重康动力（深圳）有限公司

摘要： 主控制器是柴油发电机组的“大脑”与“神经中枢”，负责自动控制、实时监测与故障保护。本文梳理市场主流控制器品牌特点，以众智HGM6320为例，系统解析其核心技术参数、硬件架构、单片机原理及模拟量与开关量输入输出接口电路，为技术人员提供深入理解与故障排查的参考。

 

一、主控制器的作用与市场主流品牌

 

柴油发电机组主控制器是发电机组的控制装置，可实现对发电机组物理量的检测并显示，发动机的启动、运行、（正常、紧急）停机等控制性操作，供电及负载检测与切换，发电机组保护，故障诊测，远程通信遥测、遥控等。主控制器增强了发电机组运行的可靠性以及人机交流的方便性。

1. 市场主流品牌与特点
柴油发电机组主控制器就是整套机组的“大脑”和“神经中枢”，负责自动控制、实时监测和故障保护，确保在市电异常时能自动启动并安全供电。

 

 

2. 众智HGM6320主控制器的性能特点
由于大部分主控制器的基本功能具有通用性，本文以众智HGM6320主控制器为例介绍其产品性能。

该控制器以微处理器为核心，配备大屏幕液晶带背光、可选中英文显示，轻触按钮操作。它能精确测量和显示柴油发电机组及市电的电参量及水温、油压、油位等实时监测数据，实现柴油发电机组自动开机停机、负荷切换及报警保护功能。用户可对其参数进行更改设定，并记忆在内部FLASH存储器内，系统掉电时不会丢失。控制器内置速度频率检测环节，可精确判断启动成功、额定运行、超速状态，可循环保存99组历史记录并在现场进行查询。供电电源范围宽DC 12至35V，能适应不同的启动电池电压环境。模块化结构设计，可插拔式接线端子，嵌入式安装方式，结构紧凑，安装方便。

表1 众智HGM6320主控制器的主要技术参数

 

 

二、主控制器的基本结构与硬件组成

 

众智HGM6320主控制器采用微电子技术，电路高度集成，结构紧凑，操作界面简洁明了。主控制器采用32位单片机作为核心控制器件，并进行适当外围扩展，显示单元采用具有低温工作特性的荧光点阵显示器，显示各种参量的实时数字值，实现了数据分析、处理及控制智能化，并具备遥测、遥信、遥控功能。

1. 硬件整体架构
控制器硬件由CPU、A/D转换电路、DC/DC转换电路、工况选择检测电路、电压检测电路、转速测量电路、输出控制电路、按键接收电路、显示电路和串行接口等部分组成，如图1所示。

（1）CPU为32位ARM单片机，系统结构简单、可靠性高。

（2）DC/DC转换电路完成24V电压转换，为控制回路提供＋5V的工作电源。

（3）工况选择开关完成自动、手动和遥控三种工况选择并进行转换。

（4）电压检测电路完成市电电压和柴油发电机组电压检测，检测信号输入CPU。

（5）转速测量由测速传感器输出的脉冲信号进入CPU，CPU将脉冲数转换成相应转速。

（6）输出控制信号经CPU处理后经锁存器输出，经放大单元放大后驱动直流继电器，实现柴油机自启动等控制操作。

（7）按键设置启动、停机、复位和消音四个按键。

（8）显示电路采用低温工作性能良好的荧光点阵显示器作为数据显示单元。

（9）通信接口扩展MAX202芯片构成RS-485串行接口，通过此接口与应用网络相连，进行远程遥测、遥信和遥控。

 

图1  柴油发电机组众智控制器结构示意图

 

2. 核心单片机ATmega128A
众智HGM6320控制器的核心处理器型号为ATmega128A，是基于AVR、RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有寄存器都直接与算术逻辑单元ALU相连接，使得一条指令可在一个时钟周期内同时访问两个独立寄存器，数据吞吐率比普通复杂指令集微处理器高10倍。在众智HGM6320控制器内主要用到了以下内部模块：

