CN114658557A - 柴油机模拟式电液调速器控制模块 - Google Patents

柴油机模拟式电液调速器控制模块 Download PDF

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李胜
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Abstract

本发明公开了一种柴油机模拟式电液调速器控制模块，包括电源模块、转速采集模块、转速设定模块、PID调速模块和功率放大模块；电源模块分别与转速采集模块、转速设定模块、PID调速模块以及功率放大模块连接；转速设定模块分别与转速采集模块和PID调速模块连接；PID调速模块和功率放大模块连接。本发明能够采集柴油机实际转速信号，并转换成对应电压信号，与设定转速电压信号进行对比，形成转速偏差信号；偏差信号通过模拟PID电路运算和功率放大后，输出执行器调节电流信号，完成执行器调速动作，调节柴油机循环供油量，保证了柴油机的转速稳定。

Description

柴油机模拟式电液调速器控制模块
技术领域
本发明属于柴油机技术领域，具体涉及一种柴油机模拟式电液调速器控制模块。
背景技术
柴油机模拟式电液调速器是一种新型的电液调速器，它可以通过纯模拟式电路配合机械液压放大机构实现大力矩输出以及电子调速控制，相比机械液压调速器具有更高的调速精度，相比纯数字式电子调速器具有更简单的电路组成、更大的输出力矩、无需通过程序控制，可靠性高，使用简单，能满足高功率柴油机的调速需求。它是一种能自动对柴油机循环供油量进行调节的控制装置。它可以随着柴油机负荷的大小，调节柴油机的循环供油量，从而保证柴油机转速恒定，防止柴油机因负荷减小而超速飞车以及负荷增大而熄火停车等意外情况发生。
柴油机电液调速器控制模块是柴油机电液调速器的重要组成部分，它接收来自外界的柴油机转速信号和控制转速设定信号，经过运算处理，输出控制指令信号控制与柴油机供油齿条相连的柴油机电液调速器执行机构动作，从而实现柴油机供油量控制。
由于电子调速器执行机构驱动电流和尺寸限制，现在大功率柴油机上应用较多的还是传统的机械液压式调速器，机械液压式调速器由于速度得测量和放大都是通过机械元件来实现的，因此，不可避免地存在惯性滞后和摩擦阻力等缺陷，且控制方式单一，无法实现较复杂的控制算法，其调节的精度不高，一般不能满足高精度的调速要求。
因此，有必要开发一种新的柴油机模拟式电液调速器控制模块。
发明内容
本发明的目的是提供一种柴油机模拟式电液调速器控制模块，通过纯模拟式电路组成，能采集柴油机的实际转速信号，并按照设定的转速信号指令自动控制柴油机供油齿条动作，以实现对柴油机供油量的自动调节，能保证柴油机的转速稳定。
本发明所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，包括电源模块、转速采集模块、转速设定模块、PID调速模块和功率放大模块；
所述电源模块用于给其他功能模块产生工作电压，该电源模块分别与转速采集模块、转速设定模块、PID调速模块以及功率放大模块连接；
所述转速采集模块用于采集外部输入转速信号；
所述转速设定模块具有可调电位计和切换开关，通过可调电位计和切换开关确定目标转速信号，并输出该目标转速信号与转速采集模块输出的采集转速信号进行偏差计算形成转速偏差信号，该转速设定模块分别与转速采集模块和PID调速模块连接；
所述PID调速模块用于接收来自转速采集模块和转速设定模块偏差计算之后的转速偏差信号，并将其进行PID计算后输出至功率放大模块，该PID调速模块和功率放大模块连接；
所述功率放大模块用于接收来自PID调速模块计算后的指令信号，并将其进行功率放大和大小范围限定，然后输出指令信号控制调速器执行器进行调速动作。
可选地，所述电源模块包括12V工作电压生成电路、-12V工作电压生成电路、5V工作电压生成电路和3.3V工作电压生成电路；
所述12V工作电压生成电路包括电源芯片U10以及与电源芯片U10相连接的第一外围电路，用于产生功能模块所需工作电压12V；
所述-12V工作电压生成电路包括电源芯片U11以及与电源芯片U11相连接的第二外围电路，用于产生功能模块所需工作电压-12V；
所述5V工作电压生成电路包括电源芯片U12以及与电源芯片U12相连接的第三外围电路，用于产生功能模块所需工作电压5V；
所述3.3V工作电压生成电路包括电源芯片U13以及与电源芯片U13相连接的第四外围电路，用于产生功能模块所需工作电压3.3V。
可选地，所述转速采集模块包括频压转换电路以及与频压转换电路连接的转速超速停机电路；
所述频压转换电路包括频压转换芯片U15及第五外围电路，所述第五外围电路包括分别与频压转换芯片U15连接的电容C5、电容C6、电阻R89、电阻R91、电阻R101、电阻R103和电阻R104，其中，电容C5和电阻R103用来配置输入频率对应电压值，使得实际柴油机转速范围满足输入电压范围，电阻R89和电阻R91用来灵活选择外部转速输入通道，提供多通道转速输入功能；
所述转速超速停机电路包括比较器U17及第六外围电路，所述第六外围电路包括与比较器U17连接的电阻R117，以及分别与电阻R117连接的电阻R108和电阻R109；所述电阻R108和电阻R109用来配置超速停机转速对应电压值，当外部输入转速对应电压值F-Vout大于设定停机值时，比较器U17输出电平发生转换，控制功率放大模块执行停机动作。
可选地，所述转速设定模块包括启动油量设定电路、启动成功速度设定电路和怠速-额定切换电路；
所述启动油量设定电路包括比较器U19及第七外围电路，所述第七外围电路包括分别与比较器U17连接的电阻R92和与非门U14，以及分别与电阻R92连接的电阻R99和电阻R100，与与非门U14连接的三极管Q3，以及与三极管Q3连接的可变电位计R69；所述电阻R100和电阻R99用来设定启动油量起作用的速度点，当柴油机转速超过设定速度点时，与非门U14输出低电平，三极管Q3关断，启动油量可通过可变电位计R69进行调节；
所述启动成功速度设定电路包括比较器U16及第八外围电路，所述第八外围电路包括与比较器U16连接的电阻R2，以及分别与电阻R2连接的电阻R64和电阻R62；所述电阻R64和电阻R62用来设定启动成功速度点，当柴油机转速超过设定点时，与非门U14输出高电平，三极管Q3打开，启动油量功能被屏蔽，转速设定由怠速调节和额定速度调节来确定；
