直流电弧等离子体发生器电源的特性分析及控制原理
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确定活塞位置的信号在曲轴上安装上止点位置传感器可直接获取上止点信号但是在一个工作循环中曲轴转两圈活塞有两个上止点如果不能区分是压缩上止点还是排气上止点上止点信号就很难作为活塞位置的测量基准必须还要有一个压缩或排气上止点的识别信号这个信号只能取自发动机一个循环只转一圈的凸轮轴或分电器轴处
科技情报开发与经Байду номын сангаас （7889 ） 文章编号： !88# ; "8<< 8: ; 8!"# ; 87
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科技情报开发与经济 （EAAI ） 文章编号： !AAF K "A?? AD K A!"" K AE
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EAAI 年
第 !I 卷
第D期
收稿日期： EAAI K AF K E"
电控汽油机检测活塞位置的原理及其传感器
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极保护的目的5 又可以提高发生器的效率， 是一种较为理想的方法。但是5
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电弧等离子发生器
电弧等离子体发生器是指能稳定地产生等离子体并把电能转化为
等离子发生器的电源是恒流源，没有电压控制环，所以调节电压就必须以 改变发生器的结构来实现。增加阳极数目、加大阴极和阳极之间的距离可 以实现提高电压的目的，但阳极数目和间隙的增大必然要求电源在匹配环 节上改动。增大续流电抗器、 双电流闭环控制可达到匹配的目的。 （责任编辑： 胡建平 ）
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活塞位置确定
活塞位置的测量基准 轿车使用的汽油机都是四冲程汽油机，在发动机的一个工作循环
中，活塞在气缸中上下运动各二次，曲轴转动 @EAL；对于确定的曲轴转 角，活塞在气缸中有确定的位置，而对于确定的活塞位置所对应的曲轴 转角却不是唯一的。在描述活塞位置时， 常以活塞处于上止点时对应的 曲轴位置为基准， 即上止点是常用的活塞位置测量基准。由于在一个工 作循环中有两个上止点， 通常描述活塞位置时会讲明是哪一个上止点。 而在电控汽油机中则要使用专用的传感器来判定所出现的上止点是哪 一个上止点。 检测活塞位置的方法是先确定测量基准， 然后再度量曲轴相对于测 量基准的转角， 从而使活塞位置被唯一确定。 当确定了测量基准后， 电控 系统把从测量基准开始的 @EAL曲轴转角，即一个工作循环，作为控制范 生器工作较稳定， 但容易烧毁组件。
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电弧等离子体发生器的工作过程及电源特性
以三极等离子发生器为研究对象。 等离子发生器由阴极、 一级阳极、
二级阳极和冷却部分组成。当一定压强、 流量的气体介质进入等离子炬 腔体后， 在阴极和一级阳极间加附直流高压， 启动高压高频点火信号。 在 高频点火信号、 直流高压的作用下， 气体介质迅速被击穿， 形成电弧。通 过调节电源电流使电弧电流达到一定量值时， 切断点火信号。电弧能量 急剧上升，气体介质被连续击穿，产生连续的等离子体，并保持一定体 积； 这时接通第二级阳极， 初级弧、 工作弧共存， 使等离子能量增大， 电弧 的截面积达到二级阳极的 :8 = 。 切断一级阳极， 使等离子炬中产生体积 大、 电弧长、 能量集中稳定的等离子体。至此， 等离子炬起弧过程完毕。 （! ） 等离子发生器电源的伏安特性。电弧等离子体的持续产生主要 依靠电弧的能量。 