘栅双极型晶体管IGBT、电阻Rk、二极管D2和滤波电容C1；所述光电隔离驱动电路1-1的输出端接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极经滤波电容C1接地，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极反向接二极管D2后经电阻Rk接地，所述驱动电流采集电路1-2的输入端并联在电阻Rk两端的节点c和节点d上，所述驱动电压采集电路1-3的输入端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极作为的节点a和地作为的节点b；实际上，不一定只有绝缘栅双极型晶体管IGBT能够用在此处，只要是全控型开关型电力电子器件都可以。这里只所以选用绝缘栅双极型晶体管IGBT是由于该类型开关型器件具有驱动电流大，功率损耗小的优点。所述驱动电流采集电路1-2和驱动电压采集电路1-3的输入信号是PWM输出脚依次经过光电隔离驱动电路1-1。

进一步的，所述光电隔离驱动电路1-1包括电阻R1～R13、电源隔离模块U1、光耦U2、NPN型三极管T1-T3、PNP型三极管T4、比较器U3和稳压管D3；所述电阻R2和电阻R3串联后并接在所述PWM输出脚的N脚和M脚上，所述PWM输出脚的M脚接地；所述NPN型三极管T1的基极接电阻R2和电阻R3的节点，所述NPN型三极管T1的发射极接地，所述NPN型三极管T1的集电极接光耦U2的阴极，所述光耦U2的阳极接电源隔离模块U1的电源端，所述光耦U2的集电极接电源VPP2，所述光耦U2的集电极接入NPN型三极管T2的基极，所述光耦U2的集电极依次经电阻R7、R8和稳压管D3接入NPN型三极管T2的发射极；所述电源VPP2依次经电阻R6、R5和R4后接入比较器U3的负输入端，所述电阻R5和R4的节点接地，所述电阻R6和R5的节点接入比较器U3的正输入端，所述比较器U3的输出端接电阻R7和R8的节点；所述NPN型三极管T2的集电极经电阻R9分别接入NPN型三极管T3和PNP型三极管T4的基极，所述NPN型三极管T3的发射极接PNP型三极管T4的发射极，所述PNP型三极管T4的集电极经电阻R12接地，所述电阻R11和电阻R13串联后并接在NPN型三极管T3的发射极和集电极之间，所述电阻R11和电阻R13的节点接所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，所述电阻R11和电阻R13的节点输出作为所述光电隔离驱动电路1-1的输出信号，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极；所述NPN型三极管T3的集电极外接励磁电源输入端子J15，所述电阻R10并联在NPN型三极管T3的基极和集电极之间。

进一步的，所述驱动电流采集电路1-2包括电阻R18-R24、电位器PR3-PR4、运算放大器U8-U11、线性光耦U12和电容C4-C6；所述驱动电流采集电路1-2的输入端节点c经电阻R18接其输入端节点d，所述输入端节点d接地；所述电阻R19和电容C4串联后并联接在电阻R18两端，所述电阻R19和电容C4的节点经电阻R20接入运算放大器U8的正输入端，所述运算放大器U8的负输入端经电阻R21接地，所述电位器PR3的固定端并联在运算放大器U8的负输入端和输出端，所述电位器PR3的滑动端接运算放大器U8的负极；所述运算放大器U8的输出端经电阻R22接入运算放大器U9的负输入端，所述运算放大器U9的负输入端接地，所述运算放大器U9的正输出端接线性光耦U12的4脚，所述线性光耦U12的3脚接地，其2脚接电源VPP2，所述运算放大器U9的输出端经电阻R23接线性光耦U12的1脚；所述电容C5并联在运算放大器U9的负输入端和输出端；所述线性光耦U12的6脚接运算放大器U10的负输入端，所述运算放大器U10的正输入端接地，所述运算放大器U10的输出端接运算放大器U11的正输入端，所述运算放大器U11的负输入端经电阻R24接地，所述电阻R24和电容C6均并联在运算放大器U10的负输入端和输出端，所述电位器PR4的固定端并联在运算放大器U11的负输入端和输出端，所述电位器PR4的滑动端接运算放大器U11的负输入端；所述线性光耦U12的型号为HCNR200，所述运算放大器U8-U11的型号为LM324。