所述怠速-额定切换电路包括运算放大器U18、运算放大器U9及第九外围电路；第九外围电路包括分别与运算放大器U18连接的电阻R122、电阻R115、电阻R123、电容C10、电阻R96、以及与电阻R123连接的可变电位器R126；可变电位器R126经电阻R129接Switch信号，所述运算放大器U9的2脚经电阻R96与运算放大器U18连接；运算放大器U9的6脚与可变电阻R68连接；其中，电阻R126和电容C10的大小直接影响怠速-额定切换时间，switch切换信号接5V电源开关，当switch信号为5V时，开始执行怠速-额定切换动作，等待积分时间结束，完成切换，额定速度设定通过可变电阻R68进行调节设定。
可选地，所述PID调速模块包括转速偏差计算电路、比例计算电路、积分计算电路、微分计算电路和PID信号处理电路；
所述转速偏差计算电路包括运算放大器U1、运算放大器U4、第十外围电路和第十一外围电路；所述运算放大器U1及第十外围电路连接组成信号取反电路，所述运算放大器U4与第十一外围电路连接组成加法电路，用于计算目标转速信号和实际转速信号的转速差；
所述比例计算电路包括运算放大器U2及第十二外围电路，所述第十二外围电路包括分别与运算放大器U2连接的可变电阻R5和电阻R8；用于将转速偏差信号进行比例换算，比例大小由电阻R5和电阻R8确定；
所述积分计算电路包括运算放大器U5及第十三外围电路，所述第十三外围电路包括分别与运算放大器U5连接的电容C1、电阻R25,以及与电阻R25连接的可变电阻R23，用于将转速偏差信号进行积分运算，积分常数由可变电阻R23和电容C1确定；
所述微分计算电路包括运算放大器U6及第十四外围电路，所述第十四外围电路包括分别与运算放大器U6连接的电容C2和电阻R38,以及与电阻R38连接的可变电阻R40,用于将转速偏差信号进行微分运算，微分常数由电容C2和可变电阻R40确定；
所述PID信号处理电路包括运算放大器U3及第十五外围电路、运算放大器U8及第十六外围电路，所述运算放大器U3及第十五外围电路用于将转速偏差信号的比例、积分、微分运算信号进行求和；所述运算放大器U8及第十六外围电路用于对PID信号进行处理转换成0~12V对应信号。
可选地，所述功率放大模块包括运算放大器U7以及第十七外围电路，所述第十七外围电路包括分别与运算放大器U7连接的电阻R43、电阻R48、电阻R59、电阻R60，以及与电阻R60连接的电阻R61,以及与电阻R61连接的MOS管Q2；所述电阻R43、电阻R48、电阻R59、电阻R60通过配置以确定输出控制电流电压范围，电阻R61用于确定输出控制电流大小，MOS管Q2由运算放大器U7进行开断控制以实现控制电流输出。
可选地，所述第一外围电路包括电容C13、电容C14、电容C15、二极管D4、电感L1、电阻R73、电阻R75和电阻R76，第一外围电路与电源芯片U10的连接关系如下：
电源芯片U10的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U10的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C13，电源芯片U10的4脚经电阻R73、电感L1接电源芯片U10的8脚，电源芯片U10的4脚还经电阻R75、电阻R76后接地，电源芯片U10的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R73、电阻R75、电阻R76输出12V电压，电源芯片U10的0脚和6脚连接到地。电容C14的一端与电阻R73和电感L1的连接点连接，电容C14的另一端接地；电容C15的一端接24V外部供电电源，电容C15的另一端与电源芯片U10的6脚连接，电容C14、电容C15为滤波电容。二极管D4的正极与电源芯片U10的0脚连接，二极管D4的负极与电源芯片U10的8脚连接。
可选地，所述第二外围电路包括电容C19、电容C20、电容C17、二极管D2、电感L2、电阻R77、电阻R78和电阻R82，第二外围电路与电源芯片U11的连接关系如下：
电源芯片U11的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U11的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C17；电源芯片U11的4脚经电阻R77、电感L2与电源芯片U11的8脚连接，电阻R77与电感L2的连接点接地，电源芯片U11的4脚还经电阻R78、电阻R82、电容C19后接地，电源芯片U11的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R77、电阻R78、电阻R82输出-12V电压，电源芯片U10的0脚和6脚接地，电源芯片U11的6脚经电容C20接24V外部供电电源，电容C19、电容C20为滤波电容。二极管D2的正极与电源芯片U11的0脚连接，二极管D2的负极与电源芯片U11的8脚连接。
可选地，所述第三外围电路包括电容C21、电容C22、电容C23、二极管D3、电感L3、电阻R83、电阻R84和电阻R86，第三外围电路与电源芯片U12的连接关系如下：
电源芯片U12的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U12的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C21，电源芯片U12的4脚经电阻R83、电感L3与电源芯片U12的8脚连接，电源芯片U12的4脚还经电阻R84和电阻R86后接地，电源芯片U12的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R83、电阻R84、电阻R86输出5V电压，电源芯片U12的0脚和6脚连接到地，电源芯片U12的6脚经电容C23接24V外部供电电源，电容C22的一端与电阻R83与电感L3 的连接点连接，电容C22的另一端接地，电容C22、电容C23为滤波电容。
