柴油发电机数字调速控制器设计思路简介.doc

兰州理工大学毕业设计论文简介
柴油发电机数字调速控制器设计
电气工程及其自动化 指导教师　
摘 要
目前,柴油发电机组的控制系统大部分采用以分立元器件为基础的模拟系统,技术性能指标较差。为了使控制系统在性能指标和可靠性方面有质的提高,需要在控制思想、控制算法、控制系统的实现手段上进行全面技术改造。近几年来,随着自动控制理论、微电子技术以及电力电子技术的迅速发展,许多与柴油发电机组相关的理论和技术己经应用到工程实践中,传统的模拟式控制器已逐步被性能更为优越、结构更为简单的数字式控制器所取代。介绍了TMS320F2812 DSP的特性,并提出了基于TMS320F2812 DSP的柴油发电机组数字控制器的设计方案。
本文首先对柴油发电机组电控化方面的发展和控制系统的现状进行了介绍。第二章对智能控制器的硬件进行总体设计。主要是转速控制模块、显示模块 报警模块以及键盘处理模块。对于转速控制模块，我们主要用到DSP的事件管理功能来测量转速，并通过硬件电路来产生PWM信号驱动执行器。A/D模块我们用DSP自带的A/D模块，实现电压，电流以及频率的测量。显示模块我们采用串行的液晶模块通过RS232接口和DSP相连，实现测量数据的实时显示。该方案是利用高性能芯片为核心的新型控制系统。

关键词：控制器;柴油发电机;调速;模糊控制；
Abstract
At present, diesel generating sets the control system of the separation of the basis of simulation system components, technical performance index is poorer. In order to make the control system in performance index and improve the quality reliability, need to be in control, control algorithm, the realization of the control system of comprehensive measures technical reform. In recent years, the automatic control theory, microelectronics technology and power electronic technology rapid development, many with diesel generating sets related theory and technology has been applied to engineering practice, the traditional analog controller has gradually been is superior, structure is more simple digital controller replaced. Introduces the characteristics of TMS320F2812 DSP, and put forward based on TMS320F2812 DSP diesel generating sets digital controller design scheme.
This paper first to diesel generating sets of electric control aspects of the development of the present situation of and control system are introduced. The second chapter to the intelligent controller hardware for the overall design. Mainly is the speed control module, display module alarm module and the keyboard processing module. For speed control module, we mainly use DSP event management function to measure speed, and through the hardware circuit to create PWM signal driven actuators. A/D module with our own DSP the A/D module, realize the voltage, current and frequency measurement. Display module we adopt LCD module through RS232 serial interface and DSP is linked together, realize the measurement data real-time display. The scheme is use high-performance chips as the core of the new control system.

一、前言
目前，柴油发电机上的调速装置是离心式机械调速器。虽然其结构简单、安全可靠、维修方便、成本低廉，但是也存在着明显缺点：首先，从控制角度讲，它相当于一种比例控制器，存在调节静差，当负荷变化时，调速弹簧力和飞块离心力的平衡点也随着变化，稳定后的转速不等于原转速；其次，调速器中存在着机械传动摩擦，运行时，飞块离心力因需克服摩擦力而产生调节滞后，滞后较大时，会造成柴油发电机转速波动较大，从而影响输出电能质量；再次，机械调速器功能单一，不能实现复杂的控制功能，也就不能充分发挥柴油发电机的工作性能。对于柴油机来说，在其燃烧室及进排气系统已确定的情况下，借助于调节控制技术的改进能使柴油机在整个运行范围内都处于较佳的工作状态，提高小型柴油机的工作性能。因此，研制一款适用于柴油机的电子调速装置，可以优化柴油机的动力性能、改善燃油使用经济性、控制排放和噪声，延长零件的使用寿命，使柴油机从怠速至额定转速范围内均能获得较佳的工作状态，从而提高柴油发电机的工作性能。
二、系统设计
本系统包括：主控模块、转速控制模块、显示模块、报警模块以及键盘部分的设计。系统整体电路框图见图1所示。
1 处理器：TMS320F2812是TI公司专门用于控制的一款高性能、多功能、高性价比的定点32位DSP处理芯片。该芯片与TMSLF2407指令兼容系统，最高可以150MHz主频工作，并带有18K*16位零等待周期的片内SRAM和128K*16位片内FLASH该器件还有3个独立的的32为CPU定时器，以及56个独立编程的GPID引脚,还可以扩大于1M*16位程序和数据存储器。该芯片上外设主要包括16路12位精度的ADC，2路SCI,1路SPI,1路McBSP，1路Ecan,以及两个事件管理模块等，每个事件管理模块包括6路PWM/CMP，2路QEP，3路CAP和2路16位的定时器。
2转速控制：柴油机的速度控制对输出电的品质有极大的影响，因此必须进行准确的速度控制。柴油发电机组调速的基本原理是通过速度信号传感器检测出转速的变化，通过电子调速器的控制，有执行器带动油门拉杆，调节供油量大小，从而实现转速的控制。如图2
3 报警单元：当温度或湿度达到最高或最低报警限时，此时报警信号产生。系统采用三极管驱动的蜂鸣音报警，当温湿度严重超标或出现火情、遇盗时，系统做出声光报警，同时记录并打印事故出现的时间、控制点等情报，并能启动适当应急措施。
4 显示单元：采用LCD显示输入值和相应的转速。
图1 系统整体电路框图

