[摘 要]：介紹了柴油機電子調(diào)速器系統(tǒng)的控制方案，采用差動變壓器工作原理，對角位移傳感器進行了結(jié)構(gòu)及信號調(diào)理電路設(shè)計。并通過角位移傳感器與角位移電磁執(zhí)行器匹配，電子調(diào)速器系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)和外環(huán)3個模擬實驗，得到了角位移傳感器最佳工作性能參數(shù)，證實了電子調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)完全滿足柴油機正常調(diào)速的要求。 0 引 言 針對柴油機電子調(diào)速器使用特點，常見的位移傳感器有電渦流、電感差動、電阻式等，它們常用于測量直線位移，對于測量角位移則很少使用；目前，在柴油機電子調(diào)速器系統(tǒng)中，用于測量位移的是電感差動式位移傳感器，但其尚存在以下不足：體積大、勵磁穩(wěn)定性差、零點不易處理及電路復(fù)雜造成的精度低、可靠性差。這都不適應(yīng)柴汕機電子調(diào)速器高精度、高可靠性要求。因此，位移傳感器性能的提高已成為提高電子調(diào)速器性能的關(guān)鍵所在。本文按照柴油機電子調(diào)速器對角位移傳感器部分性能參數(shù)指標(biāo)要求：最大角位移為：±25°；輸出電壓為±5V；線性度為0.％；最大動態(tài)響應(yīng)時間常數(shù)為0.5s。以差動變壓器原理為基準(zhǔn)，設(shè)計了一種新型的角位移傳感器，用于對電子調(diào)速器系統(tǒng)的角位移進行測量；所設(shè)計的角位移傳感器具有體積小、信號調(diào)理電路完善等優(yōu)點。通過其與角位移電磁執(zhí)行器匹配實驗，得出其最佳的性能參數(shù)；通過電子調(diào)速器系統(tǒng)內(nèi)環(huán)、外環(huán)模擬實驗，驗證了其所處的整個電子調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)達到0.5s。線性度為0.％。具有一定的工程應(yīng)用價值。 1 電子調(diào)速器系統(tǒng)工作原理 電子調(diào)速器控制方案如圖l所示。柴油機電子調(diào)速系統(tǒng)由位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和執(zhí)行機構(gòu)、PID控制模塊、電位器以及壓頻轉(zhuǎn)換電路模塊（相當(dāng)于柴油機）等組成，由外環(huán)和內(nèi)環(huán)組成雙閉環(huán)PID控制模塊來進行控制。外環(huán)由給定的柴油機轉(zhuǎn)速n1和檢測到的柴油機轉(zhuǎn)速n2進行比較，由外環(huán)PID進行控制調(diào)整。其輸出為噴油泵齒條位置的給定值信號，送給內(nèi)環(huán)PI控制模塊。內(nèi)環(huán)作用是根據(jù)外環(huán)給定信號位移與由檢測系統(tǒng)測定齒條的實際位置信號的差值進行控制，通過執(zhí)行器控制電路作用于執(zhí)行機構(gòu)，對齒條位置進行調(diào)整，進而控制噴油泵的噴油量，最終，達到調(diào)速n。 2 角位移傳感器設(shè)計 柴油機電子調(diào)速器對角位移高性能的測量要求是由角位移傳感器的位移傳感元件和信號調(diào)理電路這兩部分來保障。因此，角位移傳感器設(shè)計應(yīng)分為位移傳感元件設(shè)計和信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路設(shè)計。 2．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)差動變壓器工作原理，本文將差動變壓器應(yīng)用于角位移傳感器設(shè)計。角位移傳感器線圈組合及其圓盤示意圖如圖2所示。