超聲波電動機在汽油發(fā)電機中的應(yīng)用

控制系統(tǒng)原理及構(gòu)成 

  便攜式汽油發(fā)電機屬于同步電動機類型,如果沒有自動調(diào)壓裝置,在工作的過程中會出現(xiàn)因為負(fù)載增加導(dǎo)致輸出電壓下降的現(xiàn)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(xiàn)這種發(fā)電機自動調(diào)壓的目的,就要在工作過程中引入反饋環(huán)節(jié),并選擇調(diào)節(jié)油門的執(zhí)行機構(gòu)。超聲波電動機具有響應(yīng)快、定位精度高、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)點,是調(diào)節(jié)油門執(zhí)行機構(gòu)的最佳選擇。表1給出了系統(tǒng)中汽油發(fā)電機的性能指標(biāo)。

  圖1為該汽油發(fā)電機調(diào)壓控制系統(tǒng)框圖。由圖可知,該系統(tǒng)由TRUM-45型超聲波電動機、汽油發(fā)電機、PC機和A/D、D/A等組成。計算機通過模數(shù)轉(zhuǎn)換接口以20Hz的頻率對發(fā)電機的輸出電壓進行采樣,經(jīng)處理后發(fā)出控制指令,驅(qū)動超聲波電動機調(diào)節(jié)油門,改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,從而使輸出電壓穩(wěn)定在指定的范圍之內(nèi)。

  普通化油器中的油門調(diào)節(jié)是拉動與油針固聯(lián)在一起的一根鋼絲索,使得油針上下運動,達到調(diào)節(jié)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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橛歪樀纳舷逻\動,從而達到調(diào)節(jié)進油量的目的。其調(diào)節(jié)油門的機構(gòu)如圖2所示。

油門控制策略

  由于整個控制系統(tǒng)中包含有超聲波電動機和汽油發(fā)電機兩部分,所以該系統(tǒng)是時變和非線性的,無法建立該控制系統(tǒng)的精確模型。為了得到良好的控制性能,采用模糊控制的策略。因為模糊控制系統(tǒng)可以不依賴于系統(tǒng)的精確的數(shù)學(xué)模型,特別適合參數(shù)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(xiàn)系統(tǒng)的模糊控制,我們根據(jù)下面的規(guī)則來選取油門模糊控制器的參數(shù):

  a、取發(fā)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(diào)節(jié)機構(gòu)中的超聲波電動機的控制電壓為輸出量。該系統(tǒng)是兩輸入一輸出系統(tǒng)。
 

  b、系統(tǒng)的基本論域為電壓差值及其變化率的范圍,如由開環(huán)加負(fù)載的實驗可知電壓差值的變化范圍是[-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(shù)如圖3所示,取高斯分布。誤差變化率和輸出的隸屬度函數(shù)與之相似。語言變量取pb, ps, zo, ns, nb,分別表示正大,正小,零,負(fù)小,負(fù)大。
 

  d、控制系統(tǒng)的控制規(guī)則如表2所示。

  e、模糊控制量的去模糊采取重心法,同時根據(jù)超聲波電動機的電壓控制范圍確定比例因子為0.25。

負(fù)載實驗的結(jié)果

  在實驗的過程中,通過繼電器開關(guān),每隔2s給發(fā)電機的輸出端加載一次150W的電爐絲,通過讀取A/D口的輸出數(shù)據(jù)可以得到圖4的結(jié)果。
 

從負(fù)載實驗可以看出:
 

  在油門調(diào)節(jié)機構(gòu)不工作時,發(fā)電機的輸出電壓有±0.5V的波動,是由于發(fā)電機本身的性能如汽油燃燒不均勻所引起的,不在本文的討論范圍之內(nèi)。

  發(fā)電機在接入150W的負(fù)載時,若不加控制,電壓平均值的波動在13.8V±0.7V之間波動,隨著負(fù)載功率增加,輸出電壓急劇降低;在閉環(huán)系統(tǒng)中,電壓平均值穩(wěn)定在14.0V?0.2V。所以通過該控制器的作用,可明顯地提高發(fā)電機在其負(fù)載變化時輸出電壓的穩(wěn)定性,可滿足工程應(yīng)用的需要。
 

結(jié) 語

  本文根據(jù)便攜式發(fā)電機在使用過程中輸出電壓不穩(wěn)定的實際問題,組建了一套以行波型超聲波電動機為執(zhí)行機構(gòu)的自動控制系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的調(diào)節(jié),有效地穩(wěn)定了發(fā)電機的輸出電壓,提高了汽油發(fā)電機的工作效率?？偨Y(jié)全文,可得如下三點結(jié)論:
 

  (1)行波型超聲波電動機的優(yōu)點在本系統(tǒng)中得以充分的發(fā)揮。TRUM-45型超聲波電動機達到實用水平,結(jié)構(gòu)靈活,可直接設(shè)計成工程中的伺服執(zhí)行機構(gòu),特別適用于小型智能閥門的控制。
 

  (2)該控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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,可以使控制算法簡單,同時又能達到很好的控制效果。但在控制目標(biāo)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(qū)動電壓的相位差和控制驅(qū)動電壓的幅值相結(jié)合,則可實現(xiàn)控制性能的進一步優(yōu)化。
 

  (3)如果根據(jù)本研究的結(jié)果,運用單片機或DSP技術(shù)對系統(tǒng)進行集成化、小型化,就可以廣泛應(yīng)用到工程實踐中去。