如何维持电弧的稳定， 有效地控制电弧的能量， 产生连 续、 集中的等离子体就是对等离子体发生器电源的根本要求。一般情况 下产生等离子体的电弧具有下降的伏安特性， 即弧电压随着弧电流的增 加而降低。 在等离子发生器电路中， 电弧是作为负载出现的。 等离子体发 生器的电气系统电路如图 ! 所示。 图中， ! 为平波电抗器； "! 可以改变加 在电弧电压两端的伏安特性曲线的斜率，通常为两个电阻，一个为保护 电源的电阻， 另一个为串联负载电阻。 （7 ） 当 "! 很小 时 负载 两 端的伏安特性。当 "! 很小时， 负载两端的伏安特性曲线较 硬，也就是电源特性接近恒压 图! 等离子体发生器的电气系统电路 源。此时电源的伏安特性曲线 同加附在电弧两端的伏安特性 曲线有一个交点。 （< ） 当 "! 很大时负载两端的伏安特性。 当 "! 很大时， 负载两端的伏 安特性曲线较软， 接近恒流源特性。这时电源的伏安特性曲线同加附在 电弧两端的伏安特性曲线有两个交点。 因此可知， 要使电弧稳定工作， 则 要求工作点处施加在电弧上的伏安特性曲线的下降陡度应大于电弧伏 安特性曲线的下降陡度。实际电路中， 一般采用饱和电抗器或用可控硅 整流获得的陡降特性来满足这种电源要求。
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7889 年
第 !9 卷
第:期
收稿日期： 7889 ; 8# ; !9
直流电弧等离子体发生器电源的 特性分析及控制原理
张胜达
摘 要： 介绍了电弧等离子体发生器的工作原理、 工作过程及电源特性， 以及等离子体 发生器电源的电气控制原理。展望了电弧等离子发生器实现工业化的前景。 关键词： 等离子体发生器； 直流电弧； 电源 中图分类号： (+!<" 文献标识码： 0
现在的轿车多使用电控汽油机，电控系统在控制汽油机的喷油与 点火时，要对发动机的每一工作循环进行独立控制，在每一循环中必 须要检测到活塞在每一时刻所处的位置， 这样才能准确地进行点火及 喷油等控制， 对活塞位置的检测及检测手段是发动机电控系统的重要 组成部分。
围， 依据设定的程序确定出何时点火何时喷油等， 并据此进行控制。 通过 对这样一个个的连续的工作循环的独立的控制， 来实现对汽油机点火和 喷油的控制。 !9 E 确定活塞位置的信号 在曲轴上安装上止点位置传感器，可直接获取上止点信号，但是在 一个工作循环中曲轴转两圈，活塞有两个上止点，如果不能区分是压缩 上止点还是排气上止点，上止点信号就很难作为活塞位置的测量基准， 必须还要有一个压缩或排气上止点的识别信号， 这个信号只能取自发动 机一个循环只转一圈的凸轮轴或分电器轴处。 如果来自曲轴的上止点信 号出现，在规定的曲轴转角范围内压缩信号也出现，则该上止点就被判 定为压缩上止点，并确认为是活塞位置的测量基准信号，此时开始测量 曲轴的转角以反映活塞位置。 曲轴转角信号可以从曲轴上获取， 也可以从凸轮轴或分电器轴上获 取。同样凸轮轴或分电器轴上获取的曲轴转角信号位置精度较低， 这种 方法也多见于早期的电控发动机上。 故此， 为了确定活塞位置， 先要确定一个测量基准， 这个测量基准由 两个参数组成， 即从曲轴上获取的上止点信号与从凸轮轴或分电器轴上 获取的压缩行程信号。 然后再用曲轴相对于测量基准的转角来确定活塞 位置， 曲轴转角信号多从曲轴上获取。因此确定活塞位置需要 ? 个位置
网电压为 988 2 ， 浮动范围在 # = 左右 ） ， 将电位器回零。 启动初级电弧按 钮， 初级弧接触器吸合， 接通高频点火信号， 迅速调节电流给定电位器， 启动工作电弧按钮， 在时间继电器、 中间 使电流平稳、 迅速上升至 788 0 。 继电器的控制下， 迅速实现初级、 工作弧的转换。 将电流调节到最佳匹配 值， 等离子发生器启动工作完毕。 7> < 7> <> ! 控制原理 控制原理示意图见图 7 。 控制原理
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等离子体发生器电源的电气控制原理
