一种电子调速器
专利汇可以提供一种电子调速器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种 电子 调速器，它包括 硬件 部分和 软件 部分，硬件部分包括控制盒、执行机构、转速 传感器 和电源，控制盒的一个输入端通过连接 导线 与电源连接，输出端由导线连接到执行机构，执行机构的输出经调控拉杆控制柴油机的运转， 转速传感器 测量柴油机的转速，转速传感器的输出由导线连接到控制盒的另一输入端；软件部分包括主控模 块 、 信号 调理模块、 齿条 驱动模块和通讯模块。本实用新型安装方便，抗振性能好，且防油防 水 ，同时大大降低怠转时的燃油消耗，大大提高了柴油机运行的经济性。本实用新型可广泛应用于 机车 柴油机系统。，下面是一种电子调速器专利的具体信息内容。
1、一种电子调速器，其特征在于：它包括硬件部分和软件部分，所述硬件部 分包括控制盒、执行机构、转速传感器和电源，所述控制盒的一个输入端通过连接 导线与所述电源连接，输出端由导线连接到所述执行机构，所述执行机构的输出经 调控拉杆控制柴油机的运转，所述转速传感器测量柴油机的转速，所述转速传感器 的输出由导线连接到所述控制盒的另一输入端；所述软件部分包括主控模块、信号 调理模块、齿条驱动模块和通讯模块。
2、如权利要求1所述的一种电子调速器，其特征在于：所述控制盒包括盒体、 两个连接器、两套控制线路板以及两块电源板，所述盒体上表面设置一窗口；一个 所述连接器、一个所述控制线路板和一个所述电源板之间通过接插件连接组成一套 硬件电路，所述连接器连接所述控制线路板的信号板，所述电源板连接所述控制线 路板的所述信号板，所述电源板还与所述连接器连接，另一个所述连接器、另一个 所述控制线路板和另一个所述电源板组成另一套完全相同的硬件电路，其中一套互 为另一套的冷备份。
3、如权利要求1所述的一种电子调速器，其特征在于：所述控制线路板均采 用贴片工艺，每个所述控制线路板都包括保护板、控制板和信号板，三层线路板之 间采用螺柱固定；最下层为所述信号板，中间层为所述控制板，最上层为所述保护 板，所述控制板包括CPU芯片、调节柴油机转速的PID调节器、调节供油齿条位移 的PID调节器、两个LED数码管和VMOS管组成的桥式驱动电路，所述保护板包括 CUP芯片，所述保护板、所述控制板和所述信号板两两之间通过板边连接器连接；
所述信号板的输入通过所述连接器与外部所述执行机构、所述转速传感器连 接，采集柴油机转速量、模拟信号和开关信号，经处理后的输出经所述板边连接器 到所述控制板和所述保护板，所述控制板上的CPU根据信号板采集的信息以及所述 调节柴油机转速的PID调节器和所述调节供油齿条位移的PID调节器的输出量进行 喷油量和转速控制，经过所述桥式驱动电路驱动后输出，所述控制板和所述保护板 之间通过所述保护板上的双口RAM和所述板边连接器进行信息交互，所述控制板和 所述保护板的输出经所述板边连接器连接到所述信号板，再经所述连接器与外部所 述执行机构连接；
所述调节柴油机转速的PID调节器的给定输入由司机控制器设定，其反馈输入 端连接所述转速传感器的输出，所述调节柴油机转速的PID调节器的输出为所述调 节供油齿条位移的PID调节器的给定输入，所述控制板上装设的所述两个LED数码 管通过所述控制盒的窗口进行观察，所述桥式驱动机构输出信号为脉宽调制信号。
4、如权利要求2所述的一种电子调速器，其特征在于：所述控制线路板均采 用贴片工艺，每个所述控制线路板都包括保护板、控制板和信号板，三层线路板之 间采用螺柱固定；最下层为所述信号板，中间层为所述控制板，最上层为所述保护 板，所述控制板包括CPU芯片、调节柴油机转速的PID调节器、调节供油齿条位移 PID调节器、两个LED数码管和VMOS管组成的桥式驱动电路，所述保护板包括包括 CUP芯片，所述保护板、所述控制板和所述信号板两两之间通过板边连接器连接；