可选地，所述第四外围电路包括电容C25、电容C24、电容C26、二极管D5、电感L4、电阻R85、电阻R87和电阻R88，第四外围电路与电源芯片U13的具体连接关系如下：
电源芯片U13的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U13的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C24，电源芯片U13的4脚经电阻R85、电感L4与电源芯片U13的8脚连接，电源芯片U13的4脚还经电阻R87和电阻R88后接地，电容C25的一端接地，电容C25的另一端与电感L4和电阻R85的连接点连接。电源芯片U13的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R85、电阻R87、电阻R88输出3.3V电压，电源芯片U13的0脚和6脚连接到地。电容C26的一端接24V外部供电电源，电容C26的另一端与电源芯片U13的6脚连接，电容C25、电容C26为滤波电容。
本发明具有以下优点：
（1）该柴油机模拟式电液调速器控制模块采用纯模拟式电路组成，相比数字式电子调速器，具有更简单地电路组成，无需通过程序控制，可靠性更高且便于使用；
（2）该柴油机模拟式电液调速器控制模块采用冗余双电源供电结构，当主电源失电时，备用电源不间断地接入供电线路，保证在调速器发生供电故障时，柴油机转速和推力方向不会发生重大变化；
（3）该柴油机模拟式电液调速器控制模块提供可调的启动油量设定方式，针对不同的工况环境，采用不同的启动油量设定方式，实现柴油机平稳顺利启动；
（4）该柴油机模拟式电液调速器控制模块集成有转速设定模块，操作者可在转速设定模块方便地进行PID整定参数调节；
（5）该柴油机模拟式电液调速器控制模块具有超速保护功能，当柴油机转速超过设定保护转速时，控制模块会输出报警信号并控制执行机构将供油齿条拉至零位，使柴油机停机。
（6）该柴油机模拟式电液调速器控制模块采用正作用+反作用可配置的控制方式控制调速器执行机构进行调速动作，根据调速器执行机构的控制原理可灵活配置控制方式与之匹配。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
图2为本实施例中电源模块中的12V工作电压生成电路的电路图；
图3为本实施例中电源模块中的-12V工作电压生成电路的电路图；
图4为本实施例中电源模块中的5V工作电压生成电路的电路图；
图5为本实施例中电源模块中的3.3V工作电压生成电路的电路图；
图6为本实施例中频压转换电路的电路图；
图7为本实施例中转速超速停机电路的电路图；
图8为本实施例中启动油量设定电路的电路图；
图9为本实施例中启动成功速度设定电路的电路图；
图10为本实施例中怠速-额定切换电路的电路图；
图11为本实施例中转速偏差计算电路的电路图；
图12为本实施例中比例计算电路的电路图；
图13为本实施例中积分计算电路的电路图；
图14为本实施例中微分计算电路的电路图；
图15为本实施例中PID信号处理电路的电路图；
图16为本实施例中功率放大模块的电路图；
图17为本实施例的原理图；
图中，1、电源模块，2、转速采集模块，3、转速设定模块，4、PID调速模块，5、功率放大模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本实施例中，一种柴油机模拟式电液调速器控制模块包括电源模块1、转速采集模块2、转速设定模块3、PID调速模块4和功率放大模块5；所述电源模块1用于给其他功能模块产生工作电压，该电源模块1分别与转速采集模块2、转速设定模块3、PID调速模块4以及功率放大模块5连接；所述转速采集模块2用于采集外部输入转速信号；所述转速设定模块3具有可调电位计和切换开关，通过可调电位计和切换开关确定目标转速信号，并输出该目标转速信号与转速采集模块2输出的采集转速信号进行偏差计算形成转速偏差信号，该转速设定模块3分别与转速采集模块2和PID调速模块4连接；所述PID调速模块4用于接收来自转速采集模块2和转速设定模块3偏差计算之后的转速偏差信号，并将其进行PID计算后输出至功率放大模块5，该PID调速模块4和功率放大模块5连接；所述功率放大模块5用于接收来自PID调速模块4计算后的指令信号，并将其进行功率放大和大小范围限定，然后输出指令信号控制调速器执行器进行调速动作。
本实施例中，所述电源模块1包括12V工作电压生成电路、-12V工作电压生成电路、5V工作电压生成电路和3.3V工作电压生成电路；其中，所述12V工作电压生成电路包括电源芯片U10以及与电源芯片U10相连接的第一外围电路，用于产生功能模块所需工作电压12V；所述-12V工作电压生成电路包括电源芯片U11以及与电源芯片U11相连接的第二外围电路，用于产生功能模块所需工作电压-12V；所述5V工作电压生成电路包括电源芯片U12以及与电源芯片U12相连接的第三外围电路，用于产生功能模块所需工作电压5V；所述3.3V工作电压生成电路包括电源芯片U13以及与电源芯片U13相连接的第四外围电路，用于产生功能模块所需工作电压3.3V。
如图2所示，所述12V工作电压生成电路包括电源芯片U10及第一外围电路，其中，第一外围电路包括电容C13、电容C14、电容C15、二极管D4、电感L1、电阻R73、电阻R75和电阻R76，具体连接关系如下：
电源芯片U10的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U10的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C13，电源芯片U10的4脚经电阻R73、电感L1接电源芯片U10的8脚，电源芯片U10的4脚还经电阻R75、电阻R76后接地，电源芯片U10的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R73、电阻R75、电阻R76输出12V电压，电源芯片U10的0脚和6脚连接到地。电容C14的一端与电阻R73和电感L1的连接点连接，电容C14的另一端接地；电容C15的一端接24V外部供电电源，电容C15的另一端与电源芯片U10的6脚连接，电容C14、电容C15为滤波电容。二极管D4的正极与电源芯片U10的0脚连接，二极管D4的负极与电源芯片U10的8脚连接。