图2 转速的控制
三、系统硬件设计
以微处理器为核心的控制系统是柴油发电机组控制系统的发展趋势，我们采用以DSP为核心的控制系统，实现对柴油发电机组的参数检测，同时对发电机组的转速进行闭环控制，特点是所有控制通过控制程序来完成，总的来说转速控制分为三部分，转速的输入，控制调节，和执行器的输出，我们通过测得的转速来调整输出，算法上采用数字PID控制，这是比较成熟的算法。我们要实现的是控制器要有以下功能:
1）对转速实现闭环的PID控制。
2）对柴油发电机组的状态参数的检测和显示。
3）通过键盘对PID参数进行设置。
4）对电流过大、频率，电压过高进行报警和跳闸保护。
四、电源设计
电源系统设计在实际开发单片机应用系统中占有很重要的位置。由于很多实际应用系统工作环境比较复杂，所以电源设计就有很高的要求，既要稳定，又要有很高的抗干扰能力。对于要求较高的系统，通常电源选择比较可靠的专业厂家设计的稳压电源系统。根据硬件设计的要求，DSP2812所需的工作电源为+3.3V和1.8V，而LCD，MAX485要求的工作电源为+5V。所以要设计满足本系统所需芯片的工作电压设计电源如下图3所示：。

图3 电源电路图
五、软件分析
要完成系统要求的任务，在一个良好的硬件基础上，还需要优良的软件设计。系统软件是整个系统的核心，它将控制规律、控制算法以及整个系统资源紧密地连接在一起完成调速功能，它决定了系统的性能。系统软件主要由开机油门复位、转速检测、输出功率检测、油门调节和保护子程序组成
六、结论
本文通过对柴油发电机组的研究，设计了基于柴油发电机组的控制器，实现转速控制和状态参数的监测，完成了硬件设计和软件设计，同时进行了系统的仿真研究，通过对系统的研究开发，得出以下结论:
1 柴油发电机组的数字调速器比传统的模拟调速器可靠性更高，适应性强，动态响应快，控制精度也更高，同时抗干扰能力也更强。同时主要是通过软件实现调速功能，升级也更方便。
2 本文采用TMS32OLF240A7为核心设计了柴油发电机组的硬件系统，通过CCS开发环境，用C语言开发DSP应用程序实现了柴油发动机组的转速闭环控制和各部分功能模块的实现，由于各部分都是通过软件实现的，所以有很强的适应性。
3 完成了柴油发动机组的状态参数的实时的检测和显示。这是通过DSP的A/D模块对柴油发动机组的水温和油压进行实时检测，水温水压通过传感器经过运放和滤波电路进入DSP的AD/模块的，通过DSP处理后再通过DSP的SC工模块实现液晶显示。
4 由于柴油发电机组具有非线性和时变性，并且其数学模型不是十分精确，常规PID不能对其进行很好的控制，本文采用模糊自适应PID控制，系统的响应速度更快，超调量更小，调速精度更高，并且环境适应性更强，大大地提高了系统的整体性能。
5 在建立柴油发动机组模型的基础上，建立柴油发动机组的仿真系统框图，对柴油发动机组的转速控制算法进行了仿真研究。比较了常规PID控制和不完全微分，变速积分，和模糊自适应P工D控制的仿真效果，通过对系统进行仿真有助于我们对柴油发电机组调速系统的快速理解，并初步的分析出我们需要的控制参数，对系统的研究有积极作用。

参考文献
⑴ 宋宜海. 柴油发电机组数字调速系统的设计与分析[J]. 农村实用科技信息，2011.8
⑵ 吕海卫等. 基于DSP的柴油发电机组数字控制器设计[J]. 电机与控制应用，2008.3
⑶ 史际昌. “双脉冲式”柴油发电机组数字调速器的设计与仿真研究[J]. 大连海事大学学报，1996.1
⑷ 沈 杰等. 一种模数复合的柴油机调速控制器的研究与实现[J]. 微型电脑应用，2011.4
⑸ 胡明江等. 柴油机电子调速器的研究现状及发展趋势[J]. 河南科技大学学报，2003.4
⑹ 王兆安等. 电力电子变流技术[M]. 机械工业出版社
⑺ http:/，中国自动化网
⑻ 苏石川等. 现代柴油发电机组的应用与管理[M]. 化学工业出版社，2005
⑼ http:/，中国工控网
⑽ 严 春等. 柴油发电机组[M]. 人民邮电出版社，2003

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