超声波电动机在汽油发电机中的应用

控制系统原理及构成 

  便携式汽油发电机属于同步电动机类型,如果没有自动调压装置,在工作的过程中会出现因为负载增加导致输出电压下降的现象。
 

  通常的解决办法就是手动加大油门,提高汽油机的输出功率。显然这是很不方便和很不精确的。为了实现这种发电机自动调压的目的,就要在工作过程中引入反馈环节,并选择调节油门的执行机构。超声波电动机具有响应快、定位精度高、结构灵活等优点,是调节油门执行机构的最佳选择。表1给出了系统中汽油发电机的性能指标。

  图1为该汽油发电机调压控制系统框图。由图可知,该系统由TRUM-45型超声波电动机、汽油发电机、PC机和A/D、D/A等组成。计算机通过模数转换接口以20Hz的频率对发电机的输出电压进行采样,经处理后发出控制指令,驱动超声波电动机调节油门,改变发电机的转速,从而使输出电压稳定在指定的范围之内。

  普通化油器中的油门调节是拉动与油针固联在一起的一根钢丝索,使得油针上下运动,达到调节进油量的目的。本文则是通过螺纹和螺杆的配合,将超声波电动机的旋转运动转变为油针的上下运动,从而达到调节进油量的目的。其调节油门的机构如图2所示。

油门控制策略

  由于整个控制系统中包含有超声波电动机和汽油发电机两部分,所以该系统是时变和非线性的,无法建立该控制系统的精确模型。为了得到良好的控制性能,采用模糊控制的策略。因为模糊控制系统可以不依赖于系统的精确的数学模型,特别适合参数未知的不确定性对象或存在各种扰动的模糊性对象进行控制。为了实现系统的模糊控制,我们根据下面的规则来选取油门模糊控制器的参数:

  a、取发电机的实际输出电压和指定输出电压的差值及其随时间的变化率为输入量,取油门调节机构中的超声波电动机的控制电压为输出量。该系统是两输入一输出系统。
 

  b、系统的基本论域为电压差值及其变化率的范围,如由开环加负载的实验可知电压差值的变化范围是[-2,+2]。模糊集的论域取[-4,+4],则可以得到量化因子的值为k=0.5。
 

  c、误差输入的隶属度函数如图3所示,取高斯分布。误差变化率和输出的隶属度函数与之相似。语言变量取pb, ps, zo, ns, nb,分别表示正大,正小,零,负小,负大。
 

  d、控制系统的控制规则如表2所示。

  e、模糊控制量的去模糊采取重心法,同时根据超声波电动机的电压控制范围确定比例因子为0.25。

负载实验的结果

  在实验的过程中,通过继电器开关,每隔2s给发电机的输出端加载一次150W的电炉丝,通过读取A/D口的输出数据可以得到图4的结果。
 

从负载实验可以看出:
 

  在油门调节机构不工作时,发电机的输出电压有±0.5V的波动,是由于发电机本身的性能如汽油燃烧不均匀所引起的,不在本文的讨论范围之内。

  发电机在接入150W的负载时,若不加控制,电压平均值的波动在13.8V±0.7V之间波动,随着负载功率增加,输出电压急剧降低;在闭环系统中,电压平均值稳定在14.0V?0.2V。所以通过该控制器的作用,可明显地提高发电机在其负载变化时输出电压的稳定性,可满足工程应用的需要。
 

结 语

  本文根据便携式发电机在使用过程中输出电压不稳定的实际问题,组建了一套以行波型超声波电动机为执行机构的自动控制系统。通过该系统的调节,有效地稳定了发电机的输出电压,提高了汽油发电机的工作效率。总结全文,可得如下三点结论:
 

  (1)行波型超声波电动机的优点在本系统中得以充分的发挥。TRUM-45型超声波电动机达到实用水平,结构灵活,可直接设计成工程中的伺服执行机构,特别适用于小型智能阀门的控制。
 

  (2)该控制系统的数学模型的建立具有很大的难度,选择鲁棒性强的模糊控制方法,可以使控制算法简单,同时又能达到很好的控制效果。但在控制目标的选择上如能考虑超声波电动机本身的特性,如选择控制两相驱动电压的相位差和控制驱动电压的幅值相结合,则可实现控制性能的进一步优化。
 

  (3)如果根据本研究的结果,运用单片机或DSP技术对系统进行集成化、小型化,就可以广泛应用到工程实践中去。