如图3所示，本实施例中，所述-12V工作电压生成电路包括电源芯片U11及第二外围电路，其中，第二外围电路包括电容C19、电容C20、电容C17、二极管D2、电感L2、电阻R77、电阻R78和电阻R82，具体连接关系如下：
电源芯片U11的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U11的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C17。电源芯片U11的4脚经电阻R77、电感L2与电源芯片U11的8脚连接，电阻R77与电感L2的连接点接地，电源芯片U11的4脚还经电阻R78、电阻R82、电容C19后接地，电源芯片U11的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R77、电阻R78、电阻R82输出-12V电压，电源芯片U10的0脚和6脚接地，电源芯片U11的6脚经电容C20接24V外部供电电源，电容C19、电容C20为滤波电容。二极管D2的正极与电源芯片U11的0脚连接，二极管D2的负极与电源芯片U11的8脚连接。
如图4所示，本实施例中，所述5V工作电压生成电路包括电源芯片U12及第三外围电路，其中，第三外围电路包括电容C21、电容C22、电容C23、二极管D3、电感L3、电阻R83、电阻R84和电阻R86，具体连接关系如下：
电源芯片U12的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U12的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C21，电源芯片U12的4脚经电阻R83、电感L3与电源芯片U12的8脚连接，电源芯片U12的4脚还经电阻R84和电阻R86后接地，电源芯片U12的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R83、电阻R84、电阻R86输出5V电压，电源芯片U12的0脚和6脚连接到地，电源芯片U12的6脚经电容C23接24V外部供电电源，电容C22的一端与电阻R83与电感L3 的连接点连接，电容C22的另一端接地，电容C22、电容C23为滤波电容。
如图5所示，本实施例中，所述3.3V工作电压生成电路包括电源芯片U13及第四外围电路，其中，第四外围电路包括电容C25、电容C24、电容C26、二极管D5、电感L4、电阻R85、电阻R87和电阻R88，具体连接关系如下：
电源芯片U13的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U13的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C24，电源芯片U13的4脚经电阻R85、电感L4与电源芯片U13的8脚连接，电源芯片U13的4脚还经电阻R87和电阻R88后接地，电容C25的一端接地，电容C25的另一端与电感L4和电阻R85的连接点连接。电源芯片U13的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R85、电阻R87、电阻R88输出3.3V电压，电源芯片U13的0脚和6脚连接到地。电容C26的一端接24V外部供电电源，电容C26的另一端与电源芯片U13的6脚连接，电容C25、电容C26为滤波电容。
本实施例中，所述转速采集模块2包括频压转换电路和转速超速停机电路。
如图6所示，本实施例中，所述频压转换电路包括频压转换芯片U15及第五外围电路，其中，第五外围电路电容C5、电容C6、电阻R101、电阻R103、电阻R104、电阻R89和电阻R91，具体连接关系如下：
所述频压转换芯片U15的1脚分别与电阻R89和电阻R91的一端连接，电阻R89和R91分别连接信号VR1和VR2，VR1和VR2为两路外部实时转速输入信号；频压转换芯片U15的2脚经电容C5接地，频压转换芯片U15的3脚经电容C6接地，电阻R103与电容C5并联，频压转换芯片U15的4脚经电阻R104后接地，频压转换芯片U15的5脚和6脚经电阻R101接12V电源，其中，电容C5和电阻R103用来配置输入频率对应电压值，使得实际柴油机转速范围满足输入电压范围，电阻R89和电阻R91用来灵活选择外部转速输入通道，提供多通道转速输入功能。
如图7所示，本实施例中，所述转速超速停机电路包括比较器U17及第六外围电路，第六外围电路包括电阻R107至电阻R114、电阻R117-电阻R120、二极管D6、电容C7至电容C9、三极管Q3和三极管Q5，具体连接关系如下：
所述比较器U17的3脚经电阻R112与电阻R111的一端连接，电阻R111的另一端与频压转换芯片U15的7脚连接；所述比较器U17的3脚还经电阻R117、电阻R108与12V电源连接；电阻R117和电阻R108的连接点经电阻R109后接地；所述比较器U17的1脚经电阻R114与电阻R112和电阻R111的连接点连接；所述比较器U17的1脚还经电阻R120与电阻R117和电阻R108的连接点连接；所述比较器U17的2脚接地；所述比较器U17的4脚经电阻R113、电阻R118、电阻R119与三极管Q5的基极连接，电阻R119与三极管Q5的基极的连接点经电容C9后接地；所述比较器U17的4脚还经电阻R113、电阻R110与三极管Q4的基极连接，电阻R110与三极管Q4的基极的连接点经电容C8后接地；三极管Q4的集电极分别与电阻R106和二极管D6的正极连接, 二极管D6的负极及三极管Q5的集电极均为PID out脚；所述比较器U17的4脚还经电阻R107接5V电源；所述比较器U17的5脚经电阻R105接5V电源；所述比较器U17的5脚还经电容C7接地；所述电阻R108和电阻R109用来配置超速停机转速对应电压值，当外部输入转速对应电压值F-Vout大于设定停机值时，比较器U17输出电平发生转换，控制功率放大模块执行停机动作。
本实施例中，所述转速设定模块3包括启动油量设定电路、启动成功速度设定电路和怠速-额定切换电路。