所述信号板的输入通过所述连接器与外部所述执行机构连接，采集柴油机转速 量、模拟信号和开关信号，经处理后的输出经所述板边连接器到所述控制板和所述 保护板，所述控制板上的CPU根据信号板采集的信息以及所述调节柴油机转速的PID 调节器和所述调节供油齿条位移的PID调节器的输出量进行喷油量和转速控制，经 过所述桥式驱动电路驱动后输出，所述控制板和所述保护板之间通过所述保护板上 的双口RAM或所述板边连接器进行信息交互，所述控制板和所述保护板的输出经所 述板边连接器连接到所述信号板，再经所述连接器与外部所述执行机构连接；
所述调节柴油机转速的PID调节器的给定输入由司机控制器设定，其反馈输入 端连接所述转速传感器的输出，所述调节柴油机转速的PID调节器的输出为所述调 节供油齿条位移的PID调节器的给定输入，所述控制板上装设的所述两个LED数码 管通过所述控制盒的窗口进行观察，所述桥式驱动机构输出信号为脉宽调制信号。
5、如权利要求1或2或3或4所述的一种电子调速器，其特征在于：所述执 行机构包括输入插头、伺服器、输出摇臂、安装支架、连杆、复位弹簧、直角摇臂、 固定销、拉杆连接头以及弹性拉杆，所述输入插头通过连接导线与所述控制盒连接， 所述输入插头的输出连接所述伺服器的输入，所述输出摇臂由所述伺服器输出轴上 的花键套接在所述输出轴上，所述输出摇臂通过柱销连接所述连杆，所述连杆由柱 销连接所述直角摇臂，所述直角摇臂上和所述拉杆接头上分别设置一可由所述固定 销连接所述拉杆连接头和所述直角摇臂的销孔，所述拉杆连接头与所述弹性拉杆通 过螺扣连接，所述弹性拉杆连接柴油机喷油泵控制齿条。
6、如权利要求1或2或3或4所述的一种电子调速器，其特征在于：所述伺 服器包括力矩电机、主动齿轮、过渡齿轮、扇形齿轮、输出轴、测速齿轮对和角位 移传感器，其中所述主动齿轮、所述过渡齿轮对、所述扇形齿轮组成二级变速机构， 所述力矩电机由所述控制盒输出的所述脉宽调制信号驱动，所述力矩电机的输出控 制所述二级变速机构，所述二级变速机构克服了所述复位弹簧的阻力后，将输出转 矩传递到所述输出轴，所述测速齿轮对将所述输出轴输出的旋转角度传递给所述角 位移传感器，所述角位移传感器的输出为所述输入插头的另一输入信号，连接到所 述控制盒中所述控制板上的所述调节供油齿条位移的PID调节器的反馈输入端。
7、如权利要求5所述的一种电子调速器，其特征在于：所述伺服器包括力矩 电机、主动齿轮、过渡齿轮、扇形齿轮、输出轴、测速齿轮对和角位移传感器，其 中所述主动齿轮、所述过渡齿轮对、所述扇形齿轮组成二级变速机构，所述力矩电 机由所述控制盒输出的所述脉宽调制信号驱动，所述力矩电机的输出控制所述二级 变速机构，所述二级变速机构克服了所述复位弹簧的阻力后，将输出转矩传递到所 述输出轴，所述测速齿轮对将所述输出轴输出的旋转角度传递给所述角位移传感 器，所述角位移传感器的输出为所述输入插头的另一输入信号，连接到所述控制盒 中所述控制板上的所述调节供油齿条位移的PID调节器的反馈输入端。
8、如权利要求1或2或3或4或7所述的一种电子调速器，其特征在于：所 述执行机构还包括原有的机械液压调速器摇臂，所述机械液压调速器摇臂上设置一 销孔，所述拉杆连接头上还设置一销槽，所述固定销可通过所述机械液压调速摇臂 上的销孔和所述拉杆连接头上的销槽将所述机械液压调速摇臂和所述拉杆连接头 连接起来。
9、如权利要求5所述的一种电子调速器，其特征在于：所述执行机构还包括 原有的机械液压调速器摇臂，所述机械液压调速器摇臂上设置一销孔，所述拉杆连 接头上还设置一销槽，所述固定销可通过所述机械液压调速摇臂上的销孔和所述拉 杆连接头上的销槽将所述机械液压调速摇臂和所述拉杆连接头连接起来。
