YC2105型柴油机电子调速器信号检测单元的设计

摘要：将YC2105型柴油机机械式调速器改装为电子调速器，达到提高调节精度、降低油耗、减少排放等目的。针对改装后电子调速器的检测单元进行设计，包括喷油泵转速信号检测单元、喷油泵供油齿杆位移信号检测单元、喷油泵加速踏板转角信号检测单元等3个检测单元传感器的选用及测量电路的设计等，为下一步控制系统的设计打下基础。

关键词：YC2105型柴油机；调速器；检测单元

中图分类号：TK42；TP273 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）03-0696-03

YC2105型小型农用柴油机调速器采用离心式机械调速器，该调速器由于通过机械元件来实现测量和控制，故存在惯性滞后等缺陷。同时，小型农用柴油机因工作环境等问题外界负荷变化较大，而机械式调速器难以实现较为复杂的调节规律和控制功能，故将小型农用柴油机机械式调速器改装为电控调速器势在必行。而电子调速器控制系统的设计主要由信号输入模块、复位电路模块、电源管理模块、输出驱动模块等组成。其中信号输入模块主要是对喷油泵转速、喷油泵供油齿杆位移、加速踏板转角等信号进行检测，并将这些信号输入控制系统中，控制系统对这些信号进行处理，形成决策，并输出控制指令驱动执行机构，实现柴油机的智能调速。

1 柴油机电子调速器的工作原理

柴油机电子调速器的任务就是采集信号并将这些信号处理后发出控制命令到执行机构，达到自动控制发动机转速的目的。而设计的信号检测单元主要作用是测量发动机的转速信号、加速踏板转角信号和齿杆位移信号，并将这3个信号输入到控制系统中，作为控制调速器工作状态的主要依据；控制系统根据检测单元测量到的三大信号，输出控制信号并驱动执行机构（油泵齿杆），实现智能调节发动机的转速。柴油机电子调速器控制系统原理图见图1[1]。

工作原理：第一步检测单元检测柴油机转速信号、喷油泵加速踏板转角信号以及喷油泵供油齿杆位移信号；第二步根据柴油机转速信号和加速踏板转角信号确定柴油机的运行工况；第三步控制系统在确定运行工况的情况下，计算出此工况下喷油泵齿杆应在的理论位置和柴油机理论转速，将计算出的理论位置与检测到的实际位置进行比较，得出差值，将计算出的理论转速与实际转速进行比较得出差值；最后控制系统根据齿杆位置差值和转速差值计算出执行机构应执行的动作，并发出执行机构应执行的动作的指令。此后，调速系统再次进行信号检测、计算、比较、发出执行指令、执行动作，依次循环。

从图1可以看出，电子控制调速器在工作过程中需要获取信号、运算、控制执行等[2]，因此柴油机电子调速器系统设计中信号获取（即信号检测单元）的设计尤为关键。而信号检测单元的设计是否成功主要取决于喷油泵转速信号检测单元的设计、喷油泵供油齿杆位移信号检测单元的设计和加速踏板转角信号检测单元的设计。

2 电子调速器信号检测单元的设计

2.1 喷油泵转速信号检测单元的设计

转速传感器主要用作检测柴油机的转速，该信号是柴油机电子调速器主控信号之一，与其他几个控制信号共同决定喷油泵喷油量及供油正时。根据转速工况，转速传感器需满足以下几点要求：①由于发动机转速快，故需选用响应频率高的转速传感器；②由于柴油机内外噪声及器件内部噪声等因素的影响，故应选择抗干扰能力较强的传感器；③由于转速传感器安装在喷油泵的凸轮轴上，安装位置条件有限，故需选择体积较小的转速传感器；④耐粉尘、耐油污。

综合以上要求，选用A44E集成开放型霍尔传感器。该传感器的工作电压在4.5～18.0 V，工作频率最高可达1 MHz，输出电压范围7～14 V[3]。

A44E集成开放型霍尔传感器安装在喷油泵的凸轮轴上。安装时将触发齿圈与喷油泵凸轮轴固联在一起，且保证触发齿圈的磁钢与霍尔传感器的反应传感区保持0.2～1.0 mm间隙，凸轮旋转时其输入为磁感应强度，输出是一个数字电压讯号，控制系统通过测量脉冲信号的数量计算出凸轮的转速。图2a状态时，霍尔开关无磁力线穿过，输出低电平；图2b状态时，霍尔开关有磁力线穿过，输出高电平；这样齿圈的转动就引起霍尔传感器输出电压的变化。