如图8所示，本实施例中，所述启动油量设定电路包括比较器U19及第七外围电路，所述第七外围电路包括电阻R100、电阻R99、与非门U14、三极管Q3、可变电位计R69、电阻R97、电阻R95、电阻R92、电阻R80、电阻R74、电阻R121、电阻R102、电阻R94、电阻R71、电阻R72、电阻R67、电阻R63、电容C11、电容C12、电容C18和二极管D7，具体连接关系如下；
比较器U19的3脚依次经电阻R95、电阻R100接12V电源，电阻R95和电阻R100的连接点经电阻R99后接地；比较器U19的3脚还经电阻R80与电阻R97的一端连接, 电阻R97的另一端与频压转换芯片U15的7脚连接；比较器U19的1脚经电阻R92与电阻R95和电阻R100的连接点连接，比较器U19的1脚还经电阻R74与电阻R97和电阻R80的连接点连接；比较器U19的5脚经电容C11接地，比较器U19的5脚还经电阻R121接5V电源；比较器U19的4脚经电阻R102后接5V电源；比较器U19的4脚还与与非门U14的1脚连接；与非门U14的3脚接地，与非门U14的5脚经电阻R94后接5V电源，与非门U14的5脚经电容C12后接地；与非门U14的4脚经电阻R71、电阻R67、电容C18后接地；电阻R67和电容C18的连接点与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的集电极经电阻R72接12V电源，三极管Q3的集电极经可变电位计R69、电阻R63接地；可变电位计R69的滑动端经与二极管D7的正极连接, 二极管D7的负极为PID out脚。其中，所述电阻R100和电阻R99用来设定启动油量起作用的速度点，当柴油机转速超过设定速度点时，与非门U14输出低电平，三极管Q3关断，启动油量可通过可变电位计R69进行调节。
如图9所示，本实施例中，所述启动成功速度设定电路包括比较器U16及第八外围电路，所述第八外围电路包括电阻R62、电阻R64、电阻R66、电阻R127、电阻R128、电阻R125、电阻R70、电容C16、电阻R2和电阻R1，具体连接关系如下：
比较器U16的3脚经电阻R127、电阻R64接12V电源；电阻R127和电阻R64的连接点经电阻R62后接地；比较器U16的3脚还经电阻R128与电阻R66的一端连接, 电阻R66的另一端与频压转换芯片U15的7脚连接；比较器U16的1脚经电阻R2与电阻R127和电阻R64的连接点连接；比较器U16的1脚经电阻R125与电阻R66和电阻R128的连接点连接；比较器U16的5脚经电容C16后接地；比较器U16的5脚经电阻R70后接5V电源；比较器U16的4脚经电阻R1后接5V电源，其中，比较器U16的4脚与电阻R1的连接点为OUTB输出端；比较器U16的4脚还与非门U14的2脚连接。其中，电阻R64和电阻R62用来设定启动成功速度点，当柴油机转速超过设定点时，与非门U14输出高电平，三极管Q3打开，启动油量功能被屏蔽，转速设定由怠速调节和额定速度调节来确定。
如图10所示，本实施例中，所述怠速-额定切换电路包括运算放大器U18、运算放大器U9及第九外围电路；第九外围电路包括电阻R122、电阻R115、电阻R90、电阻R79、电阻R129、电阻R124、可变电阻R126、电阻R123、电阻R116、电阻R96、电阻R3、电阻R81、可变电阻R68、电阻R65和二极管D8,具体连接关系如下：
运算放大器U18的2脚经电阻R123、可变电阻R126、电阻R129接Switch，可变电阻R126和电阻R129的连接点经电阻R124后接地；运算放大器U18的1脚还经电容C10与运算放大器U18的6脚连接；运算放大器U18的3脚经电阻R122接12V电源；运算放大器U18的3脚还经电阻R115后接地；运算放大器U18的4脚经电阻R98后接-12V电源；运算放大器U18的7脚经电阻R116接12V电源；运算放大器U18的6脚经电阻R96与运算放大器U9的2脚连接；运算放大器U9的2脚还经电阻R93与运算放大器U9的6脚连接；运算放大器U9的3脚经电阻R90后接地；运算放大器U9的4脚经电阻R79后接-12V电源；运算放大器U9的7脚经电阻R81后接12V电源；运算放大器U9的6脚经可变电阻R68、电阻R65后接地，可变电阻R68的滑动端与二极管D8的正极连接，二极管D8的负极作为Target输出脚。其中，电阻R126和电容C10的大小直接影响怠速-额定切换时间（电阻R126和电容C10越大，怠速-额定切换时间越长），switch切换信号接5V电源开关，当switch信号为5V时，开始执行怠速-额定切换动作，等待积分时间结束，完成切换，额定速度设定通过可变电阻R68进行调节设定。
本实施例中，本实施例中，所述PID调速模块4包括转速偏差计算电路、比例计算电路、积分计算电路、微分计算电路和PID信号处理电路。
如图11所示，本实施例中，所述转速偏差计算电路包括运算放大器U1、运算放大器U4、第十外围电路和第十一外围电路；所述运算放大器U1及第十外围电路连接组成信号取反电路，所述运算放大器U4与第十一外围电路连接组成加法电路，用于计算目标转速信号和实际转速信号的转速差；其中，所述第十外围电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R10、电阻R12和电阻R14；所述第十一外围电路包括电阻R17、电阻R21、电阻R24、电阻R19、电阻R27、电阻R29、电阻R34和电阻R31；连接关系如下：
运算放大器U1的2脚经电阻R6分别与电阻R3和电阻R4的一端连接。电阻R3的另一端与二极管D8的负极连接，电阻R4的另一端与频压转换芯片U15的7脚连接；运算放大器U1的2脚还经电阻R7后运算放大器U1的6脚连接；运算放大器U1的3脚经电阻R10后接地；运算放大器U1的4脚经电阻R14后接-12V电源；运算放大器U1的7脚经电阻R12后接12V电源；运算放大器U1的6脚还经电阻R19与运算放大器U4的2脚连接；运算放大器U4的2脚经电阻R24后分别与电阻R17、电阻R21的一端连接，电阻R17的另一端与二极管D8的负极连接，电阻R21的另一端与频压转换芯片U15的7脚连接；运算放大器U4的3脚经电阻R29后接地；运算放大器U4的4脚经电阻R34接-12V电源；运算放大器U4的7脚经电阻R31后接12V电源；运算放大器U4的6脚用于与比例计算电路的可变电阻R5、积分计算电路的可变电阻R23以及微分计算电路的电阻R37连接。
