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汽油发电机的数字控制系统和调速器研制

    汽油发电机是对外输出电能的设备,由汽油机带动发电机工作。发电机一般情况下为同步交流发电机,输出频率与汽油机的转速有关。因此,要保证发电机的供电品质,必须采用调速器来调节汽油机的转速。现在小型汽油机的调速大多采用机械调速,由于机械调速器自身有惯性滞后和摩擦阻力大的缺陷,调速时不可避免存在过度时间长、稳定性和可靠性能差等缺点。随着经济和社会的快速发展,内燃机的应用也越来越广泛,能源问题和环境问题日益严重,对内燃机的控制精度和排放的要求进一步提高。数字电子调速器是较为先进的调速系统,能极大地提高了汽油发电机的调速性能,弥补了机械调速固有的缺陷,并可以用先进的控制方法,进一步提高调速器的性能。目前市场上类似的数字电子调速器大都应用于柴油机,不能直接应用于汽油机。

    因此,开发一种可靠性高、通用性强和价格合理的小型汽油发电机电子调速器势在必行,且具有广阔的市场前景。本文分析了汽油机的工况特性和数学模型,重点研究了数字式电子调速器的设计,然后进行了仿真和配机实验,并进一步分析了数字电子调速器的节能特性。在对汽油机工况特性的分析中,得到汽油机工作过程存在不确定性、时变性和非线性的特点,要想建立精确的汽油机数学模型比较困难,针对此系统本文设计了基于模糊滑模控制器的汽油机调速系统。滑模变结构控制具有快速响应、鲁棒性强、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点,不足之处是存在抖振现象。针对此问题,本文将模糊控制引入到滑模控制中来,利用模糊控制规则,柔化控制信号,使滑模控制中的抖振得到削弱。由于系统的主要扰动来自负载突变,因此本文设计了基于负载扰动的前馈补偿控制系统。最后在MATLAB中对所设计控制器进行了仿真分析。

    根据所设计的控制器,本文给出了其硬件设计和软件设计方法及过程,硬件设计包括:控制器模块、转速测量模块、执行器驱动模块、数码显示模块、电源模块、电流测量模块等。软件设计主要包括控制策略计算模块、怠速模块、启动模块、停机模块、负载电流测量模块、转速测量模块、显示模块等。将所设计的数字电子调速器安装在重庆缙龙公司的2.0GF汽油发电机上进行了配机实验,结果表明,数字电子调速器较原来的机械调速器具有更好的稳态性能和动态调速性能,并具有很好的节能效果。调速器设计简单,可靠性高,具有很高的实用价值。

    随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的提高,内燃发电机组正得到日益广泛的应用。在10kW以下的发电机组中,小巧、轻便的汽油发电机组占有大部分的市场。目前,国内外采用机械式调速器控制发电机组转速,在负载变化时存在转速超调大等缺陷,影响发电机输出电源频率的稳定,限制了发电机性能的进一步提高。近年来,为适应发电机组“轻型化”和“小型化”的要求,采用高速汽油机、永磁中频发电机和逆变技术成为小型便携式汽油发电机组的发展方向。

    本文以小型高速汽油发电机组为被控对象,对电子调速系统和电源逆变系统进行研究做了如下工作: 通过对汽油发电机组主要组成部分的结构、原理分析,得到了发电机组系统的数学模型,为控制系统的开发提供了理论依据。

    为了满足控制系统对速度和器件资源的要求,选择CYGNAL公司C8051F040作为控制系统的主控芯片,进行数字控制系统的硬件设计,并设计了RS-232接口,实现与上位机的串口通信,实时传递实验数据。 根据发电机组产品对输出电压、频率以及谐波的要求,设计了基于IPM模块的逆变电路,以及相应的保护电路。 对针对8051系列单片机的多任务实时操作系统RTX-51进行了分析;讨论了实时响应速度要求较高的系统软件在实时操作系统平台上设计时应该注意的问题;并以RTX-51为平台,设计了汽油发电机组的控制软件。

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