电子调速器系统的角位移传感器设计

[摘 要]：介绍了柴油机电子调速器系统的控制方案，采用差动变压器工作原理，对角位移传感器进行了结构及信号调理电路设计。并通过角位移传感器与角位移电磁执行器匹配，电子调速器系统的内环和外环3个模拟实验，得到了角位移传感器最佳工作性能参数，证实了电子调速系统稳态和动态响应性能指标完全满足柴油机正常调速的要求。 0 引 言 针对柴油机电子调速器使用特点，常见的位移传感器有电涡流、电感差动、电阻式等，它们常用于测量直线位移，对于测量角位移则很少使用；目前，在柴油机电子调速器系统中，用于测量位移的是电感差动式位移传感器，但其尚存在以下不足：体积大、励磁稳定性差、零点不易处理及电路复杂造成的精度低、可靠性差。这都不适应柴汕机电子调速器高精度、高可靠性要求。因此，位移传感器性能的提高已成为提高电子调速器性能的关键所在。本文按照柴油机电子调速器对角位移传感器部分性能参数指标要求：最大角位移为：±25°；输出电压为±5V；线性度为0.％；最大动态响应时间常数为0.5s。以差动变压器原理为基准，设计了一种新型的角位移传感器，用于对电子调速器系统的角位移进行测量；所设计的角位移传感器具有体积小、信号调理电路完善等优点。通过其与角位移电磁执行器匹配实验，得出其最佳的性能参数；通过电子调速器系统内环、外环模拟实验，验证了其所处的整个电子调速系统动态响应达到0.5s。线性度为0.％。具有一定的工程应用价值。 1 电子调速器系统工作原理 电子调速器控制方案如图l所示。柴油机电子调速系统由位移传感器、转速传感器和执行机构、PID控制模块、电位器以及压频转换电路模块（相当于柴油机）等组成，由外环和内环组成双闭环PID控制模块来进行控制。外环由给定的柴油机转速n1和检测到的柴油机转速n2进行比较，由外环PID进行控制调整。其输出为喷油泵齿条位置的给定值信号，送给内环PI控制模块。内环作用是根据外环给定信号位移与由检测系统测定齿条的实际位置信号的差值进行控制，通过执行器控制电路作用于执行机构，对齿条位置进行调整，进而控制喷油泵的喷油量，最终，达到调速n。 2 角位移传感器设计 柴油机电子调速器对角位移高性能的测量要求是由角位移传感器的位移传感元件和信号调理电路这两部分来保障。因此，角位移传感器设计应分为位移传感元件设计和信号调理转换电路设计。 2．1 结构设计 根据差动变压器工作原理，本文将差动变压器应用于角位移传感器设计。角位移传感器线圈组合及其圆盘示意图如图2所示。线圈组合由一个初级线圈和2个对称的次级线圈、底座和骨架等构成，骨架采用圆柱形绝缘材料制成，选用直径D=0.1mm的绝缘漆包线均匀绕制（初级线圈匝数为320，2个次级线圈的匝数均为640）。3个线圈由铁芯和底座固定，并形成磁路的一部分。偏心圆盘（相当于直线式差动变压器的铁芯）和轴固定在一起。偏心圆盘处于中间位置时，2个次级线圈的磁感应强度相同。随着轴转动，偏心圆盘随之转动，偏心圆盘转向的那边磁感应强度大于另一边的磁感应强度，因此，输出信号随着偏心圆盘的转动而变化。 2．2 信号调理电路设计 目前，电子调速器中位移信号调理电路多采用相敏检波电路和差动整流电路。前者对电路条件要求苛刻，使检测精度受到影响；后者采用分离元件搭成，不够规范。且其存在集成度低、结构复杂、线性度不良，零点不易处理、元件多、可靠性差等缺点。 图3是角位移传感器控制方框图。图中，角位移传感元件的初级线圈两端分别和位移传感器信号调理电路中的高集成度的新型差动变压器信号调节器AD598的输入端口相连，输入激励电压信号；2个反向连接的次级线圈两端分别与AD598的输出端口相连，产生输出电压信号。为了更好解决零点误差、漂移、迟滞等问题，本文以AD598为核心，设计了角位移传感器信号调理电路，AD598的外围主要包含有三大电路模块。