系统组成 以可控硅整流电源为研究对象，系统由以下元器件组成：进线平波
（隔离变压器 ） 电抗器 ； 电源控制开关柜； 可控硅触发控制单元； 可控硅整 流单元； 可控硅阻容保护吸收单元； 继电器控制单元； 高频点火单元； 出 （负载 ） 线饱和电抗器； 等离子发生器单元 。 7> 7 工作过程 将等离子发生器的气路、 冷却系统连接正确后， 调节气压、 流量， 做 好开机前准备工作。 闭合主令负荷开关， 接通控制电源， 接通可控硅冷却 （空载电压应为 ##8 2 ， 系统， 调节给定电位器， 观察空载电压是否正常 电
薛矫智 !5 王 力E
（!9 广东机电职业技术学院， 广东广州， 广东广州， F!AF!F ； E9 公安边防部队广州指挥学校， F!A""? ） 摘 要： 分析了电控汽油机确定活塞位置的原理和步骤， 介绍了传感器的安装要求， 阐
述了直列及 G 型发动机确定活塞位置的原理。 关键词： 电控汽油机； 活塞位置； 传感器； 测量基准 中图分类号： HI"I9 !@! 文献标识码： J
图7
控制原理示意图
电弧等离子发生器的电源主要控制发生器中的电弧电流， 所以可控 硅整流电源是以恒流源作为模型的，即电流单环控制。具体过程为： #? （ 电流给定信号 ） 经 4& （比例积分环节 ） 同比反向放大同 # （ @ 电流反馈信 ） 控制移相触发环节， 控制可控硅的导通角。 号 比较， 再次被 4& 环放大， 7> <> 7 控制难点 使等离子发生器中的电弧稳定工作， 这是对等离子发生器电源的基 本要求。如何实现初级弧与工作弧的顺利转接、 使弧长拉大保持高效率 输出是电源控制的难点。 （! ） 反馈环节的取样信号。 因为是恒流源， 所以拾取的信号对象是电 流信号。一般以续流电阻的两端的电压作为基值信号。保持电压恒定也 就实现了电流的恒定。但因该电阻的阻值应接近发生器工作时的阻值， 而工作时发生器内的电阻是一个变量， 所以取值较难。该电阻的大小必 须能够迅速反映出电弧电流的扰动信号， 也就是实现出线电抗器和等离 子发生器组成的电路工作匹配。 等离子电弧电流比较大， 变化剧烈， 电阻 的取值范围一般取平均值， 如在发 !88 AB 的电源取值在 988 ! C :88 !。 生器工作中出现电弧电流调节缓慢， 但电流稳定， 则阻值较大； 如出现电 弧电流抖动剧烈、 熄弧， 则阻值过小。 （7 ） 实现初级弧与工作弧的顺利转接。在一级阳极和二级阳极加接 一个电阻， 在转弧时接通， 转弧后切断。该电阻阻值很小， 一般取值范围 为 8> D ! C !> # !。电阻的大小直接与等离子发生器的内部结构有关， 它 的大小直接决定转弧的顺利进行。不能转弧或转弧后迅速熄灭， 阻值过 大； 转弧顺利， 电流波动大， 电弧长度较短， 则电阻过小。 （< ） 控制回路的传递函数关系。反馈微分时间 $ 4 越小、 放大倍数越 大， 控制回路的跟随性越好， 但是越容易使电源伏安特性曲线变硬， 造成 发生器工作不稳定。所以在控制电路板中 " @ 和末级 4& 环节的比例电阻 直接关系到末级传递函数的变化。反之， 则虽然发 "A 的取值非常关键，
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第一作者简介： 张胜达， 男， 山西省太原市人， !C@A 年 D 月生， !CCE 年毕业于山西矿业学院电气自动化专业， 工程师， 山西焦煤集团， 山西省 太原市， A?AAF?9
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热能的装置， 又称之为等离子体炬。 使电弧等离子体发生器具有高热焓、 功率大、 寿命长、 效率高的特性， 是使电弧等离子发生器工业化的前提和 基础。 等离子体发生器的使用寿命主要取决于阴极。 正接阴极属牺牲极， 其产生热量占电弧热量的 @A B 左右。 延长阴极的寿命有 ? 种途径： 阴极 材料、阴极冷却方式、提高加在等离子体发生器阴极与阳极之间的直流 电压。 在提高电压的基础上减小电流， 既可以减缓阴极的消耗量， 达到阴