进一步的，所述驱动电压采集电路1-3包括电阻R13-R17、电位器PR1-PR2、运算放大器U4-U6、线性光耦U7和电容C1-C3；所述驱动电压采集电路1-3的输入端节点a依次经电阻R13和R14接入运算放大器U4的负输入端，所述驱动电压采集电路1-3的输入端节点b接地，所述运算放大器U4的负输入端接地，所述电容C1一端接入电阻R13和R14的节点，其另一端接地，所述电位器PR1的固定端并联在电容C1两端，所述电位器PR1的滑动端接入电阻R13和R14间的节点；所述运算放大器U4的正输入端接线性光耦U7的4脚，所述线性光耦U7的的3脚接地，其2脚接电源VPP2，所述运算放大器U4的输出端经电阻R15接线性光耦U7的1脚，所述电容C2并联在运算放大器U4的负输入端和其输出端，所述线性光耦U7的6脚接入运算放大器U5的负输入端，所述运算放大器U5的正输入端接地，所述运算放大器U5的输出端接运算放大器U6的正输入端，所述电阻R16和电容C3均并联接在运算放大器U5的负输入端和输出端，所述运算放大器U6的负输入端经电阻R17接地，所述电位器PR2的固定端并联在运算放大器U6的负输入端和其输出端，所述电位器PR2的滑动端接运算放大器U6的负输入端，所述运算放大器U6的输出端接入A/D管脚；所述线性光耦U7的型号为HCNR200；所述运算放大器U4-U6的型号为LM324。

进一步的，所述整形电路2包括二极管D1、电阻R18、R27、R36、R37、R41、R44、电容C14、C15、C30和比较器IC3；所述转速传感器信号7作为整形电路2的输入信号，所述整形电路2的输入端子A经电阻R37和电阻R18接电源Vcpu3.3，其输入端子B依次经电阻R36、二极管D1和电阻R41接电源Vcpu3.3，所述二极管D1和电阻R41的节点接入比较器IC3的正输入端，所述电阻R37和电阻R18的节点接入比较器IC3的负输入端；所述输入端子B经电容C30接地；所述比较器IC3的输出端接入外部中断管脚；所述比较器IC3的输出端经电阻R44接电源Vcpu3.3；所述电阻R27的一端接在所述二极管D1和电阻R41的节点上，所述电阻R27的另一端接输入端子B，所述电容C14并联在电阻R27两端，所述电容C15并联在电阻R37两端。

进一步的，所述核心处理器3选用STM32型ARM芯片。

进一步的，选用STM32F103ZET型CPU。

本发明的工作原理如下：

如图1所示，整形电路2输出的频率信号输入核心处理器3的外部中断管脚；核心处理器3的PWM输出脚输出信号输入调速驱动主电路1；所述调速驱动主电路1的调速输出端子TS6驱动输出控制改变柴油机油门大小，最终控制柴油机转速的高低；所述触摸式液晶显示屏4与核心处理器3的触摸液晶显示屏接口连接，可实现在触摸式液晶显示屏4上设定柴油发电机组的额定转速。

如图3所示，所述整形电路2包括分压电路，电压比较单路，整个电路由电阻R18、R27、R37、R36、R41、R44，二极管D1，比较器IC3和电容C14、C15、C30，其中电阻R18与电阻R37串联构成一组分压电路，电阻R18与电阻R37的连接节点连接比较器IC3的负输入端，电阻R36、二极管D1与电阻R27串联构成另一组分压电路，转速信号经电阻R36、二极管D1、电阻R27分压后，经二极管D1负极连接比较器IC3的正输入端，电容C14、C15、C30用于滤波。

如图4所示，所述光电隔离驱动电路1-1包括隔离电源模块U1、光耦U2、三极管T1-T4、比较器U3、稳压管D3、电阻R1-R12；输入的PWM信号经过电阻R2、R3分压后驱动三极管T1和光耦U2工作，光耦U2隔离输出的PWM信号输入比较器U3的负输入端，电源电压经过R5、R6分压后输入比较器U3的正输入端；当比较器U3输出低电平时，稳压管D3和三极管T2工作，从而由三极管T4向绝缘栅双极型晶体管IGBT输出低电平。当比较器U3输出高电平时，稳压管D3和三极管T2停止工作，从而由三极管T3向绝缘栅双极型晶体管IGBT输出高电平驱动；C1为滤波电容，保险F1用于防止励磁电源短路的保护；电阻Rk为康铜丝用于将驱动电流信号转换为电压信号，由于Rk阻值较小，所以驱动电流对应的电压信号通常较低。

