YC2105型柴油機電子調(diào)速器信號檢測單元的設(shè)計

摘要：將YC2105型柴油機機械式調(diào)速器改裝為電子調(diào)速器，達(dá)到提高調(diào)節(jié)精度、降低油耗、減少排放等目的。針對改裝后電子調(diào)速器的檢測單元進(jìn)行設(shè)計，包括噴油泵轉(zhuǎn)速信號檢測單元、噴油泵供油齒桿位移信號檢測單元、噴油泵加速踏板轉(zhuǎn)角信號檢測單元等3個檢測單元傳感器的選用及測量電路的設(shè)計等，為下一步控制系統(tǒng)的設(shè)計打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：YC2105型柴油機；調(diào)速器；檢測單元

中圖分類號：TK42；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）03-0696-03

YC2105型小型農(nóng)用柴油機調(diào)速器采用離心式機械調(diào)速器，該調(diào)速器由于通過機械元件來實現(xiàn)測量和控制，故存在慣性滯后等缺陷。同時，小型農(nóng)用柴油機因工作環(huán)境等問題外界負(fù)荷變化較大，而機械式調(diào)速器難以實現(xiàn)較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)規(guī)律和控制功能，故將小型農(nóng)用柴油機機械式調(diào)速器改裝為電控調(diào)速器勢在必行。而電子調(diào)速器控制系統(tǒng)的設(shè)計主要由信號輸入模塊、復(fù)位電路模塊、電源管理模塊、輸出驅(qū)動模塊等組成。其中信號輸入模塊主要是對噴油泵轉(zhuǎn)速、噴油泵供油齒桿位移、加速踏板轉(zhuǎn)角等信號進(jìn)行檢測，并將這些信號輸入控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行處理，形成決策，并輸出控制指令驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)柴油機的智能調(diào)速。

1 柴油機電子調(diào)速器的工作原理

柴油機電子調(diào)速器的任務(wù)就是采集信號并將這些信號處理后發(fā)出控制命令到執(zhí)行機構(gòu)，達(dá)到自動控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速的目的。而設(shè)計的信號檢測單元主要作用是測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號、加速踏板轉(zhuǎn)角信號和齒桿位移信號，并將這3個信號輸入到控制系統(tǒng)中，作為控制調(diào)速器工作狀態(tài)的主要依據(jù)；控制系統(tǒng)根據(jù)檢測單元測量到的三大信號，輸出控制信號并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)（油泵齒桿），實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。柴油機電子調(diào)速器控制系統(tǒng)原理圖見圖1[1]。

工作原理：第一步檢測單元檢測柴油機轉(zhuǎn)速信號、噴油泵加速踏板轉(zhuǎn)角信號以及噴油泵供油齒桿位移信號；第二步根據(jù)柴油機轉(zhuǎn)速信號和加速踏板轉(zhuǎn)角信號確定柴油機的運行工況；第三步控制系統(tǒng)在確定運行工況的情況下，計算出此工況下噴油泵齒桿應(yīng)在的理論位置和柴油機理論轉(zhuǎn)速，將計算出的理論位置與檢測到的實際位置進(jìn)行比較，得出差值，將計算出的理論轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較得出差值；最后控制系統(tǒng)根據(jù)齒桿位置差值和轉(zhuǎn)速差值計算出執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)執(zhí)行的動作，并發(fā)出執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)執(zhí)行的動作的指令。此后，調(diào)速系統(tǒng)再次進(jìn)行信號檢測、計算、比較、發(fā)出執(zhí)行指令、執(zhí)行動作，依次循環(huán)。

從圖1可以看出，電子控制調(diào)速器在工作過程中需要獲取信號、運算、控制執(zhí)行等[2]，因此柴油機電子調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)計中信號獲取（即信號檢測單元）的設(shè)計尤為關(guān)鍵。而信號檢測單元的設(shè)計是否成功主要取決于噴油泵轉(zhuǎn)速信號檢測單元的設(shè)計、噴油泵供油齒桿位移信號檢測單元的設(shè)計和加速踏板轉(zhuǎn)角信號檢測單元的設(shè)計。

2 電子調(diào)速器信號檢測單元的設(shè)計

2.1 噴油泵轉(zhuǎn)速信號檢測單元的設(shè)計

轉(zhuǎn)速傳感器主要用作檢測柴油機的轉(zhuǎn)速，該信號是柴油機電子調(diào)速器主控信號之一，與其他幾個控制信號共同決定噴油泵噴油量及供油正時。根據(jù)轉(zhuǎn)速工況，轉(zhuǎn)速傳感器需滿足以下幾點要求：①由于發(fā)動機轉(zhuǎn)速快，故需選用響應(yīng)頻率高的轉(zhuǎn)速傳感器；②由于柴油機內(nèi)外噪聲及器件內(nèi)部噪聲等因素的影響，故應(yīng)選擇抗干擾能力較強的傳感器；③由于轉(zhuǎn)速傳感器安裝在噴油泵的凸輪軸上，安裝位置條件有限，故需選擇體積較小的轉(zhuǎn)速傳感器；④耐粉塵、耐油污。