如图12所示，本实施例中，所述比例计算电路包括运算放大器U2及第十二外围电路，其中，第十二外围电路包括可变电阻R5、电阻R8、电阻R9、电阻R11、电阻R15和电阻R13，具体连接关系如下：
运算放大器U2的2脚与可变电阻R5的第一固定端和滑动端连接, 可变电阻R5的第二固定端与运算放大器U4的6脚连接；运算放大器U2的2脚还经电阻R8与电阻R5的一端连接，电阻R8与电阻R9的连接点与运算放大器U2的6脚连接；运算放大器U2的6脚输出比例计算信号，与图15中的电阻R16连接；运算放大器U2的3脚经电阻R11后接地；运算放大器U2的4脚经电阻R15后接-12V；运算放大器U2的7脚经电阻R13后接12V。比例计算电路用于可将转速偏差信号进行比例换算，比例大小由可变电阻R5和电阻R8确定。
如图13所示，本实施例中，所述积分计算电路包括U5及第十三外围电路，第十三外围电路包括可变电阻R23、电阻R25、电阻R30、电阻R35、电阻R26、电阻32和电容C1，具体连接关系如下：
运算放大器U5的2脚经电阻R25、与可变电阻R23的第一固定端和滑动端连接，可变电阻R23的第二固定端与运算放大器U4的6脚连接；运算放大器U5的2脚还经电容C1与电阻R26的一端连接，电容C1与电阻R26的连接点与运算放大器U5的6脚连接；运算放大器U5的6脚输出积分计算信号，电阻R26的另一端与图15中的电阻R16连接；运算放大器U5的3脚经电阻R30后接地；运算放大器U5的4脚经电阻R35后接-12V；运算放大器U5的7脚经电阻R32后接12V。用于将转速偏差信号进行积分运算，积分常数由可变电阻R23和电容C1确定。
如图14所示，本实施例中，微分计算电路包括运算放大器U6及第十四外围电路，所述第十四外围电路包括可变电阻R40、电阻R37、电阻R38、电阻R39、电阻R45、电阻47、电阻R46和电容C2，第十四外围电路与运算放大器U6的连接关系如下：
运算放大器U6的2脚经电容C2与电阻R37的一端连接，电阻R37的另一端与运算放大器U4的6脚连接；运算放大器U6的2脚还经电阻R38、可变电阻R40与运算放大器U6的6脚连接；运算放大器U6的6脚输出微分计算信号，经电阻R39后与图15中的电阻R16连接；运算放大器U6的3脚经电阻R45后接地；运算放大器U6的4脚经电阻R47后接地；运算放大器U6的7脚经电阻R46后接12V。
微分计算电路用于将转速偏差信号进行微分运算，微分常数由电容C2和电阻R40确定。
如图15所示，本实施例中，所述PID信号处理电路包括运算放大器U3及第十五外围电路、运算放大器U8及第十六外围电路，其中，第十五外围电路包括电阻R16、电阻R18、电阻R20、电阻R22；所述十六外围电路包括电阻28、电阻R33、电阻R36、电阻R41、电阻R44、电阻R42、电阻R49、电阻50、电阻R51、电阻R52、电阻R53、电阻R55、电阻R57、电容C3、二极管D1和三极管Q1,各元器件的连接关系如下：
运算放大器U3的2脚经电阻R16与运算放大器U3的6脚连接；运算放大器U3的3脚经电阻R18后接地；运算放大器U3的4脚经电阻R22后接-12V电源；运算放大器U3的7脚经电阻R20后接12V电源；运算放大器U3的6脚还经电阻R28、电阻R33后与运算放大器U8的3脚连接，电阻R28和电阻R33的连接点经电阻R36后接地；运算放大器U8的3脚还经电阻R51、电阻R49后接12V电源，电阻R51和电阻R49的；连接点接地；运算放大器U8的4脚经电阻R57后接-12V电源；运算放大器U8的2脚经电阻R50后接地；运算放大器U8的2脚经电阻R52与运算放大器U8的6脚连；运算放大器U8的6脚与三极管Q1的集电极连接；三极管Q1的集电极与二极管D1的正极连接，二极管D1的负极为PID out脚；三极管Q1的基极经电阻R42分别与电阻R41和电阻R44的一端连接，电阻R41的另一端与图9中的OUTB连接，电阻R44的另一端与图15中的OUTB-连接，OUTB-为信号OUTB经过与非门芯片U20处理后输出的OUTB取反信号, 与非门芯片U20的5脚经电阻R130接5V电源，与非门芯片U20的5脚还经电容C27接地；三极管Q1的基极还经电容C3后接地。
运算放大器U3及第十五外围电路用于将转速偏差信号的比例、积分、微分运算信号进行求和；因为PID信号范围为-12V~12V，功率放大模块的输入信号要求为0~12V，所以通过运算放大器U8及第十六外围电路对PID信号进行处理转换成0~12V对应信号。
如图16所示，本实施例中，功率放大模块5包括运算放大器U7以及第十七外围电路；所述第十七外围电路包括电阻R43、电阻R48、电阻R56、电阻R59、电阻R60、电阻R61、电阻R58、电阻R54、电容C4和MOS管Q2，各元器件的连接关系如下：
运算放大器U7的2脚经电容C4与运算放大器U7的7脚连接；运算放大器U7的2脚与电阻R59的一端连接，运算放大器U7的2脚还经电阻R60、电阻R61后接地；电阻R60和电阻R61的连接点与MOS管Q2的源极连接，MOS管Q2的栅极经电阻R58后与运算放大器U7的6脚连接；MOS管Q2的漏极与控制电流输出引脚Current-连接；运算放大器U7的3脚经电阻R43接12V电源；运算放大器U7的3脚还经电阻R48后接地；运算放大器U7的4脚经电阻R56后接-12V电源；运算放大器U7的7脚经电阻R54后接电源12V。电阻R43、电阻R48、电阻R59、电阻R60通过配置可以确定输出控制电流电压范围，电阻R61可确定输出控制电流大小，MOS管Q2由运算放大器U7进行开断控制以实现控制电流输出。
本实施例的工作原理如下：
柴油机数字式电子调速器控制模块采用转速环PID控制策略，控制模块采集当前柴油机的实际转速，并与设定转速相比较进入PID控制器，保证柴油机模拟式电子调速器能根据转速变化实时控制执行机构动作，改变柴油机供油量。
本实施例中，所述电源芯片U10、电源芯片U11、电源芯片U12和电源芯片U13的型号均为TPS5450。所述频压转换芯片U15的型号为LM2907；所述比较器U17的型号均为LMV331。所述比较器U19、比较器U16的型号为LMV331；所述运算放大器U18、运算放大器U9的型号为TL081。与非门U20的型号为SN74LVC1G00。
