超聲波電動機在汽油發電機中的應用

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控制系統原理及構成攜帶型汽油發電機屬於同步電動機類型,如果沒有自動調壓裝置,在工作的過程中會出現因為負載增加導致輸出電壓下降的現象。通常的解決辦法就是手動加大油門,提高汽油機的輸出功率。顯然這是很不方便和很不精確的。為了實現這種發電機自動調壓的目的,就要在工作過程中引入反饋環節,並選擇調節油門的執行機構。超聲波電動機具有響應快、定位精度高、結構靈活等優點,是調節油門執行機構的最佳選擇。

表1給出了系統中汽油發電機的性能指標。

圖1為該汽油發電機調壓控制系統框圖。由圖可知,該系統由TRUM-45型超聲波電動機、汽油發電機、PC機和A/D、D/A等組成。計算機通過模數轉換介面以20Hz的頻率對發電機的輸出電壓進行採樣,經處理後發出控制指令,驅動超聲波電動機調節油門,改變發電機的轉速,從而使輸出電壓穩定在指定的範圍之內。

普通化油器中的油門調節是拉動與油針固聯在一起的一根鋼絲索,使得油針上下運動,達到調節進油量的目的。本文則是通過螺紋和螺桿的配合,將超聲波電動機的旋轉運動轉變為油針的上下運動,從而達到調節進油量的目的。其調節油門的機構如圖2所示。

油門控制策略由於整個控制系統中包含有超聲波電動機和汽油發電機兩部分,所以該系統是時變和非線性的,無法建立該控制系統的精確模型。為了得到良好的控制性能,採用模糊控制的策略。因為模糊控制系統可以不依賴於系統的精確的數學模型,特別適合參數未知的不確定性對象或存在各種擾動的模糊性對象進行控制。為了實現系統的模糊控制,我們根據下面的規則來選取油門模糊控制器的參數:

a、取發電機的實際輸出電壓和指定輸出電壓的差值及其隨時間的變化率為輸入量,取油門調節機構中的超聲波電動機的控制電壓為輸出量。該系統是兩輸入一輸出系統。

b、系統的基本論域為電壓差值及其變化率的範圍,如由開環加負載的實驗可知電壓差值的變化範圍是[-2,+2]。模糊集的論域取[-4,+4],則可以得到量化因子的值為k=0.5。

c、誤差輸入的隸屬度函數如圖3所示,取高斯分布。誤差變化率和輸出的隸屬度函數與之相似。語言變數取pb, ps, zo, ns, nb,分別表示正大,正小,零,負小,負大。

d、控制系統的控制規則如表2所示。

e、模糊控制量的去模糊採取重心法,同時根據超聲波電動機的電壓控制範圍確定比例因子為0.25。負載實驗的結果在實驗的過程中,通過繼電器開關,每隔2s給發電機的輸出端載入一次150W的電爐絲,通過讀取A/D口的輸出數據可以得到圖4的結果。從負載實驗可以看出: 在油門調節機構不工作時,發電機的輸出電壓有&plusmn0.5V的波動,是由於發電機本身的性能如汽油燃燒不均勻所引起的,不在本文的討論範圍之內。

發電機在接入150W的負載時,若不加控制,電壓平均值的波動在13.8V&plusmn0.7V之間波動,隨著負載功率增加,輸出電壓急劇降低在閉環系統中,電壓平均值穩定在14.0V?0.2V。所以通過該控制器的作用,可明顯地提高發電機在其負載變化時輸出電壓的穩定性,可滿足工程應用的需要。

結語本文根據攜帶型發電機在使用過程中輸出電壓不穩定的實際問題,組建了一套以行波型超聲波電動機為執行機構的自動控制系統。通過該系統的調節,有效地穩定了發電機的輸出電壓,提高了汽油發電機的工作效率。

總結全文,可得如下三點結論:

(1)行波型超聲波電動機的優點在本系統中得以充分的發揮。TRUM-45型超聲波電動機達到實用水平,結構靈活,可直接設計成工程中的伺服執行機構,特別適用於小型智能閥門的控制。

(2)該控制系統的數學模型的建立具有很大的難度,選擇魯棒性強的模糊控制方法,可以使控制演算法簡單,同時又能達到很好的控制效果。但在控制目標的選擇上如能考慮超聲波電動機本身的特性,如選擇控制兩相驅動電壓的相位差和控制驅動電壓的幅值相結合,則可實現控制性能的進一步優化。

(3)如果根據本研究的結果,運用單片機或DSP技術對系統進行集成化、小型化,就可以廣泛應用到工程實踐中去。