基于89C51单片机的喷油校泵台调速系统设计

1 引言
    燃油喷射系统的性能直接影响柴油机的工作过程和性能指标，是柴油机改善排放、降低油耗和提高性能的关键部分。传统的内燃机车柴油喷油校泵台主要用于喷油泵的磨合及性能试验，其驱动部分采用晶闸管电磁转差离合器无级调速系统，控制和显示喷油泵的主轴转速。由于采用分离元件，测试灵敏度低，设定调整不方便且故障率高。目前，国外喷油校泵台采用微机控制及数显系统。为此，按国际标准采用89C51单片机设计了一种新型的校泵台调速系统，能够实时控制主轴转速测试和调节，并将相关测量数据传输给上位PC机进行显示，从而提高测试灵敏度。

2 系统结构设计
    该系统设计采用转速单闭环凋速系统，如图1所示。驱动电路由晶闸管和电机构成，而控制电路则由转速给定、转速反馈、比例一积分一微分(PID)调节器以及晶闸管脉冲触发电路构成。
    图1中实线框为硬件设计部分，主要完成调速功能。虚线框为软件设计部分，主要完成转速给定、转速反馈、偏差信号的形成和PID运算。

3 系统硬件电路设计
    系统硬件设计是以89C51单片机为核心，并配以必要的外围设备，如数据采集、电气接口、执行机构、通信接口等电路，如图2所示。选用3CT20/500型晶闸管，由于晶闸管工作于交流电路，不宜与微机直接相接，采用光电耦合器4N25隔离单片机与输出部分(晶闸管一电动机电路)。输出部分的地线接地，而单片机系统的电源地线悬空，不能与交流电源的地线相接，以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。
    使用反相驱动器7406作为4N25输入端的驱动。电磁转差离合器中的励磁线圈采用带续流二极管的晶闸管半波整流电路供电。励磁线圈是电感性负载，线圈两端并联一只续流二极管VD6使电流平滑。调节触发装置采用单结管VBG7。为了实现操作机构的速度闭环控制，需要检测主轴转速。测速传感器采用磁电式转速传感器。测速轮有120个齿，每转过1个齿就在测速传感器上感应一个脉冲信号。这样，主轴每转一周，产生120个脉冲，其表达式为：
   

式中：P为测速传感器每转输出的脉冲数；T为规定时间；m1为转速脉冲数。
    取8155的定时器／计数器工作于定时方式，定时时间为lO ms，其输入端接1 MHz时钟信号为计数频率，输出端接89C51的中断INT0申请端。89C51的定时器／计数器T1工作于计数方式，测速传感器经整形后的脉冲输入T1，当输入信号发生负跳变，计数器加1。每当10 ms到，通过INT0申请中断，在中断处理程序中得到Tl计数值。计数值再乘以50，测出电机当前转速。

    喷油校泵台动力系统的主要部件是电磁调速电动机，由单速或多速鼠笼型异步电动机和电磁转差离合器组成，通过控制器可在较大范围内实现无级调速。其转速表达式为：

   
式中：n1为同步转速，r／min；f1为电源频率，Hz；p为极对数s为转差率。
    在一定的负载范围内调节励磁线圈中的励磁电流，可以调节转差率s，达到调节转速的目的。励磁电流越大，转速越高；反之则转速越低。

4 系统软件设计
    系统软件采用模块化结构设计，主要由PC机、89C51单片机和通信3个模块组成嘲。其中PC机模块主要完成主轴转速预置及显示；通信模块实现PC机与单片机之间数据传输；89C51单片机模块完成定时采样和自动控制主轴转速。其系统软件的主程序如图3所示。主程序主要完成系统初始化、与上位机握手、接收预置参数、调用主轴转速程序、调用喷油计数程序以及调用数据采集发送程序。

    由于控制对象是具有纯滞后的一阶惯性环节，所以按要求设计为快速随动系统。为了提高跟踪的快速性，调速范围过大时，在第一拍先使控制器输出逼近给定要求，后启动PI控制算法。第一拍控制模型为：

   
式中：U(T)为当前控制器输出值；U(T-1)为上一次控制器输出值；N(T)为当前控制器给定值；N(T-1)为上一次控制器给定值。
    PI控制算法的数学模型为：

   
式中：Kp为比例系数；T为采样周期；Ti为积分时间常数。
    第二拍控制模型为：

   
式中：K0，K1，K2，K3，P1，P2，P3为系数。
    由于加入了积分环节，影响系统的动态性能，可以消除余差，提高控制精度。

5 结论
    该设计系统已成功应用在某内燃机车柴油机喷油泵的测试平台。研究表明，该喷油校泵台调速系统可自动控制喷油计数、主轴转速，实现量油时主轴转速的数字显示与屏幕显示，使用维修方便，从而提高检测精度和自动化程度。