本实施例中，所述运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、运算放大器U4、运算放大器U5、运算放大器U6、运算放大器U8的型号均为TL081。
本实施例中，所述运算放大器U7的型号为TL081。

Claims (10)

1.一种柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：包括电源模块（1）、转速采集模块（2）、转速设定模块（3）、PID调速模块（4）和功率放大模块（5）；
所述电源模块（1）用于给其他功能模块产生工作电压，该电源模块（1）分别与转速采集模块（2）、转速设定模块（3）、PID调速模块（4）以及功率放大模块（5）连接；
所述转速采集模块（2）用于采集外部输入转速信号；
所述转速设定模块（3）具有可调电位计和切换开关，通过可调电位计和切换开关确定目标转速信号，并输出该目标转速信号与转速采集模块（2）输出的采集转速信号进行偏差计算形成转速偏差信号，该转速设定模块（3）分别与转速采集模块（2）和PID调速模块（4）连接；
所述PID调速模块（4）用于接收来自转速采集模块（2）和转速设定模块（3）偏差计算之后的转速偏差信号，并将其进行PID计算后输出至功率放大模块（5），该PID调速模块（4）和功率放大模块（5）连接；
所述功率放大模块（5）用于接收来自PID调速模块（4）计算后的指令信号，并将其进行功率放大和大小范围限定，然后输出指令信号控制调速器执行器进行调速动作。
2.根据权利要求1所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述电源模块（1）包括12V工作电压生成电路、-12V工作电压生成电路、5V工作电压生成电路和3.3V工作电压生成电路；
所述12V工作电压生成电路包括电源芯片U10以及与电源芯片U10相连接的第一外围电路，用于产生功能模块所需工作电压12V；
所述-12V工作电压生成电路包括电源芯片U11以及与电源芯片U11相连接的第二外围电路，用于产生功能模块所需工作电压-12V；
所述5V工作电压生成电路包括电源芯片U12以及与电源芯片U12相连接的第三外围电路，用于产生功能模块所需工作电压5V；
所述3.3V工作电压生成电路包括电源芯片U13以及与电源芯片U13相连接的第四外围电路，用于产生功能模块所需工作电压3.3V。
3.根据权利要求2所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述转速采集模块（2）包括频压转换电路以及与频压转换电路连接的转速超速停机电路；
所述频压转换电路包括频压转换芯片U15及第五外围电路，所述第五外围电路包括分别与频压转换芯片U15连接的电容C5、电容C6、电阻R89、电阻R91、电阻R101、电阻R103和电阻R104，其中，电容C5和电阻R103用来配置输入频率对应电压值，使得实际柴油机转速范围满足输入电压范围，电阻R89和电阻R91用来灵活选择外部转速输入通道，提供多通道转速输入功能；
所述转速超速停机电路包括比较器U17及第六外围电路，所述第六外围电路包括与比较器U17连接的电阻R117，以及分别与电阻R117连接的电阻R108和电阻R109；所述电阻R108和电阻R109用来配置超速停机转速对应电压值，当外部输入转速对应电压值F-Vout大于设定停机值时，比较器U17输出电平发生转换，控制功率放大模块（5）执行停机动作。
4.根据权利要求1至3任一所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述转速设定模块（3）包括启动油量设定电路、启动成功速度设定电路和怠速-额定切换电路；
所述启动油量设定电路包括比较器U19及第七外围电路，所述第七外围电路包括分别与比较器U17连接的电阻R92和与非门U14，以及分别与电阻R92连接的电阻R99和电阻R100，与与非门U14连接的三极管Q3，以及与三极管Q3连接的可变电位计R69；所述电阻R100和电阻R99用来设定启动油量起作用的速度点，当柴油机转速超过设定速度点时，与非门U14输出低电平，三极管Q3关断，启动油量可通过可变电位计R69进行调节；
所述启动成功速度设定电路包括比较器U16及第八外围电路，所述第八外围电路包括与比较器U16连接的电阻R2，以及分别与电阻R2连接的电阻R64和电阻R62；所述电阻R64和电阻R62用来设定启动成功速度点，当柴油机转速超过设定点时，与非门U14输出高电平，三极管Q3打开，启动油量功能被屏蔽，转速设定由怠速调节和额定速度调节来确定；
所述怠速-额定切换电路包括运算放大器U18、运算放大器U9及第九外围电路；第九外围电路包括分别与运算放大器U18连接的电阻R122、电阻R115、电阻R123、电容C10、电阻R96、以及与电阻R123连接的可变电位器R126；可变电位器R126经电阻R129接Switch信号，所述运算放大器U9的2脚经电阻R96与运算放大器U18连接；运算放大器U9的6脚与可变电阻R68连接；其中，电阻R126和电容C10的大小直接影响怠速-额定切换时间，switch切换信号接5V电源开关，当switch信号为5V时，开始执行怠速-额定切换动作，等待积分时间结束，完成切换，额定速度设定通过可变电阻R68进行调节设定。
5.根据权利要求4所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述PID调速模块（4）包括转速偏差计算电路、比例计算电路、积分计算电路、微分计算电路和PID信号处理电路；
所述转速偏差计算电路包括运算放大器U1、运算放大器U4、第十外围电路和第十一外围电路；所述运算放大器U1及第十外围电路连接组成信号取反电路，所述运算放大器U4与第十一外围电路连接组成加法电路，用于计算目标转速信号和实际转速信号的转速差；
所述比例计算电路包括运算放大器U2及第十二外围电路，所述第十二外围电路包括分别与运算放大器U2连接的可变电阻R5和电阻R8；用于将转速偏差信号进行比例换算，比例大小由电阻R5和电阻R8确定；