如图5所示，所述驱动电压采集电路1-3包括电阻R13-R17、电位器PR1-PR2、运算放大器U4-U6、线性光耦U7和电容C1-C3。其输入信号为驱动输出的PWM电压信号，PWM电压信号经过由电阻R13、电位器PR1和电容C1构成的滤波电路后转换为直流电压信号，通过调整电位器PR1的电阻值可以改变滤波时间常数。滤波后的直流电压经过由电阻R14-R16、电容C2-C3、运放U4-U5、线性光耦U7构成的线性光电隔离电路后进行比例放大，通过改变R15和R16的阻值可以改变比例放大的倍数，其中U4、C2构成了电压补偿电路，可以提高线性光耦U7的电压转换线性度。所述运算放大器U5的输出电压与由运算放大器U6、R17、PR2构成的比例放大电路连接，实现电压的放大输出。运算放大器U6的输出端与核心处理器3的A/D管脚连接，实现驱动电压的采集。

如图6所示，所述驱动电流采集电路1-2包括电阻R18-R24、电位器PR3-PR4、运算放大器U8-U11、线性光耦U12和电容C4-C6。其输入信号为康铜丝制成的电阻RK上的PWM电压信号，PWM电压信号经过由电阻R18、R19和电容C4构成的滤波电路后转换为直流电压信号。滤波后的直流电压信号经过由电阻R20、R21、PR3和运算放大器U8构成的放大电路后实现滤波电压的比例放大，然后经过由电阻R22-R24、电容C5-C6、运算放大器U9-U10、线性光耦U12构成的线性光电隔离电路后进行比例放大，其中U9、C5构成电压补偿电路，可以提高线性光耦U12的电压转换线性度。其中运算放大器U10的输出电压与由运算放大器U11、电阻R24和电位器PR4构成的比例放大电路连接，实现电压的放大输出。运算放大器U11的输出端与核心处理器3的A/D管脚连接，实现驱动电流的采集。

如图2所示，利用上述柴油机数字调控装置进行调控的方法如下：

首先，使用者通过触摸操作液晶显示屏4设定柴油发电机组的额定速度n₀、转速上限n_max、驱动电压上限V_max、驱动电流上限I_max、控制参数的值，所述控制参数即比例系数k_p、积分系数k_I、微分系数k_d，并通过核心处理器3的触摸液晶显示屏接口输入核心处理器3；

然后，柴油发电机组的转速传感器信号7经过整形电路2转化为方波转速信号8，并输入核心处理器3的外部中断管脚，所述方波转速信号8的每一个上升沿触发核心处理器3产生外部程序中断，所述核心处理器3通过计算中断的频率，可以得到柴油发电机组的转速n和转速偏差△n，其计算公式(1)和公式(2)如下：

$n=\frac{t\·Z}{k}---\left(1\right)$

Δn＝n-n₀(2)

其中：k代表中断次数；

t代表k次总共中断的时间；

Z代表柴油机曲轴旋转一周时方波转速信号上升沿的个数；

n₀为额定同步角速度。

然后，核心处理器3存储包括本次转速偏差在内的三次转速偏差值：

Δn(k)、Δn(k-1)、Δn(k-2)，并根据实测转速大小，利用以下公式(3)～(6)分情况计算核心处理器3的PWM输出脚所输出的占空比uT：

情况①：当0.95n_N＜n≤1.05n_N时，计算公式(3)为：

u_T1(k)＝u_T(k-1)+k_p1(Δn(k)-Δn(k-1))+k_I1(Δn(k))(3)

情况②：当0.9n_N＜n≤0.95n_N或1.05n_N＜n≤1.1n_N时，计算公式(4)为：

u_T2(k)＝u_T(k-1)+k_p2(Δn(k)-Δn(k-1))+k_d2(Δn(k)-2×Δn(k-1)+Δn(k-2))(4)

情况③：当n≤0.9n_N或1.1n_N＜n时，计算公式(5)为：

u_T3(k)＝u_T(k-1)+k_p3(Δn(k)-Δn(k-1))(5)

情况④：当n＞n_max时，计算公式(6)为：

u_T4(k)＝0(6)

其中：Δn(k)代表本次中断时所计算的转速偏差；

Δn(k-1)代表上一次中断时所计算的转速偏差；

Δn(k-2)代表上两次中断时所计算的转速偏差；

k_p1、k_p2、k_p3分别代表在情况①～情况③下的比例系数，在不同转速区间，取不同数值；

k₁₁代表在情况①下的积分系数；

k_d2代表在情况②下的微分系数；

u(k-1)代表上一次中断时所计算得到的驱动占空比；

u_T1(k)、u_T2(k)、u_T3(k)、u_T4(k)分别代表在上述情况①～情况④下本次计算得到的驱动占空比。

然后，所述调速驱动主电路4中的光电隔离驱动电路1-1依据核心处理器3输出的占空比uT改变绝缘栅双极型晶体管IGBT导通的时间，进而改变调速输出端子TS6输出的驱动电压，从而改变柴油机油门大小，最终保证柴油机的转速等于所设定的额定转速；