确定活塞位置的信号在曲轴上安装上止点位置传感器可直接获取上止点信号但是在一个工作循环中曲轴转两圈活塞有两个上止点如果不能区分是压缩上止点还是排气上止点上止点信号就很难作为活塞位置的测量基准必须还要有一个压缩或排气上止点的识别信号这个信号只能取自发动机一个循环只转一圈的凸轮轴或分电器轴处
科技情报开发与经Байду номын сангаас （7889 ） 文章编号： !88# ; "8<< 8: ; 8!"# ; 87
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EAAI 年
第 !I 卷
第D期
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电控汽油机检测活塞位置的原理及其传感器
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极保护的目的5 又可以提高发生器的效率， 是一种较为理想的方法。但是5
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电弧等离子发生器
电弧等离子体发生器是指能稳定地产生等离子体并把电能转化为
等离子发生器的电源是恒流源，没有电压控制环，所以调节电压就必须以 改变发生器的结构来实现。增加阳极数目、加大阴极和阳极之间的距离可 以实现提高电压的目的，但阳极数目和间隙的增大必然要求电源在匹配环 节上改动。增大续流电抗器、 双电流闭环控制可达到匹配的目的。 （责任编辑： 胡建平 ）
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活塞位置确定
活塞位置的测量基准 轿车使用的汽油机都是四冲程汽油机，在发动机的一个工作循环
中，活塞在气缸中上下运动各二次，曲轴转动 @EAL；对于确定的曲轴转 角，活塞在气缸中有确定的位置，而对于确定的活塞位置所对应的曲轴 转角却不是唯一的。在描述活塞位置时， 常以活塞处于上止点时对应的 曲轴位置为基准， 即上止点是常用的活塞位置测量基准。由于在一个工 作循环中有两个上止点， 通常描述活塞位置时会讲明是哪一个上止点。 而在电控汽油机中则要使用专用的传感器来判定所出现的上止点是哪 一个上止点。 检测活塞位置的方法是先确定测量基准， 然后再度量曲轴相对于测 量基准的转角， 从而使活塞位置被唯一确定。 当确定了测量基准后， 电控 系统把从测量基准开始的 @EAL曲轴转角，即一个工作循环，作为控制范 生器工作较稳定， 但容易烧毁组件。
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电弧等离子体发生器的工作过程及电源特性
以三极等离子发生器为研究对象。 等离子发生器由阴极、 一级阳极、
二级阳极和冷却部分组成。当一定压强、 流量的气体介质进入等离子炬 腔体后， 在阴极和一级阳极间加附直流高压， 启动高压高频点火信号。 在 高频点火信号、 直流高压的作用下， 气体介质迅速被击穿， 形成电弧。通 过调节电源电流使电弧电流达到一定量值时， 切断点火信号。电弧能量 急剧上升，气体介质被连续击穿，产生连续的等离子体，并保持一定体 积； 这时接通第二级阳极， 初级弧、 工作弧共存， 使等离子能量增大， 电弧 的截面积达到二级阳极的 :8 = 。 切断一级阳极， 使等离子炬中产生体积 大、 电弧长、 能量集中稳定的等离子体。至此， 等离子炬起弧过程完毕。 （! ） 等离子发生器电源的伏安特性。电弧等离子体的持续产生主要 依靠电弧的能量。 如何维持电弧的稳定， 有效地控制电弧的能量， 产生连 续、 集中的等离子体就是对等离子体发生器电源的根本要求。一般情况 下产生等离子体的电弧具有下降的伏安特性， 即弧电压随着弧电流的增 加而降低。 在等离子发生器电路中， 电弧是作为负载出现的。 