10、如权利要求6所述的一种电子调速器，其特征在于：所述执行机构还包括 原有的机械液压调速器摇臂，所述机械液压调速器摇臂上设置一销孔，所述拉杆连 接头上还设置一销槽，所述固定销可通过所述机械液压调速摇臂上的销孔和所述拉 杆连接头上的销槽将所述机械液压调速摇臂和所述拉杆连接头连接起来。
技术领域
本实用新型涉及一种调速器，特别是关于一种内燃机车柴油机的电子调速器。
背景技术
目前国外在内燃机车柴油机的控制上已经推出了三代电控燃油喷射系统，即第 一代位置控制式、第二代时间控制式和第三代时间控制和共轨电喷式系统。时间控 制和共轨电喷式系统的工作性能、技术指标和控制自由度等都有了很大的提高。在 国内由于执行器和传感器的研究和应用水平较低，到目前为止尚无机车柴油机的电 子调速器的开发和研制的相关报道，电喷系统完全从国外进口。
发明内容
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种基于位置控制的机车柴油机电子 调速器。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种电子调速器，其特征在 于：它包括硬件部分和软件部分，所述硬件部分包括控制盒、执行机构、转速传感 器和电源，所述控制盒的一个输入端通过连接导线与所述电源连接，输出端由导线 连接到所述执行机构，所述执行机构的输出经调控拉杆控制柴油机的运转，所述转 速传感器测量柴油机的转速，所述转速传感器的输出由导线连接到所述控制盒的另 一输入端；所述软件部分包括主控模块、信号调理模块、齿条驱动模块和通讯模块。
所述控制盒包括盒体、两个连接器、两套控制线路板以及两块电源板，所述盒 体上表面设置一窗口；一个所述连接器、一个所述控制线路板和一个所述电源板之 间通过接插件连接组成一套硬件电路，所述连接器连接所述控制线路板的信号板， 所述电源板连接所述控制线路板的所述信号板，所述电源板还与所述连接器连接， 另一个所述连接器、另一个所述控制线路板和另一个所述电源板组成另一套完全相 同的硬件电路，其中一套互为另一套的冷备份。
所述控制线路板均采用贴片工艺，每个所述控制线路板都包括保护板、控制板 和信号板，三层线路板之间采用螺柱固定；最下层为所述信号板，中间层为所述控 制板，最上层为所述保护板，所述控制板包括CPU芯片、调节柴油机转速的PID 调节器、调节供油齿条位移的PID调节器、两个LED数码管和VMOS管组成的桥式 驱动电路，所述保护板包括CUP芯片，所述保护板、所述控制板和所述信号板两两 之间通过板边连接器连接；所述信号板的输入通过所述连接器与外部所述执行机 构、所述转速传感器连接，采集柴油机转速量、模拟信号和开关信号，经处理后的 输出经所述板边连接器到所述控制板和所述保护板，所述控制板上的CPU根据信号 板采集的信息以及所述调节柴油机转速的PID调节器和所述调节供油齿条位移的 PID调节器的输出量进行喷油量和转速控制，经过所述桥式驱动电路驱动后输出， 所述控制板和所述保护板之间通过所述保护板上的双口RAM和所述板边连接器进 行信息交互，所述控制板和所述保护板的输出经所述板边连接器连接到所述信号 板，再经所述连接器与外部所述执行机构连接；所述调节柴油机转速的PID调节器 的给定输入由司机控制器设定，其反馈输入端连接所述转速传感器的输出，所述调 节柴油机转速的PID调节器的输出为所述调节供油齿条位移的PID调节器的给定输 入，所述控制板上装设的所述两个LED数码管通过所述控制盒的窗口进行观察，所 述桥式驱动机构输出信号为脉宽调制信号。