在设定了柴油发电机组的额定速度n₀、转速上限n_max、驱动电压上限V_max、驱动电流上限I_max、控制参数的值后，所述核心处理器3通过调速驱动主电路4中的驱动电流采集电路1-2采集驱动电流I和驱动电压采集电路1-3采集驱动电压V的大小；当驱动电压V大于驱动电压上限V_max或驱动电流I大于驱动电流上限I_max时，核心处理器3将使驱动输出占空比为0，防止出现驱动电压过高和驱动短路的故障。

由于采用了分段PID控制的方式，且不同运行区间段内的控制参数，即比例系数k_p、积分系数k_I、微分系数k_d的值可以由用户自行设定，因此，相对于传统固定PID的数字调速控制器，该数字式调速控制器将具有更好的控制性能，且通过控制参数的值，可以使数字式调速控制器适合多种类型柴油发电机组。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柴油机数字调控装置，其特征在于：其包括调速驱动主电路(1)、整形电路(2)、用于分段PID控制的核心处理器(3)和输入输出设备；所述整形电路(2)的输入信号为转速传感器信号(7)，其输出信号为方波转速信号(8)，所述整形电路(2)的输出端接核心处理器(3)的外部中断管脚，所述核心处理器(3)的I/O端口与输入输出设备相连接；所述核心处理器(3)的PWM输出脚输出的信号接入调速驱动主电路(1)，所述调速驱动主电路(1)的调速输出端子TS(6)输出调节柴油机油门的电压；所述核心处理器(3)选用STM32型ARM芯片。

2.根据权利要求1所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述输入输出设备为触摸液晶显示屏(4)；所述核心处理器(3)的I/O端口即触摸液晶显示屏接口，所述触摸液晶显示屏接口与触摸液晶显示屏(4)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述调速驱动主电路(1)包括光电隔离驱动电路(1-1)、驱动电流采集电路(1-2)、驱动电压采集电路(1-3)及其外围驱动电路元件；所述核心处理器(3)的PWM输出脚接入光电隔离驱动电路(1-1)，所述光电隔离驱动电路(1-1)的输出端输出控制改变柴油机油门大小的驱动电压，所述驱动电压由外部的调速输出端子TS(6)采集；所述驱动电流采集电路(1-2)和驱动电压采集电路(1-3)分别采集光电隔离驱动电路(1-1)输出的电流信号和电压信号，所述驱动电流采集电路(1-2)和驱动电压采集电路(1-3)的采集输出端接核心处理器(3)的A/D管脚。

4.根据权利要求3所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述调速驱动主电路(1)的外围驱动电路元件包括绝缘栅双极型晶体管IGBT、电阻Rk、二极管D2和滤波电容C1；所述光电隔离驱动电路(1-1)的输出端接绝缘栅双极型晶体管IGBT的栅极，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极经滤波电容C1接地，所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极反向接二极管D2后经电阻Rk接地，所述驱动电流采集电路(1-2)的输入端并联在电阻Rk两端的节点c和节点d上，所述驱动电压采集电路(1-3)的输入端连接绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极作为的节点a和地作为的节点b。

5.根据权利要求1～4任一所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述光电隔离驱动电路(1-1)包括电阻R1～R13、电源隔离模块U1、光耦U2、NPN型三极管T1-T3、PNP型三极管T4、比较器U3和稳压管D3；