等离子体发 生器的电气系统电路如图 ! 所示。 图中， ! 为平波电抗器； "! 可以改变加 在电弧电压两端的伏安特性曲线的斜率，通常为两个电阻，一个为保护 电源的电阻， 另一个为串联负载电阻。 （7 ） 当 "! 很小 时 负载 两 端的伏安特性。当 "! 很小时， 负载两端的伏安特性曲线较 硬，也就是电源特性接近恒压 图! 等离子体发生器的电气系统电路 源。此时电源的伏安特性曲线 同加附在电弧两端的伏安特性 曲线有一个交点。 （< ） 当 "! 很大时负载两端的伏安特性。 当 "! 很大时， 负载两端的伏 安特性曲线较软， 接近恒流源特性。这时电源的伏安特性曲线同加附在 电弧两端的伏安特性曲线有两个交点。 因此可知， 要使电弧稳定工作， 则 要求工作点处施加在电弧上的伏安特性曲线的下降陡度应大于电弧伏 安特性曲线的下降陡度。实际电路中， 一般采用饱和电抗器或用可控硅 整流获得的陡降特性来满足这种电源要求。
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7889 年
第 !9 卷
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收稿日期： 7889 ; 8# ; !9
直流电弧等离子体发生器电源的 特性分析及控制原理
张胜达
摘 要： 介绍了电弧等离子体发生器的工作原理、 工作过程及电源特性， 以及等离子体 发生器电源的电气控制原理。展望了电弧等离子发生器实现工业化的前景。 关键词： 等离子体发生器； 直流电弧； 电源 中图分类号： (+!<" 文献标识码： 0
现在的轿车多使用电控汽油机，电控系统在控制汽油机的喷油与 点火时，要对发动机的每一工作循环进行独立控制，在每一循环中必 须要检测到活塞在每一时刻所处的位置， 这样才能准确地进行点火及 喷油等控制， 对活塞位置的检测及检测手段是发动机电控系统的重要 组成部分。
围， 依据设定的程序确定出何时点火何时喷油等， 并据此进行控制。 通过 对这样一个个的连续的工作循环的独立的控制， 来实现对汽油机点火和 喷油的控制。 !9 E 确定活塞位置的信号 在曲轴上安装上止点位置传感器，可直接获取上止点信号，但是在 一个工作循环中曲轴转两圈，活塞有两个上止点，如果不能区分是压缩 上止点还是排气上止点，上止点信号就很难作为活塞位置的测量基准， 必须还要有一个压缩或排气上止点的识别信号， 这个信号只能取自发动 机一个循环只转一圈的凸轮轴或分电器轴处。 如果来自曲轴的上止点信 号出现，在规定的曲轴转角范围内压缩信号也出现，则该上止点就被判 定为压缩上止点，并确认为是活塞位置的测量基准信号，此时开始测量 曲轴的转角以反映活塞位置。 曲轴转角信号可以从曲轴上获取， 也可以从凸轮轴或分电器轴上获 取。同样凸轮轴或分电器轴上获取的曲轴转角信号位置精度较低， 这种 方法也多见于早期的电控发动机上。 故此， 为了确定活塞位置， 先要确定一个测量基准， 这个测量基准由 两个参数组成， 即从曲轴上获取的上止点信号与从凸轮轴或分电器轴上 获取的压缩行程信号。 然后再用曲轴相对于测量基准的转角来确定活塞 位置， 曲轴转角信号多从曲轴上获取。因此确定活塞位置需要 ? 个位置
网电压为 988 2 ， 浮动范围在 # = 左右 ） ， 将电位器回零。 启动初级电弧按 钮， 初级弧接触器吸合， 接通高频点火信号， 迅速调节电流给定电位器， 启动工作电弧按钮， 在时间继电器、 中间 使电流平稳、 迅速上升至 788 0 。 继电器的控制下， 迅速实现初级、 工作弧的转换。 将电流调节到最佳匹配 值， 等离子发生器启动工作完毕。 7> < 7> <> ! 控制原理 控制原理示意图见图 7 。 控制原理
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等离子体发生器电源的电气控制原理
系统组成 以可控硅整流电源为研究对象，系统由以下元器件组成：进线平波