所述执行机构包括输入插头、伺服器、输出摇臂、安装支架、连杆、复位弹簧、 直角摇臂、固定销、拉杆连接头以及弹性拉杆，所述输入插头通过连接导线与所述 控制盒连接，所述输入插头的输出连接所述伺服器的输入，所述输出摇臂由所述伺 服器输出轴上的花键套接在所述输出轴上，所述输出摇臂通过柱销连接所述连杆， 所述连杆由柱销连接所述直角摇臂，所述直角摇臂上和所述拉杆接头上分别设置一 可由所述固定销连接所述拉杆连接头和所述直角摇臂的销孔，所述拉杆连接头与所 述弹性拉杆通过螺扣连接，所述弹性拉杆连接柴油机喷油泵控制齿条。
所述伺服器包括力矩电机、主动齿轮、过渡齿轮、扇形齿轮、输出轴、测速齿 轮对和角位移传感器，其中所述主动齿轮、所述过渡齿轮对、所述扇形齿轮组成二 级变速机构，所述力矩电机由所述控制盒输出的所述脉宽调制信号驱动，所述力矩 电机的输出控制所述二级变速机构，所述二级变速机构克服了所述复位弹簧的阻力 后，将输出转矩传递到所述输出轴，所述测速齿轮对将所述输出轴输出的旋转角度 传递给所述角位移传感器，所述角位移传感器的输出为所述输入插头的另一输入信 号，连接到所述控制盒中所述控制板上的所述调节供油齿条位移的PID调节器的反 馈输入端。
所述执行机构还包括原有的机械液压调速器摇臂，所述机械液压调速器摇臂上 设置一销孔，所述拉杆连接头上还设置一销槽，所述固定销可通过所述机械液压调 速摇臂上的销孔和所述拉杆连接头上的销槽将所述机械液压调速摇臂和所述拉杆 连接头连接起来。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于本实用新型控 制盒的盒体为铸铝结构，所以安装方便，抗振性能好，且防油防水。2、由于本实 用新型可将原有柴油机430转/分的最低怠转转速降至380转/分，所以大大降低怠 转时的燃油消耗。3、由于本实用新型引入了柴油机进气相关参数和负载参数，所 以改善了柴油机调速动态过程，启动转速超调小或者无超调，启动柔和，同时极大 地改善了启动过程中柴油机排气冒黑烟问题，大大提高了柴油机运行的经济性。4、 由于本实用新型对PID算法进行了随参数和偏差变化的改进，所以具有非线性和智 能化的特点。本实用新型可广泛应用于柴油机机车系统。
附图说明
图1是本实用新型的总体结构示意图
图2是本使用新型中控制盒的组成结构示意图
图3是本实用新型中执行机构和连杆结构间连接关系示意图
图4是本实用新型的拉杆连接头示意图
图5是本实用新型的控制方框图
具体实施方式
如图1所示，本实用新型硬件部分包括控制盒1、执行机构2、转速传感器3 和电源4等组成。控制盒1一个输入端通过连接导线与电源4连接，电源4提供 48V工作电源，控制盒1的输出端由导线连接到执行机构2，执行机构2的输出经 调控拉杆控制柴油机的运转，由转速传感器3测量该转速，转速传感器3的输出由 导线连接到控制盒1的另一输入端，作为控制盒1的转速反馈信号。
如图2所示，控制盒1包括盒体11，两个连接器12、13，两套控制线路板14、 15以及两块电源板16、17。盒体11为铸铝结构，其上表面有一窗口，连接器12、 控制线路板14和电源板16之间通过接插件连接组成一套硬件电路，连接器12连 接控制线路板14的信号板，实现信号的双向传输，电源板16连接控制线路板14 的信号板，为控制线路板14提供电源，电源板16还与连接器12连接，电源板16 完成电源4输出的48V电压到5V电压的转换，完成信号的双向传输；连接器13、 控制线路板15和电源板17组成另一套完全相同的硬件电路，其中一套互为另一套 的冷备份。其中，连接器12、13为防油防水的航空连接器，电源板16、17完成DC48V 到DC5V的转换，为控制线路板14、15提供5V供电电源。