線圈組合由一個初級線圈和2個對稱的次級線圈、底座和骨架等構(gòu)成，骨架采用圓柱形絕緣材料制成，選用直徑D=0.1mm的絕緣漆包線均勻繞制（初級線圈匝數(shù)為320，2個次級線圈的匝數(shù)均為640）。3個線圈由鐵芯和底座固定，并形成磁路的一部分。偏心圓盤（相當(dāng)于直線式差動變壓器的鐵芯）和軸固定在一起。偏心圓盤處于中間位置時，2個次級線圈的磁感應(yīng)強度相同。隨著軸轉(zhuǎn)動，偏心圓盤隨之轉(zhuǎn)動，偏心圓盤轉(zhuǎn)向的那邊磁感應(yīng)強度大于另一邊的磁感應(yīng)強度，因此，輸出信號隨著偏心圓盤的轉(zhuǎn)動而變化。 2．2 信號調(diào)理電路設(shè)計 目前，電子調(diào)速器中位移信號調(diào)理電路多采用相敏檢波電路和差動整流電路。前者對電路條件要求苛刻，使檢測精度受到影響；后者采用分離元件搭成，不夠規(guī)范。且其存在集成度低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線性度不良，零點不易處理、元件多、可靠性差等缺點。 圖3是角位移傳感器控制方框圖。圖中，角位移傳感元件的初級線圈兩端分別和位移傳感器信號調(diào)理電路中的高集成度的新型差動變壓器信號調(diào)節(jié)器AD598的輸入端口相連，輸入激勵電壓信號；2個反向連接的次級線圈兩端分別與AD598的輸出端口相連，產(chǎn)生輸出電壓信號。為了更好解決零點誤差、漂移、遲滯等問題，本文以AD598為核心，設(shè)計了角位移傳感器信號調(diào)理電路，AD598的外圍主要包含有三大電路模塊。其功能分別為：由于AD598的工作電源采用雙極電源±12V，故設(shè)計了由二極管、電解電容器、電阻器等元器件構(gòu)成的濾波保護電路模塊對電源進行濾波和保護，從而使調(diào)理信號避免電源干擾；由電位器構(gòu)成信號對稱電路模塊可調(diào)整傳感器信號調(diào)理后的正負(fù)向電壓大小與對稱性；由電位器、電容器構(gòu)成的信號放大電路模塊對信號調(diào)理后的輸出電壓進行大小調(diào)整和進一步濾波；角位移信號調(diào)節(jié)器AD598本身電路決定激勵頻率大小和系統(tǒng)頻帶寬度。該信號處理電路調(diào)整方便、適用廣。 3 實驗驗證 3．1 參數(shù)匹配實驗 由于角位移傳感器和角位移電磁執(zhí)行器（角位移電磁執(zhí)行器驅(qū)動電路設(shè)計，請參考文獻）是同軸安裝，故有體積和工作空間比較小等優(yōu)點，但安裝時兩者結(jié)構(gòu)定位、參數(shù)匹配比較困難，因此，進行角位移傳感器和角位移執(zhí)行器匹配實驗，以檢測出零點標(biāo)定、轉(zhuǎn)動方向及最佳匹配參數(shù)。 3.1.1 結(jié)構(gòu)定位 如圖2所示，角位移傳感器和其偏心圓盤同軸安裝，且中心線OOˊ對齊位置，是角位移傳感器零點標(biāo)定位置；偏心轉(zhuǎn)盤相對角位移傳感器順時針旋轉(zhuǎn)方向，是角位移傳感器運動正方向；偏心轉(zhuǎn)盤相對角位移傳感器逆時針旋轉(zhuǎn)方向，是角位移傳感器運動負(fù)方向。由于角位移傳感器和角位移電磁執(zhí)行器是同軸安裝，且有固定銷來固定，因此，角位移電磁執(zhí)行器零點及轉(zhuǎn)動方向和角位移傳感器零點及轉(zhuǎn)動方向相同。 3.1.2 實 驗 通過改變位移調(diào)理電路的元件、電位器安裝角度來調(diào)整電子調(diào)速器系統(tǒng)的參數(shù)匹配。調(diào)整結(jié)果為：當(dāng)角位移傳感器處于最大負(fù)方向位置時，經(jīng)角位移傳感器調(diào)理后電壓為-5V；輸入給壓頻轉(zhuǎn)換器的電壓為0V，其對應(yīng)柴油機轉(zhuǎn)速為0r/min，角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動角度為－32°；當(dāng)角位移傳感器處于最大正方向位置時，經(jīng)角位移傳感器調(diào)理后電壓為5V；輸入壓頻轉(zhuǎn)換器電壓為5V，其對應(yīng)柴油機轉(zhuǎn)速為3000r／min，角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動角度為＋32°；角位移傳感器處于零點位置時，經(jīng)角位移傳感器調(diào)理后電壓為0V；輸入給壓頻轉(zhuǎn)換器電壓為2.5V，其對應(yīng)柴油機轉(zhuǎn)速為1500r/min，角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動角度為0°。 