所述电阻R2和电阻R3串联后并接在所述PWM输出脚的N脚和M脚上，所述PWM输出脚的M脚接地；所述NPN型三极管T1的基极接电阻R2和电阻R3的节点，所述NPN型三极管T1的发射极接地，所述NPN型三极管T1的集电极接光耦U2的阴极，所述光耦U2的阳极接电源隔离模块U1的电源端，所述光耦U2的集电极接电源VPP2，所述光耦U2的集电极接入NPN型三极管T2的基极，所述光耦U2的集电极依次经电阻R7、R8和稳压管D3接入NPN型三极管T2的发射极；所述电源VPP2依次经电阻R6、R5和R4后接入比较器U3的负输入端，所述电阻R5和R4的节点接地，所述电阻R6和R5的节点接入比较器U3的正输入端，所述比较器U3的输出端接电阻R7和R8的节点；所述NPN型三极管T2的集电极经电阻R9分别接入NPN型三极管T3和PNP型三极管T4的基极，所述NPN型三极管T3的发射极接PNP型三极管T4的发射极，所述PNP型三极管T4的集电极经电阻R12接地，所述电阻R11和电阻R13串联后并接在NPN型三极管T3的发射极和集电极之间，所述电阻R11和电阻R13的节点输出所述光电隔离驱动电路(1-1)的输出信号；所述NPN型三极管T3的集电极外接励磁电源输入端子J1(5)，所述电阻R10并联在NPN型三极管T3的基极和集电极之间；所述电源隔离模块U1的型号是DLM03-12S12。

6.根据权利要求1～4任一所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述驱动电流采集电路(1-2)包括电阻R18-R24、电位器PR3-PR4、运算放大器U8-U11、线性光耦U12和电容C4-C6；所述驱动电流采集电路(1-2)的输入端节点c经电阻R18接其输入端节点d，所述输入端节点d接地；所述电阻R19和电容C4串联后并联接在电阻R18两端，所述电阻R19和电容C4的节点经电阻R20接入运算放大器U8的正输入端，所述运算放大器U8的负输入端经电阻R21接地，所述电位器PR3的固定端并联在运算放大器U8的负输入端和输出端，所述电位器PR3的滑动端接运算放大器U8的负极；所述运算放大器U8的输出端经电阻R22接入运算放大器U9的负输入端，所述运算放大器U9的负输入端接地，所述运算放大器U9的正输出端接线性光耦U12的4脚，所述线性光耦U12的3脚接地，其2脚接电源VPP2，所述运算放大器U9的输出端经电阻R23接线性光耦U12的1脚；所述电容C5并联在运算放大器U9的负输入端和输出端；所述线性光耦U12的6脚接运算放大器U10的负输入端，所述运算放大器U10的正输入端接地，所述运算放大器U10的输出端接运算放大器U11的正输入端，所述运算放大器U11的负输入端经电阻R24接地，所述电阻R24和电容C6均并联在运算放大器U10的负输入端和输出端，所述电位器PR4的固定端并联在运算放大器U11的负输入端和输出端，所述电位器PR4的滑动端接运算放大器U11的负输入端；所述线性光耦U12的型号为HCNR200，所述运算放大器U8-U11的型号为LM324。

7.根据权利要求1～4任一所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述驱动电压采集电路(1-3)包括电阻R13-R17、电位器PR1-PR2、运算放大器U4-U6、线性光耦U7和电容C1-C3；所述驱动电压采集电路(1-3)的输入端节点a依次经电阻R13和R14接入运算放大器U4的负输入端，所述驱动电压采集电路(1-3)的输入端节点b接地，所述运算放大器U4的负输入端接地，所述电容C1一端接入电阻R13和R14的节点，其另一端接地，所述电位器PR1的固定端并联在电容C1两端，所述电位器PR1的滑动端接入电阻R13和R14间的节点；所述运算放大器U4的正输入端接线性光耦U7的4脚，所述线性光耦U7的的3脚接地，其2脚接电源VPP2，所述运算放大器U4的输出端经电阻R15接线性光耦U7的1脚，所述电容C2并联在运算放大器U4的负输入端和其输出端，所述线性光耦U7的6脚接入运算放大器U5的负输入端，所述运算放大器U5的正输入端接地，所述运算放大器U5的输出端接运算放大器U6的正输入端，所述电阻R16和电容C3均并联接在运算放大器U5的负输入端和输出端，所述运算放大器U6的负输入端经电阻R17接地，所述电位器PR2的固定端并联在运算放大器U6的负输入端和其输出端，所述电位器PR2的滑动端接运算放大器U6的负输入端，所述运算放大器U6的输出端接入A/D管脚；所述线性光耦U7的型号为HCNR200；所述运算放大器U4-U6的型号为LM324。

8.根据权利要求1～4任一所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述整形电路(2)包括分压电路和电压比较电路，所述分压电路经过电压比较电路后输出至核心处理器(3)的外部中断管脚。