● 输入输出端口：ATmega128A总共有6个8位并行I/O端口和1个5位并行I/O端口，每个端口为准双向口，具有读-修改-写功能，每一条I/O线都能独立用作输入或输出。众智HGM6320应用单片机输入输出端口的场合有开关量输入检测（如紧急停机、油压低停机报警信号、水温高停机报警信号）和开关量输出控制（如8个继电器的控制）。

● 模数转换器ADC：ATmega128A有一个10位的逐次逼近型模数转换器（原理如图2所示），与一个8通道的模拟多路开关连接，能对来自PORTF的8路单端输入电压进行采样。众智HGM6320应用单片机的模数转换器，将市电/发电电压电流、水温传感器和油压传感器等电压信号转换成数字量。

 

图2  柴油发电机组控制器逐次逼近式转换原理框图

 

● 定时计数器：ATmega128A内部有2个8位定时计数器和2个16位定时计数器，众智HGM6320应用单片机的定时计数器测量转速传感器的脉冲频率，计算出发动机转速。

● 串行通信接口USART：是一个全双工串行通信接口，可作通用异步接收和发送器用，也可作同步移位寄存器用，应用串行接口可实现单片机系统之间点对点的单机通信、多机通信和单片机与系统机的单机或多机通信。

表2 单片机ATmega128A的引脚定义

三、关键接口电路原理分析

 

1.人-机接口电路

人-机界面是操作人员与控制器进行信息交互的渠道，主要由信息输出显示和指令输入两部分。人-机接口电路主要由液晶显示器、发光二极管和按键输入电路组成。

2.模拟量输入接口电路

发电机组主控制器实时检测发电机组的许多模拟量，包括水温、油压、直流电压、交流电流和交流电压等，下面分别介绍各种模拟量的检测接口电路和原理。

（1）电阻型传感器输入接口电路

水温传感器和压力传感器均可采用电阻型传感器，即传感器内置一个随着温度和压力变化而阻值变化的电阻，其检测接口电路和检测原理是相同的。接口电路的作用是将变化的电阻转换成0～3.3V的直流电压，如图3所示。

上拉电阻R₁一端提供3.3V的基准电压AREF。与水温传感器的温变电阻串联分压得到U_1OPS，R₂和C₁组成RC滤波电路，U_1OPS经RC滤波后送入单片机内部的模数转换器的输入接口OPL1，经过AD转换后，得到对应的数字量。

● 下式是上拉电阻和温变电阻分压后的电压计算公式：

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">IOPS</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\text{<span style="font-size: 14px;">AREF</span>}}$$

 

式中，U_IOPS——水温传感器与上拉电阻的分压电压值；

U_AREF——基准电压；

R_T——水温传感器的温变电阻值；

R₁——上拉电阻值。

● 下式是单片机模数转换器的转换公式：

$$\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">10</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">P</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">S</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">D</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">X</span>}}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">3300</span>}}{2^{10}}$$

 

 

 

式中，D_X为经AD转换后单片机得到的数字量。

● 由前面两个公式可得到数字量与电阻的关系为：

$${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">D</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">x</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">U</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">A</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">R</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">E</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">F</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">D</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">x</span>}}}$$

由上式可知，电路中R₁为300Ω，U_AREF为3.3V，当单片机测量得到该端口电压D就可得到温变电阻Rr的阻值。

 

图3  柴油发电机组模拟输入接口电路原理图

 

（2）直流电压整形电路

直流电压整形电路是将电池电压或充电机电压进行降压和滤波后，转换成0～3.3V的直流电压，送入单片机的模拟输入端口进行模数转换。电路原理图如图4所示，R₁和R₂对输入电压进行分压，经无极电容C₁和电解电容C₂进行滤波，稳压二极管VD1可吸收高于5V的电压尖峰，对单片机的模拟输入端口进行防过压保护。

 

图4  柴油发电机组控制器直流电压整形电路原理图

 