角位移電磁執(zhí)行器從其最大負(fù)方向位置向最大正方向位置轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)動2°，檢測一次角位移傳感器的輸出電壓信號，角位移電磁執(zhí)行器和角位移傳感器的配合性能曲線如圖4所示。由圖可知，角位移電磁執(zhí)行器和角位移傳感器配合特性基本良好；角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動角度θ。在-32～32°之間變化時，角位移傳感器輸出電壓U在－4.5～5.0V之間變化，且呈線性關(guān)系，其線性度為0.3％，實驗時，觀察其動態(tài)響應(yīng)達到0.20s。 3．2 內(nèi)環(huán)實驗 如圖1所示，內(nèi)環(huán)模塊的工作原理是：經(jīng)外環(huán)（PID）控制模塊的理論轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速之差的電壓信號Ur與角位移傳感器反饋角度信號合成，經(jīng)內(nèi)環(huán)（PI）控制模塊后，來控制角位移電磁執(zhí)行器轉(zhuǎn)動某個角度θ。內(nèi)環(huán)模塊系統(tǒng)性能曲線如圖5中的（a）所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速偏差的電壓信號Ur在-5～5V之間變化時，角位移電磁執(zhí)行器在-32°～32°范圍內(nèi)呈線性轉(zhuǎn)動，線性度為0.％；實驗時，觀察內(nèi)環(huán)系統(tǒng)動態(tài)達0.2s，重復(fù)性誤差達2.0%，這證明內(nèi)環(huán)系統(tǒng)工作正常。 3．3 外環(huán)實驗 外環(huán)PID控制方案圖如圖l所示。它表示為給定轉(zhuǎn)速信號n1和轉(zhuǎn)速傳感器的反饋信號n2并經(jīng)一系列處理后經(jīng)壓頻轉(zhuǎn)換器輸出信f之間的控制關(guān)系。外環(huán)性能曲線如圖5（b）所示。由可圖知，給定轉(zhuǎn)速n1的電壓信號在0～5V之間變化時，壓頻轉(zhuǎn)換器的輸出頻率f在0～6kHz內(nèi)呈線性變化，線性度為0.4％。實驗時，觀察外環(huán)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)達0.5s，重復(fù)性誤差達3.0％，遲滯誤差達3.5％，因此，說明外環(huán)系統(tǒng)工作正常。 4 結(jié) 論 本文以柴油機電子調(diào)速器系統(tǒng)模擬實驗裝置為平臺，通過對所研制的角位移傳感器與相應(yīng)的角位移電磁執(zhí)行器參數(shù)配合實驗以及電子調(diào)速器系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)、外環(huán)實驗、得出如下結(jié)論： （1）本文所提出的這種新型角位移傳感器，其結(jié)構(gòu)和位移信號調(diào)理電路設(shè)計非常適合電子調(diào)速器使用。同時，也驗證出了它的工作最佳參數(shù)； （2）所設(shè)計的角位移傳感器放人電子調(diào)速器系統(tǒng)中使用，系統(tǒng)正常工作。動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)能夠滿足柴油機正常調(diào)速的工作要求。