9.根据权利要求1～4任一所述的一种柴油机数字调控装置，其特征在于：所述整形电路(2)包括二极管D1、电阻R18、R27、R36、R37、R41、R44、电容C14、C15、C30和比较器IC3；所述转速传感器信号(7)作为整形电路(2)的输入信号，所述整形电路(2)的输入端子A经电阻R37和电阻R18接电源Vcpu3.3，其输入端子B依次经电阻R36、二极管D1和电阻R41接电源Vcpu3.3，所述二极管D1和电阻R41的节点接入比较器IC3的正输入端，所述电阻R37和电阻R18的节点接入比较器IC3的负输入端；所述输入端子B经电容C30接地；所述比较器IC3的输出端接入外部中断管脚；所述比较器IC3的输出端经电阻R44接电源Vcpu3.3；所述电阻R27的一端接在所述二极管D1和电阻R41的节点上，所述电阻R27的另一端接输入端子B，所述电容C14并联在电阻R27两端，所述电容C15并联在电阻R37两端。

10.利用权利要求1所述的一种柴油机数字调控装置实现的调控方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、使用者通过触摸操作液晶显示屏(4)设定柴油发电机组的额定速度n₀、转速上限n_max、驱动电压上限V_max、驱动电流上限I_max、控制参数的值，所述控制参数即比例系数k_p、积分系数k_I、微分系数k_d，并通过核心处理器(3)的触摸液晶显示屏接口输入核心处理器(3)；

步骤2、柴油发电机组的转速传感器信号(7)经过整形电路(2)转化为方波转速信号(8)，并输入核心处理器(3)的外部中断管脚，所述方波转速信号(8)的每一个上升沿触发核心处理器(3)产生外部程序中断，所述核心处理器(3)通过计算中断的频率，可以得到柴油发电机组的转速n和转速偏差△n，其计算公式(1)和公式(2)如下：

$n=\frac{t\·Z}{k}---\left(1\right)$

Δn＝n-n₀(2)

其中：k代表中断次数；

t代表k次总共中断的时间；

Z代表柴油机曲轴旋转一周时方波转速信号上升沿的个数；

n₀为额定同步角速度；

步骤3、所述核心处理器(3)存储包括本次转速偏差在内的三次转速偏差值：Δn(k)、Δn(k-1)、Δn(k-2)，并根据实测转速大小，利用以下公式(3)～(6)分情况计算核心处理器(3)的PWM输出脚所输出的占空比u_T：

情况①：当0.95n_N＜n≤1.05n_N时，计算公式(3)为：

u_T1(k)＝u_T(k-1)+k_p1(Δn(k)-Δn(k-1))+k_I1(Δn(k))(3)

情况②：当0.9n_N＜n≤0.95n_N或1.05n_N＜n≤1.1n_N时，计算公式(4)为：

u_T2(k)＝u_T(k-1)+k_p2(Δn(k)-Δn(k-1))+k_d2(Δn(k)-2×Δn(k-1)+Δn(k-2))(4)情况③：当n≤0.9n_N或1.1n_N＜n时，计算公式(5)为：

u_T3(k)＝u_T(k-1)+k_p3(Δn(k)-Δn(k-1))(5)

情况④：当n＞n_max时，计算公式(6)为：

u_T4(k)＝0(6)

其中：Δn(k)代表本次中断时所计算的转速偏差；

Δn(k-1)代表上一次中断时所计算的转速偏差；

Δn(k-2)代表上两次中断时所计算的转速偏差；

k_p1、k_p2、k_p3分别代表在情况①～情况③下的比例系数，在不同转速区间，取不同数值；

k₁₁代表在情况①下的积分系数；

k_d2代表在情况②下的微分系数；

u(k-1)代表上一次中断时所计算得到的驱动占空比；

u_T1(k)、u_T2(k)、u_T3(k)、u_T4(k)分别代表在上述情况①～情况④下本次计算得到的驱动占空比；

步骤4、所述调速驱动主电路(4)中的光电隔离驱动电路(1-1)依据核心处理器(3)输出的占空比u_T改变绝缘栅双极型晶体管IGBT导通的时间，进而改变调速输出端子TS(6)输出的驱动电压，从而改变柴油机油门大小，最终保证柴油机的转速等于所设定的额定转速，完成调控；

在所述步骤1设置完成后，所述核心处理器(3)通过调速驱动主电路(4)中的驱动电流采集电路(1-2)采集驱动电流I和驱动电压采集电路(1-3)采集驱动电压V的大小。当驱动电压V大于驱动电压上限V_max或驱动电流I大于驱动电流上限I_max时，所述核心处理器(3)将使驱动输出占空比为0。