綜合以上要求，選用A44E集成開放型霍爾傳感器。該傳感器的工作電壓在4.5～18.0 V，工作頻率最高可達(dá)1 MHz，輸出電壓范圍7～14 V[3]。

A44E集成開放型霍爾傳感器安裝在噴油泵的凸輪軸上。安裝時將觸發(fā)齒圈與噴油泵凸輪軸固聯(lián)在一起，且保證觸發(fā)齒圈的磁鋼與霍爾傳感器的反應(yīng)傳感區(qū)保持0.2～1.0 mm間隙，凸輪旋轉(zhuǎn)時其輸入為磁感應(yīng)強度，輸出是一個數(shù)字電壓訊號，控制系統(tǒng)通過測量脈沖信號的數(shù)量計算出凸輪的轉(zhuǎn)速。圖2a狀態(tài)時，霍爾開關(guān)無磁力線穿過，輸出低電平；圖2b狀態(tài)時，霍爾開關(guān)有磁力線穿過，輸出高電平；這樣齒圈的轉(zhuǎn)動就引起霍爾傳感器輸出電壓的變化。

由于轉(zhuǎn)速傳感器在測量柴油機轉(zhuǎn)速過程中容易受噪聲等外界干擾，故在傳感器的電源端加上0.1 μF的旁路電容，在輸入與輸出端接一個2 kΩ的負(fù)載電阻， 組成RC濾波電路以抑制噪聲。轉(zhuǎn)速測量電路如圖3。

2.2 噴油泵供油齒桿位移信號檢測單元的設(shè)計

供油齒桿位置對柴油機噴射量的大小有直接的關(guān)系[4]，故要精確控制噴油量的大小須準(zhǔn)確獲取噴油泵齒桿位置信號，經(jīng)控制系統(tǒng)運算處理后發(fā)出執(zhí)行命令控制齒桿位移。在選擇供油齒桿位移傳感器時需根據(jù)供油齒桿的工作行程選擇，本次設(shè)計中供油齒桿位移為12 mm，由于噴油泵出油閥、齒圈、齒桿磨損、柱塞偶件等部件將產(chǎn)生一定的齒桿位移變化，因此宜選用量程大于傳感器工作范圍的位移傳感器，此次設(shè)計選用WDL25-2型碳膜線性電阻位移傳感器來獲取噴油泵齒桿位置信號。

為保證選用的傳感器滿足使用要求，在使用前需確定位移與電壓的線性關(guān)系，即需對線性度進(jìn)行標(biāo)定，按國標(biāo)規(guī)定標(biāo)定傳感器的方法進(jìn)行測量，并將測量數(shù)據(jù)經(jīng)線性擬合，得出二者關(guān)系式：■=1.967+8.26 x， 其中x為輸出電壓值（V），為設(shè)定位移量（mm）。安裝時，位移傳感器工作位移量程控制在4～24 mm，在此范圍內(nèi)擬合函數(shù)可完全代表WDL25-2型線性位移傳感器的特性。

由于控制系統(tǒng)處理的是數(shù)字信號，而該位置傳感器輸出的是模擬信號，故需要在位置傳感器與微處理器之間增加模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換件，將模擬信號轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)可以處理的數(shù)字量，測量電路如圖4。

2.3 加速踏板轉(zhuǎn)角信號檢測單元的設(shè)計

加速踏板角度傳感器通過檢測踏板位置獲得發(fā)動機的負(fù)荷信號， 該信號與其他主控信號共同決定柴油機噴油量。考慮適用和安裝的方便，選用ETP-1型電子油門踏板，該踏板集成傳感器，由踏板、轉(zhuǎn)軸、滑輪等結(jié)構(gòu)組成，集成的傳感器為非接觸式磁感應(yīng)傳感器，靈敏度高，可靠性好，無噪音，響應(yīng)快。該傳感器的功能與線性位移傳感器的功能基本相同，不同之處在于轉(zhuǎn)角傳感器輸入的是角度值，線性位移傳感器輸入的是位移量。

加速踏板傳感器的標(biāo)定根據(jù)《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計算方法》（GB/T18459-2001）的要求進(jìn)行，在整個輸入量程內(nèi)包括零點和滿量程點均布取10點，標(biāo)定循環(huán)取5次進(jìn)行測量[5]。測量中使用精度為2′的萬能角度尺和精度為1.5級的DY2201型萬用表。加速踏板轉(zhuǎn)角傳感器的測量電路如圖5。

通過正反行程反復(fù)測量，將所獲得的數(shù)據(jù)應(yīng)用最小二乘法，擬合傳感器角度位移與輸出電壓的關(guān)系為：=0.410 8 x+0.559 9， 其中為傳感器輸出電壓值（V），x為角位移量（°）。

在MATLAB中繪制角度——電壓關(guān)系散點圖及擬合曲線圖，二者完全重合，證明所選用的傳感器線性度較好，適用于此次設(shè)計。

3 小結(jié)

柴油機性能的好壞很大程度上取決于調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)劣，而將YC2105型柴油機機械式調(diào)速系統(tǒng)改裝為電控調(diào)速系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)信號輸入單元的設(shè)計尤為重要，包括噴油泵轉(zhuǎn)速信號檢測單元、噴油泵供油齒桿位移信號檢測單元、噴油泵加速踏板轉(zhuǎn)角信號檢測單元等3大信號檢測單元的設(shè)計。完成電子調(diào)速器信號輸入單元即信號檢測單元的設(shè)計后，下一步重點工作是電子調(diào)速器控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括為保證控制系統(tǒng)的正常運行而進(jìn)行的抗干擾電路模塊的設(shè)計；為保障智能控制系統(tǒng)中各個輸入、輸出信號的準(zhǔn)確性而進(jìn)行的電源管理模塊的設(shè)計；為避免外界電磁干擾而進(jìn)行復(fù)位電路模塊的設(shè)計等。

參考文獻(xiàn)：

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