（隔离变压器 ） 电抗器 ； 电源控制开关柜； 可控硅触发控制单元； 可控硅整 流单元； 可控硅阻容保护吸收单元； 继电器控制单元； 高频点火单元； 出 （负载 ） 线饱和电抗器； 等离子发生器单元 。 7> 7 工作过程 将等离子发生器的气路、 冷却系统连接正确后， 调节气压、 流量， 做 好开机前准备工作。 闭合主令负荷开关， 接通控制电源， 接通可控硅冷却 （空载电压应为 ##8 2 ， 系统， 调节给定电位器， 观察空载电压是否正常 电
薛矫智 !5 王 力E
（!9 广东机电职业技术学院， 广东广州， 广东广州， F!AF!F ； E9 公安边防部队广州指挥学校， F!A""? ） 摘 要： 分析了电控汽油机确定活塞位置的原理和步骤， 介绍了传感器的安装要求， 阐
述了直列及 G 型发动机确定活塞位置的原理。 关键词： 电控汽油机； 活塞位置； 传感器； 测量基准 中图分类号： HI"I9 !@! 文献标识码： J
图7
控制原理示意图
电弧等离子发生器的电源主要控制发生器中的电弧电流， 所以可控 硅整流电源是以恒流源作为模型的，即电流单环控制。具体过程为： #? （ 电流给定信号 ） 经 4& （比例积分环节 ） 同比反向放大同 # （ @ 电流反馈信 ） 控制移相触发环节， 控制可控硅的导通角。 号 比较， 再次被 4& 环放大， 7> <> 7 控制难点 使等离子发生器中的电弧稳定工作， 这是对等离子发生器电源的基 本要求。如何实现初级弧与工作弧的顺利转接、 使弧长拉大保持高效率 输出是电源控制的难点。 （! ） 反馈环节的取样信号。 因为是恒流源， 所以拾取的信号对象是电 流信号。一般以续流电阻的两端的电压作为基值信号。保持电压恒定也 就实现了电流的恒定。但因该电阻的阻值应接近发生器工作时的阻值， 而工作时发生器内的电阻是一个变量， 所以取值较难。该电阻的大小必 须能够迅速反映出电弧电流的扰动信号， 也就是实现出线电抗器和等离 子发生器组成的电路工作匹配。 等离子电弧电流比较大， 变化剧烈， 电阻 的取值范围一般取平均值， 如在发 !88 AB 的电源取值在 988 ! C :88 !。 生器工作中出现电弧电流调节缓慢， 但电流稳定， 则阻值较大； 如出现电 弧电流抖动剧烈、 熄弧， 则阻值过小。 （7 ） 实现初级弧与工作弧的顺利转接。在一级阳极和二级阳极加接 一个电阻， 在转弧时接通， 转弧后切断。该电阻阻值很小， 一般取值范围 为 8> D ! C !> # !。电阻的大小直接与等离子发生器的内部结构有关， 它 的大小直接决定转弧的顺利进行。不能转弧或转弧后迅速熄灭， 阻值过 大； 转弧顺利， 电流波动大， 电弧长度较短， 则电阻过小。 （< ） 控制回路的传递函数关系。反馈微分时间 $ 4 越小、 放大倍数越 大， 控制回路的跟随性越好， 但是越容易使电源伏安特性曲线变硬， 造成 发生器工作不稳定。所以在控制电路板中 " @ 和末级 4& 环节的比例电阻 直接关系到末级传递函数的变化。反之， 则虽然发 "A 的取值非常关键，
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第一作者简介： 张胜达， 男， 山西省太原市人， !C@A 年 D 月生， !CCE 年毕业于山西矿业学院电气自动化专业， 工程师， 山西焦煤集团， 山西省 太原市， A?AAF?9
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热能的装置， 又称之为等离子体炬。 使电弧等离子体发生器具有高热焓、 功率大、 寿命长、 效率高的特性， 是使电弧等离子发生器工业化的前提和 基础。 等离子体发生器的使用寿命主要取决于阴极。 正接阴极属牺牲极， 其产生热量占电弧热量的 @A B 左右。 延长阴极的寿命有 ? 种途径： 阴极 材料、阴极冷却方式、提高加在等离子体发生器阴极与阳极之间的直流 电压。 在提高电压的基础上减小电流， 既可以减缓阴极的消耗量， 达到阴