（3）交流电流采样整形电路

发电机组主控制器需要实时检测市电电压、发电机输出电压、负载电流，并计算出负载的有功功率、无功功率、视在功率、功率因数和累计电能等。对负载电流的转换是通过两组互感器实现的，通过电流互感器将发电机组输出电流转换成0～5A的交流电信号，该电流送入发电机组主控制器的三个精密电流互感器，三相电流分别从IA、IB、IC流入三个精密电流互感器，进入公共端ICOM（如图5所示）。在每个精密电流互感器的输出端，感应出0～5mA电流，分别通过电阻R₁、R₂和R₃变成交流电压，并将电压抬高（基准电压V_REF 为AREF/2，即1.65V），将VIA、VIB和VIC电压变换在0～3.3V范围内，用于单片机的模数转换器的单端输入模式。单片机的模数转换器对输入的交流电压进行交流采样，按傅里叶算法计算出幅值和相位，再根据互感器的变比，计算出实际电流值。

 

图5  交流电流采样整形电路原理图

 

（4）交流电压采样整形电路

对市电电压和发电机输出电压的测量，是直接将电压信号进行降压和基准抬升，转换成0～3.3V的信号，交流电压采样整形电路原理图如图6所示。

单片机的模数转换器对输入的交流电压进行交流采样，按傅里叶算法计算出幅值和相位，按电路的放大倍数，可计算出实现电压值、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率和累计电能。

 

图6  交流电压采样整形电路原理图

 

3、开关量输入接口电路

开关量输入接口电路可以将发电机组中传感器的开关状态和电平变化状态整理为0或5V的规则电压，送入单片机的输入端口。图6-17是开关量输入接口电路原理图，当开关K断开时，二极管VD1截止，SW1的信号由R1和R2连接到VCC，电压为5V；当开关K闭合时，二极管VD1导通，SW1的信号由R₂、VD1和K连接到GND，电压为0V左右。在电路中增加二极管VD1，是为了保护输入单片机端口的电压不能过高，当开关K断开时，引脚1OPL可能会引入高电压，如静电或意外接入高电平，若没有二极管，高电压会通过R₂引入单片机端口，烧毁单片机；加入二极管后，当1OPL电压高于VCC时，二极管VD1反向截止，高电压就不可能通过VD1窜入单片机端口。

图7是检测电平信号变化的接口电路，当外部电压STOP低于4.2V时，经R₁和R₂串联分压后，三极管Q1基极电压低于0.7V，Q1截止，STOPIN经R₃连接到VCC，输出电压为VCC；当外部电压高于4.2V时，经R₁和R₂分压后，Q1基极电压高于0.7V，Q1导通，STOPIN经Q1连接到GND，输出为OV。当STOP输入反向电压时，电流经二极管VD1和R₁形成回路，保护Q1基极和发射极不被反向击穿。

 

图7  检测电平信号变化的接口电路

 

4、开关量输出接口电路

发电机组主控制器对执行器的控制，主要是通过继电器实现的，图8是继电器输出电路原理图。继电器由线圈和触点组成，线圈的工作电源由VREL提供（9V）；触点由公共触点COM、常开触点NO和常闭触点NC组成，在继电器不动作时，公共触点COM与常闭触点NC连通，继电器动作时，公共触点COM与常开触点NO连通。当单片机输出端口RELO输出高电平时，三极管Q1导通，继电器线圈产生较强磁场，吸合触点动作，COM与NO连通；当单片机端口RELO输出低电平时，三极管Q1截止，继电器线圈失电，触点在弹簧作用下恢复，COM与常闭触点NC连通。

 

 

图8  继电器输出电路原理图

 

 

 

总结

柴油发电机组主控制器以单片机为核心，通过模数转换、定时计数、串行通信及多种输入输出接口电路，实现对发电机组电压、电流、水温、油压、转速等关键参数的实时采集与智能控制。众智HGM6320作为国产主流控制器的代表，采用ATmega128A单片机及模块化硬件架构，具备高可靠性、宽电源适应范围和丰富的可编程输出功能。其模拟量采集电路通过精密分压、抬升基准和傅里叶算法实现精确测量，开关量电路通过光电隔离和继电器驱动保障控制安全。理解控制器的工作原理与接口电路，是进行参数设置、故障诊断与系统维护的基础。建议维护人员熟读控制器手册中的参数设定范围，并在更改关键保护值（如超速阈值、水温报警值）时，严格参照发动机厂家的技术规范执行。

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