关键词：电动泵 MCU 控制系统
Abstract: In this paper, we designed a control system of electrical fuel pump based on MCU. This paper described the system’s realization, hardware structure and software design.
Keywords: Electrical Fuel Pump, MCU, Control System
1.引言
泵是输送液体或使液体增压的机械。电动泵是泵的一种，是机械泵与电动机的结合品，作为机电一体化的产物，它将电动机的机械能传送给液体，使液体能量增加，从而达到输送液体或使液体增压的目的。电动泵主要用来输送液体包括水、油、乳化液、悬乳液等。 因此，电动泵可以用于汽车的发动机来使燃油增压，也可以用于持续喷油的航空涡喷发动机，还可以用于食品机械等需要进行液体输送或是使液体增压的场合。那么，对电动泵流量的控制就是一个非常实用的课题。
对电动泵的控制实质上就是对电动机的控制。使用传统方法控制电动机转速时，需要安装测速装置。无论是安装磁阻式磁电传感器或是光电式转速表，还是霍尔传感器等其它类型的传感器，都会使电动机的体积增大，成本增高，况且传感器的任何误差都会导致电枢电流增大和电机效率的降低，从而引发加大电机的发热量，并且对电机生产制造工艺要求增高等一系列问题。因此，本文在对电动泵的结构和工作原理进行了研究以后，提出一种有别于传统控制方法的电动泵控制系统。
2.电动燃油泵的结构及其工作原理
本文所研究的电动燃油泵由泵体、永磁电动机和外壳三部分所组成。电动燃油泵的电动机部分包括固定在外壳上的永久磁铁和产生电磁力矩的电枢以及安装在外壳上的电刷装置。电刷与电枢上的换向器相接触，其引线接到外壳上的接柱上，将控制电动燃油泵的电压引到电枢绕组上。电动燃油泵的外壳两端卷边铆紧，使各部件组装成一个不可拆卸总成。
工作原理为：永磁电动机通电即带动泵体旋转，将燃油从进油口吸入，流经电动燃油泵内部，再从出油口压出，给燃油系统供油。燃油流经电动燃油泵内部，对永磁电动机的电枢起到冷却作用，又称湿式燃油泵。
3.设计的总体思想
由以上电动泵的结构分析可以知道，电动泵的工作主要是靠直流电动机来实现的。对电动泵的控制就转化为对直流电动机的控制。所以要想实现电动泵的单片机控制系统设计，就必须测得电机的转速。
但直流电动机是总成在电动燃油泵之内的，使得传统的测量转速的方法比如直流测速发电机等都无法实现，除非是改变电动泵的结构，把电动机转速的测量机构加入进去，这样的话，增加了电动泵的制造成本，显得有些得不偿失。
那么，既然在电动机转速无法直接得到和不改变电动泵原有的结构的条件下，要实现对电动泵的单片机闭环控制，就需要采用其他控制方案代替转速负反馈控制方案。
根据直流电动机与其它电机参数的关系公式
式中：U-电枢两端电压;
Ia-电枢中的电流;
Ra-电机电枢电阻;
cε-电机的结构参数，是一个常量;
Φ-电枢中的磁通量，也是一个常量;
可以得出结论：电动机转速可以由电枢两端电压和通过电枢的电流间接反映，而电动燃油泵的这两个参数是可以测量到的，因此本文采用反馈电枢电压、电流信号的方式来替代转速反馈，并选用双极式H型可逆PWM功放电路作为电机的驱动电路。
4.硬件结构
考虑到电动燃油泵的动能和控制系统的性质、特点，并综合以下因素：
（1）考虑到降低系统的性能价格比，只需8位单片机即可。
（2）要有4K以上的程序存储器（ROM），用来存放控制程序;可扩展FLASH存储芯片，便于控制参数的实时调整。
（3）为方便测试阶段控制参数的实时调整，并且考虑到系统的可扩展性，应具有I 2C总线。
（4）考虑到程序的可移植性，硬件电路接口的兼容性，选用的单片机必须都是51内核。
初步选PHILIPS公司的8位单片机—83C552。
83C552 除了满足以上基本要求外，还具有下列特点：与MCS-51兼容，它具有相同的CPU和指令系统，引脚功能兼容，容易掌握和使用;内含PWM信号输出口，使得系统硬件电路及程序简单化;集成了8 路10 位的A/D 转换器，可以满足系统模拟信号的采样通道数量及采样精度要求，因此无需另选A/D转换器，简化了电路，降低了成本;自带看门狗电路,保证了系统的稳定性。
控制系统的总体硬件示意结构图如图1所示。
图1
其工作原理为：电机速度给定信号由上位机通过异步通讯接口给定。电枢电压、电流采样信号经过反馈预处理电路后送入单片机。单片机巡回检测A/D采样通道电压、电流值和速度给定信号值，形成的偏差信号经过PID调节器调制放大，再通过单片机上的PWM寄存器装载成PWM信号的形式输出到模拟电路部分，途经延时电路延时、门极驱动电路放大，形成一定功率、占空比的PWM门极驱动电压，控制PWM功率管的开启和关断时间，从而改变直流电动机电枢上的平均电压的大小。控制脉冲的宽度由速度给定信号和电流、电压采样值共同决定。
图中虚线框里的部分均可以用单片机来实现。这样，由单片机软件编程设计离散域控制器，通过电压电流反馈形成闭环控制系统，保证了控制系统性能。采用PWM电机驱动电路，通过改变PWM信号脉冲宽度，即可实现调压调速的目的。
5.软件设计
电动机速度控制程序的设计应该主要考虑以下问题：
（1）单片机PWM 信号装载;
（2）电压、电流反馈信号采样，数字滤波;
（3）实现电压PID控制算法;
（4）数据处理时把所有数按定点纯小数补码形式转换，然后把10 位电压、电流采样值都变成16位参加运算，运算结果取8位有效值;
（5）与上位机的通讯。
电动机控制程序由主程序和T0 中断服务程序两部分组成。主程序包括83C552 本身的初始化以及各并行I/O 口的初始化。其重要的子程序有：采样子程序、串口通讯子程序、数字滤波子程序、PID计算子程序等。
主程序流程图（图2）以及T0中断服务程序流程图（图3）分别如图所示。
图2
图3
6.结束语
本文的创新点：通过对电动燃油泵工作机理分析，采用PHILIPS 公司83C552 单片机为主控芯片，设计了双极性H型桥式PWM（脉冲宽度调节）电机驱动控制硬件系统，并采用电压负反馈电流补偿控制代替转速负反馈控制，形成完整的闭环控制系统，是控制理论的实际应用的一次大胆尝试，并为整个发动机的控制系统的研制奠定了基础。
经过以PC机为上位机，单片机系统为下位机组成的原理性试验系统的初步试验，我们所设计的新型控制系统基本上可以实现电动燃油泵的流量调节。但是由于电压电流的反馈信号来自取样电阻和单片机位数的限制以及PID参数的选择上还有进一步的改进的余地，所以在具体应用时要根据实际情况反复试验，以便达到最好的控制效果。
参考文献：
[1] 陈伯时主编.《电力拖动自动控制系统》（第二版）.北京：机械工业出版社，2004年6月
[2] 秦继荣、沈安俊编著.《现代直流伺服控制技术及设计》.北京：机械工业出版社，1993年
[3] 胡汉才编著.《单片机原理及系统设计》.北京：清华大学出版社，2002年
[4] 王晓明编著.《电动机的单片机控制》.北京：北京航空航天大学出版社，2002年5月
[5] 杨宏丽.基于80C196单片机的模糊控制系统.微计算机信息，2005，（03）