控制线路板14、15，采用贴片工艺，每个控制线路板都由保护板、控制板和 信号板三层线路板组成，三层线路板之间采用螺柱固定。最下层为传输I/O信号的 信号板，信号板的输入通过连接器12、13与外部执行机构2、转速传感器3连接， 采集柴油机转速量、模拟信号和开关信号；中间层为实施所有控制功能的控制板， 控制板包括CPU芯片、调节柴油机转速的PID调节器、调节供油齿条位移的PID 调节器、两个LED数码管和VMOS管组成的桥式驱动电路，其中CPU芯片是由INTEL 十六位单片机实现的，调节柴油机转速的PID调节器和调节供油齿条位移的PID 的输入分别为柴油机转速给定和供油齿条的给定，且调节柴油机转速的PID调节器 的输出即为调节供油齿条位移的PID调节器的给定输入，控制板上装设的两个LED 数码管可通过控制盒1的窗口观察到，它们用以显示柴油机运行状态，当电子调速 器处于正常工作的各种工况或者由于故障并使柴油机停机时，数码管均会显示相应 代码，桥式驱动机构以脉宽调制(PWM)方式工作；最上层是保护板，其包括的CPU 芯片型号与控制板上的CPU芯片型号完全相同，它独立计算转速，并实施超速保护。 信号板采集到的信号经过信号板上相关电路的整形、放大等处理后的输出经板边连 接器到控制板和保护板，控制板上的CPU根据信号板采集的信息以及调节柴油机转 速的PID调节器和调节供油齿条位移的PID调节器的输出量进行喷油量计算和转速 控制，经过桥式驱动电路后输出。控制板和保护板之间通过保护板上的双口RAM 和板边连接器进行信息交换。控制板和保护板的输出经板边连接器连接到信号板， 再经连接器12、13与外部执行机构2连接，以控制执行机构2的正常运转。
如图3所示，执行机构2包括输入插头201、伺服器202、输出摇臂203、安 装支架204、连杆205、复位弹簧206、直角摇臂207、固定销208、拉杆连接头209 以及弹性拉杆210，输入插头201通过连接导线与控制盒1连接，输入插头201的 输出连接伺服器202的输入，输出摇臂203由伺服器202输出轴上的花键套接在该 输出轴上，输出摇臂203通过柱销连接连杆205，连杆205由柱销连接直角摇臂207， 直角摇臂207由固定销208连接拉杆连接头209，拉杆连接头209与弹性拉杆210 通过螺扣进行连接。
伺服器202包括力矩电机、主动齿轮、过渡齿轮、扇形齿轮、输出轴、测速齿 轮对和角位移传感器，其中主动齿轮、过渡齿轮对、扇形齿轮组成的二级变速机构， 力矩电机由控制盒1输出的PWM信号驱动，力矩电机的输出控制二级变速机构，二 级变速机构克服了复位弹簧206阻力后，将输出转矩传递到输出轴，输出轴输出的 转矩经输出摇臂203和连杆205传递给直角摇臂207，直角摇臂207将转矩转化为 和拉杆连接头209、弹性拉杆210相连的柴油机喷油泵控制齿条的直线位移，用以 改变柴油机的循环供油量，从而调整柴油机的转速。在伺服器202内通过测速齿轮 对将输出轴旋转角度传递给角位移传感器，角位移传感器将角度信号转化为电压信 号，该信号为输入插头201的另一输入信号，连接导线连接控制盒1中控制板上的 调节供油齿条位移的PID调节器，作为齿条位移反馈信号。伺服器202输出扭矩大 于30N·m，输出的最大转角为48°，可保证各型机车柴油机在最大功率时有足够 的循环供油量。