所述积分计算电路包括运算放大器U5及第十三外围电路，所述第十三外围电路包括分别与运算放大器U5连接的电容C1、电阻R25,以及与电阻R25连接的可变电阻R23，用于将转速偏差信号进行积分运算，积分常数由可变电阻R23和电容C1确定；
所述微分计算电路包括运算放大器U6及第十四外围电路，所述第十四外围电路包括分别与运算放大器U6连接的电容C2和电阻R38,以及与电阻R38连接的可变电阻R40,用于将转速偏差信号进行微分运算，微分常数由电容C2和可变电阻R40确定；
所述PID信号处理电路包括运算放大器U3及第十五外围电路、运算放大器U8及第十六外围电路，所述运算放大器U3及第十五外围电路用于将转速偏差信号的比例、积分、微分运算信号进行求和；所述运算放大器U8及第十六外围电路用于对PID信号进行处理转换成0~12V对应信号。
6.根据权利要求1或2或3或5所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述功率放大模块（5）包括运算放大器U7以及第十七外围电路，所述第十七外围电路包括分别与运算放大器U7连接的电阻R43、电阻R48、电阻R59、电阻R60，以及与电阻R60连接的电阻R61,以及与电阻R61连接的MOS管Q2；所述电阻R43、电阻R48、电阻R59、电阻R60通过配置以确定输出控制电流电压范围，电阻R61用于确定输出控制电流大小，MOS管Q2由运算放大器U7进行开断控制以实现控制电流输出。
7.根据权利要求2所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述第一外围电路包括电容C13、电容C14、电容C15、二极管D4、电感L1、电阻R73、电阻R75和电阻R76，第一外围电路与电源芯片U10的连接关系如下：
电源芯片U10的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U10的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C13，电源芯片U10的4脚经电阻R73、电感L1接电源芯片U10的8脚，电源芯片U10的4脚还经电阻R75、电阻R76后接地，电源芯片U10的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R73、电阻R75、电阻R76输出12V电压，电源芯片U10的0脚和6脚连接到地；电容C14的一端与电阻R73和电感L1的连接点连接，电容C14的另一端接地；电容C15的一端接24V外部供电电源，电容C15的另一端与电源芯片U10的6脚连接，电容C14、电容C15为滤波电容；二极管D4的正极与电源芯片U10的0脚连接，二极管D4的负极与电源芯片U10的8脚连接。
8.根据权利要求2或7所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述第二外围电路包括电容C19、电容C20、电容C17、二极管D2、电感L2、电阻R77、电阻R78和电阻R82，第二外围电路与电源芯片U11的连接关系如下：
电源芯片U11的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U11的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C17；电源芯片U11的4脚经电阻R77、电感L2与电源芯片U11的8脚连接，电阻R77与电感L2的连接点接地，电源芯片U11的4脚还经电阻R78、电阻R82、电容C19后接地，电源芯片U11的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R77、电阻R78、电阻R82输出-12V电压，电源芯片U10的0脚和6脚接地，电源芯片U11的6脚经电容C20接24V外部供电电源，电容C19、电容C20为滤波电容；二极管D2的正极与电源芯片U11的0脚连接，二极管D2的负极与电源芯片U11的8脚连接。
9.根据权利要求8所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述第三外围电路包括电容C21、电容C22、电容C23、二极管D3、电感L3、电阻R83、电阻R84和电阻R86，第三外围电路与电源芯片U12的连接关系如下：
电源芯片U12的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U12的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C21，电源芯片U12的4脚经电阻R83、电感L3与电源芯片U12的8脚连接，电源芯片U12的4脚还经电阻R84和电阻R86后接地，电源芯片U12的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R83、电阻R84、电阻R86输出5V电压，电源芯片U12的0脚和6脚连接到地，电源芯片U12的6脚经电容C23接24V外部供电电源，电容C22的一端与电阻R83与电感L3的连接点连接，电容C22的另一端接地，电容C22、电容C23为滤波电容。
10.根据权利要求9所述的柴油机模拟式电液调速器控制模块，其特征在于：所述第四外围电路包括电容C25、电容C24、电容C26、二极管D5、电感L4、电阻R85、电阻R87和电阻R88，第四外围电路与电源芯片U13的具体连接关系如下：
电源芯片U13的7脚连接24V外部供电电源，电源芯片U13的1脚和8脚连接用于Boost升压的电容C24，电源芯片U13的4脚经电阻R85、电感L4与电源芯片U13的8脚连接，电源芯片U13的4脚还经电阻R87和电阻R88后接地，电容C25的一端接地，电容C25的另一端与电感L4和电阻R85的连接点连接；电源芯片U13的4脚提供输出参考电压1.23V，通过外围分压配置电阻R85、电阻R87、电阻R88输出3.3V电压，电源芯片U13的0脚和6脚连接到地；电容C26的一端接24V外部供电电源，电容C26的另一端与电源芯片U13的6脚连接，电容C25、电容C26为滤波电容。
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