由于转速传感器在测量柴油机转速过程中容易受噪声等外界干扰，故在传感器的电源端加上0.1 μF的旁路电容，在输入与输出端接一个2 kΩ的负载电阻， 组成RC滤波电路以抑制噪声。转速测量电路如图3。

2.2 喷油泵供油齿杆位移信号检测单元的设计

供油齿杆位置对柴油机喷射量的大小有直接的关系[4]，故要精确控制喷油量的大小须准确获取喷油泵齿杆位置信号，经控制系统运算处理后发出执行命令控制齿杆位移。在选择供油齿杆位移传感器时需根据供油齿杆的工作行程选择，本次设计中供油齿杆位移为12 mm，由于喷油泵出油阀、齿圈、齿杆磨损、柱塞偶件等部件将产生一定的齿杆位移变化，因此宜选用量程大于传感器工作范围的位移传感器，此次设计选用WDL25-2型碳膜线性电阻位移传感器来获取喷油泵齿杆位置信号。

为保证选用的传感器满足使用要求，在使用前需确定位移与电压的线性关系，即需对线性度进行标定，按国标规定标定传感器的方法进行测量，并将测量数据经线性拟合，得出二者关系式：■=1.967+8.26 x， 其中x为输出电压值（V），为设定位移量（mm）。安装时，位移传感器工作位移量程控制在4～24 mm，在此范围内拟合函数可完全代表WDL25-2型线性位移传感器的特性。

由于控制系统处理的是数字信号，而该位置传感器输出的是模拟信号，故需要在位置传感器与微处理器之间增加模/数（A/D）转换件，将模拟信号转换成控制系统可以处理的数字量，测量电路如图4。

2.3 加速踏板转角信号检测单元的设计

加速踏板角度传感器通过检测踏板位置获得发动机的负荷信号， 该信号与其他主控信号共同决定柴油机喷油量。考虑适用和安装的方便，选用ETP-1型电子油门踏板，该踏板集成传感器，由踏板、转轴、滑轮等结构组成，集成的传感器为非接触式磁感应传感器，灵敏度高，可靠性好，无噪音，响应快。该传感器的功能与线性位移传感器的功能基本相同，不同之处在于转角传感器输入的是角度值，线性位移传感器输入的是位移量。

加速踏板传感器的标定根据《传感器主要静态性能指标计算方法》（GB/T18459-2001）的要求进行，在整个输入量程内包括零点和满量程点均布取10点，标定循环取5次进行测量[5]。测量中使用精度为2′的万能角度尺和精度为1.5级的DY2201型万用表。加速踏板转角传感器的测量电路如图5。

通过正反行程反复测量，将所获得的数据应用最小二乘法，拟合传感器角度位移与输出电压的关系为：=0.410 8 x+0.559 9， 其中为传感器输出电压值（V），x为角位移量（°）。

在MATLAB中绘制角度——电压关系散点图及拟合曲线图，二者完全重合，证明所选用的传感器线性度较好，适用于此次设计。

3 小结

柴油机性能的好坏很大程度上取决于调速系统的优劣，而将YC2105型柴油机机械式调速系统改装为电控调速系统后，控制系统信号输入单元的设计尤为重要，包括喷油泵转速信号检测单元、喷油泵供油齿杆位移信号检测单元、喷油泵加速踏板转角信号检测单元等3大信号检测单元的设计。完成电子调速器信号输入单元即信号检测单元的设计后，下一步重点工作是电子调速器控制系统的设计，包括为保证控制系统的正常运行而进行的抗干扰电路模块的设计；为保障智能控制系统中各个输入、输出信号的准确性而进行的电源管理模块的设计；为避免外界电磁干扰而进行复位电路模块的设计等。

参考文献：

[1] 罗子华.柴油机电子控制调速装置的研究[D].南宁：广西大学，2007.

[2] 马淑华，王凤文，张美金.单片机原理与接口技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2005.

[3] 张 欣，陆申龙.新型霍尔传感器的特性及在测量与控制中的应用[J].大学物理，2002，21（10）：28-31.

[4] 李彦强，朱从乔，黄次浩.柴油机数字式电子调速器PID参数模糊自校正研究[J].内燃机学报，2001，19（3）：267-269.

[5] 樊尚春.传感器技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.