其功能分别为：由于AD598的工作电源采用双极电源±12V，故设计了由二极管、电解电容器、电阻器等元器件构成的滤波保护电路模块对电源进行滤波和保护，从而使调理信号避免电源干扰；由电位器构成信号对称电路模块可调整传感器信号调理后的正负向电压大小与对称性；由电位器、电容器构成的信号放大电路模块对信号调理后的输出电压进行大小调整和进一步滤波；角位移信号调节器AD598本身电路决定激励频率大小和系统频带宽度。该信号处理电路调整方便、适用广。 3 实验验证 3．1 参数匹配实验 由于角位移传感器和角位移电磁执行器（角位移电磁执行器驱动电路设计，请参考文献）是同轴安装，故有体积和工作空间比较小等优点，但安装时两者结构定位、参数匹配比较困难，因此，进行角位移传感器和角位移执行器匹配实验，以检测出零点标定、转动方向及最佳匹配参数。 3.1.1 结构定位 如图2所示，角位移传感器和其偏心圆盘同轴安装，且中心线OOˊ对齐位置，是角位移传感器零点标定位置；偏心转盘相对角位移传感器顺时针旋转方向，是角位移传感器运动正方向；偏心转盘相对角位移传感器逆时针旋转方向，是角位移传感器运动负方向。由于角位移传感器和角位移电磁执行器是同轴安装，且有固定销来固定，因此，角位移电磁执行器零点及转动方向和角位移传感器零点及转动方向相同。 3.1.2 实 验 通过改变位移调理电路的元件、电位器安装角度来调整电子调速器系统的参数匹配。调整结果为：当角位移传感器处于最大负方向位置时，经角位移传感器调理后电压为-5V；输入给压频转换器的电压为0V，其对应柴油机转速为0r/min，角位移电磁执行器转动角度为－32°；当角位移传感器处于最大正方向位置时，经角位移传感器调理后电压为5V；输入压频转换器电压为5V，其对应柴油机转速为3000r／min，角位移电磁执行器转动角度为＋32°；角位移传感器处于零点位置时，经角位移传感器调理后电压为0V；输入给压频转换器电压为2.5V，其对应柴油机转速为1500r/min，角位移电磁执行器转动角度为0°。 角位移电磁执行器从其最大负方向位置向最大正方向位置转动。每转动2°，检测一次角位移传感器的输出电压信号，角位移电磁执行器和角位移传感器的配合性能曲线如图4所示。由图可知，角位移电磁执行器和角位移传感器配合特性基本良好；角位移电磁执行器转动角度θ。在-32～32°之间变化时，角位移传感器输出电压U在－4.5～5.0V之间变化，且呈线性关系，其线性度为0.3％，实验时，观察其动态响应达到0.20s。 3．2 内环实验 如图1所示，内环模块的工作原理是：经外环（PID）控制模块的理论转速与转速传感器反馈转速之差的电压信号Ur与角位移传感器反馈角度信号合成，经内环（PI）控制模块后，来控制角位移电磁执行器转动某个角度θ。内环模块系统性能曲线如图5中的（a）所示。由图可知，转速偏差的电压信号Ur在-5～5V之间变化时，角位移电磁执行器在-32°～32°范围内呈线性转动，线性度为0.％；实验时，观察内环系统动态达0.2s，重复性误差达2.0%，这证明内环系统工作正常。 3．3 外环实验 外环PID控制方案图如图l所示。它表示为给定转速信号n1和转速传感器的反馈信号n2并经一系列处理后经压频转换器输出信f之间的控制关系。外环性能曲线如图5（b）所示。由可图知，给定转速n1的电压信号在0～5V之间变化时，压频转换器的输出频率f在0～6kHz内呈线性变化，线性度为0.4％。实验时，观察外环系统动态响应达0.5s，重复性误差达3.0％，迟滞误差达3.5％，因此，说明外环系统工作正常。 4 结 论 本文以柴油机电子调速器系统模拟实验装置为平台，通过对所研制的角位移传感器与相应的角位移电磁执行器参数配合实验以及电子调速器系统的内环、外环实验、得出如下结论： （1）本文所提出的这种新型角位移传感器，其结构和位移信号调理电路设计非常适合电子调速器使用。同时，也验证出了它的工作最佳参数； （2）所设计的角位移传感器放人电子调速器系统中使用，系统正常工作。动态响应和稳态性能指标能够满足柴油机正常调速的工作要求。