为将机车原有的联合调速器保留，并考虑到在特殊情况下电子调速器和联合调 速器能够进行快速切换，对拉杆连接头209进行了特殊设计。如图3、图4所示， 拉杆连接头209采用了双向调节设计，以保证电子调速器、机械液压调速器及柴油 机喷油泵有共同的零位，执行机构2的直角摇臂207与机械液压调速器摇臂211 处在一个平行平面上，且并列放置，以保证弹性拉杆210的控制轴线不变。在直角 摇臂207上用以与拉杆连接头209连接的一端设置有一个销孔，在拉杆连接头209 上设置有一个销孔和一个销槽，当固定销208安装在拉杆连接头209的销孔位置， 将直角摇臂207和拉杆连接头209固定后，电子调速器控制供油齿条进行调节；当 固定销208安装在拉杆连接头209的销槽位置，将拉杆连接头209和机械液压调速 器摇臂211固定后，机械液压调速器控制供油齿条进行调节。通过上述方法改变固 定销208的位置可实现对所需调速器的选择。
如图5所示，柴油机的给定转速由司机控制器设定，柴油机的实际转速由装于 柴油机盘车齿圈部位的转速传感器3检测，得到频率与转速成比例的脉冲信号，给 定转速与实际转速之差作为调节柴油机转速的PID调节器的输入，其输出作为供油 齿条位移的给定，与供油齿条位移反馈之差经调节供油齿条位移的PID调节器后输 出的PWM信号为执行机构2的输入信号，PWM信号控制执行机构动作，执行机构2 将PWM信号转换为对外输出的转矩信号，该转矩信号一方面经角位移传感器的输出 作为供油齿条位移反馈，另一方面，该转矩信号由弹性拉杆210输出转化为相应的 位移信号，控制柴油机供油齿条的位置，以调节柴油机的循环供油量，使柴油机在 给定转速点稳定工作，而柴油机转速经转速传感器3后的输出为调节柴油机转速的 PID调节器的反馈输入。
此外，电子调速器的控制功能还包括起动控制、怠速控制、调速控制、超速保 护、故障诊断及系统保护。
按照所实现的功能，本实用新型的软件部分分为主控模块、信号调理模块、齿 条驱动模块和通讯模块。
主控模块部分主要完成调速、控制运算和系统工作状态显示等功能，是系统软 件的核心部分。本实用新型选用INTEL16位芯片80C196KC作为主芯片，构成微机 控制器系统，每隔一定的采样间隔，主控模块将转速、齿条位移等参数按一定规律 对其进行调节、运算等进行处理，得到相应调节量，经过驱动放大后通过执行机构 2调整柴油机喷油泵齿条位移，使燃油泵供应量与负载的变化相适应，从而控制柴 油机按所需要的特性稳定运行。
信号调理模块对80196KC单片机采集的、经整形、隔离等处理后的系统频率量、 模拟量和开关量等输入信号进一步进行比较、判断、数字滤波和量化运算或者逻辑 运算，最终得出供主控模块所需的各种参数和特征值，其中频率量输入通道用于柴 油机转速采集，传感器采用磁敏转速传感器，输出信号经整形隔离后输入单片机高 速输入HIS端口，以计算柴油机实际转速；模拟量输入通道用于给定转速信号、齿 条位移反馈信号及其他模拟量的输入，隔离放大后经80C19KC的8路10位A/D进 行转换；开关量输入来自司机控制器的输入开关量，经过隔离、整形后，由并口芯 片8255转换为数字量，并将该数字量传送到CPU的数据总线上。
齿条驱动模块部分主要实现系统输出信号的隔离、整形及驱动等功能，为提高 PWM信号的分辨率，PWM信号由高速输出HSO通道输出。
通讯模块是在每个采样周期里，将电子调速器的输入、输出参数以及控制过程 中的主要中间值和运算中间结果、特征值、故障状态下的故障值，送至双口RAM 的相应单元，由专用的PC机通讯软件进行读取。
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发 明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的 权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应 局限于最佳实施例和附图所公开的内容，要求保护的范围以权利要求书界定的范围 为准。
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