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共轨式柴油机半物理仿真平台开发设计研究 摘要 高压共轨柴油机电控单元( e c u ) 的结构和控制策略复杂，导致其开发非常困难。对 于高压共轨柴油机的e c u 而言，采用传统的方法进行调试需要做大量的发动机台架试 验，开发成本高，开发周期长，难以适应市场的需求。对此，本文采用硬件在环仿真技 术，开发了一个可以进行柴油机动态模型实时计算并能模拟柴油机多种工况的共轨式柴 油机半物理仿真平台。 在确定柴油机仿真平台的设计方案之后，完成了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心的仿 真平台硬件电路设计。硬件电路主要包括柴油机模型实时计算仿真模块电路和直流电机 转速控制相关电路，其中实时计算仿真模块电路由d s p 模块电路和相关接口电路构成。 为了使仿真平台能够较好地模拟和输出曲轴转速和气缸识别信号，本文制作了小型直流 电机实物台架。 本文采用平均值法建立了高压共轨柴油机动态仿真数学模型，并以该模型为基础在 c c s 3 3 环境中完成了以柴油机模型实时计算程序为核心的高压共轨柴油机仿真平台软 件的主体设计。此外，还基于l a b v i e w 软件开发了仿真平台的p c 机监控系统。监控 系统通过c a n 总线与d s p 进行数据交换，不仅可以实现对柴油机仿真模型计算结果的 实时采集和显示，还可以完成柴油机模型和直流电机控制参数的在线修改。 经实验验证，本文设计开发的共轨式柴油机半物理仿真平台可以在实验室环境下模 拟柴油机的多种工况，并且能够向外输出时序和相位正确的曲轴转速和判缸信号。通过 监控界面，仿真平台可以直观的显示e c u 对柴油机动态模型的控制效果。仿真平台能 为e c u 的标定、测试提供良好的在线仿真环境。 关键词：硬件在环仿真；高压共轨；柴油机；直流电机 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fs t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l d i e s e le c u ，t h ed e v e l o p m e n tw o r ki sv e r yc o m p l i c a t e d a st ot h ee c uo fh i g hp r e s s u r e c o m m o nr a i ld i e s e l ，l o t so fd i e s e le n g i n eb e n c ht e s t ss h o u l db ed o n ei nt r a d i t i o n a lw a y t h e h i g hd e v e l o p m e n tc o s ta n dl o n gp e r i o di n a k ei td i f f i c u l tt os a t i s f yt h en e e do fm a r k s o ，i nt h i s p a p e r , h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi su s e dt ob u i l du pas e m i - p h y s i c a ls i m u l a t i n g p l a t f o r mo fc o m m o n r a i ld i e s e le n g i n e a f t e rt h ed e s i g ns c h e m eo fs i m u l a t i n gp l a t f o r mi sd e t e r m i n e d ，t h ed e s i g no fh a r d w a r e c i r c u i to fs i m u l a t i n gp l a t f o r mi sc o m p l e t e do nt h eb a s i so ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2c h i p h a r d w a r e c i r c u i tm a i n l yi n c l u d e ss i m u l a t i n gm o d e lc i r c u i to fd i e s e lo nar e a l - t i m eb a s i sa n dr e l e v a n t c o n t r o lc i r c u i to fd i r e c tc u r r e n tm o t o rr o t a t i o n a ls p e e d ，i nw h i c h ，t h es i m u l a t i n gm o d u l e c i r c u i to nar e a l - t i m eb a s i si sc o m p o s e do ft h ed s pm o d u l ec i r c u i ts y s t e ma n dr e l e v a n t i n t e r f a c ec i r c u i t i nt h i sp a p e r , ap h y s i c a lb e n c ho fs m a l ld i r e c tc u r r e n tm o t o ri se s t a b l i s h e dt o m a k et h es i m u l a t i o na n do u t p u to fc r a n k s h a f ts p e e da n dc y l i n d e ri d e n t i f i c a t i o ns i g n a li nb e t t e r m e t h o d i nt h i sp a p e r , ad y n a m i cs i m u l a t i n gm a t h e m a t i cm o d e lo fh i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l d i e s e le n g i n ei se s t a b l i s h e db yu s i n ga v e r a g ev a l u em e t h o d o nt h eb a s i so ft h i sm o d e l ，s o m e m a i ns o f t w a r ep r o g r a mo ft h es i m u l a t i n gp l a t f o r mi sc o m p l e t e di nc c s 3 3c o n d i t i o n ，i n w h i c h ，t h er e a l t i m ec a l c u l a t i o np r o g r a mo fd i e s e le n g i n em o d e la c t sa sf lc e n t r a lr o l e f u r t h e r m o r e ，ap cm o n i t o rs y s t e mo fs i m u l a t i n gp l a t f o r mi sd e v e l o p e db yu s i n gl a b v i e w s o f t w a r e i nt h i sm o n i t o rs y s t e m 。s o m ed a t ai se x c h a n g e dw i t hd s pb ym e a n so fc a nb u s ，n o to n l yc a n i ta c q u i r ea n dd i s p l a yt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to fs i m u l a t i n gm o d e l ，b u ta l s oc o m p l e t et h eo n l i n e m o d i f i c a t i o no ft h em o d e lo fd i e s e le n g i n ea n dc o n t r o lp a r a m e t e ro fd i r e c tc u r r e n tm o t o r a f t e re x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n ，t h es e m i p h y s i c a ls i m u l a t i n gp l a t f o r mo fc o m m o nr a i l d i e s e le n g i n ei nt h i sp a p e rc a ns i m u l a t es o r t so fc o n d i t i o n si nl a b o r a t o r ye n v i r o n m e n t m o r e o v e r , i tc a no u t p u tc r a n k s h a f ts p e e da n dc y l i n d e ri d e n t i f i c a t i o ns i g n a lw i t hc o r r e c tt i m e s e r i e sa n dp h a s e o nt h em o n i t o ri n t e r f a c e ，t h ec o n t r o le f f e c to fe c ut od i e s e le n g i n em o d e l c a nb ed i s p l a y e dd i r e c t l y f a v o r a b l eo n l i n es i m u l a t i n ge n v i r o n m e n tc a nb ep r o v i d e db y s i m u l a t i n gp l a t f o r ma st or e a l i z et h ec a l i b r a t i o na n dt e s to f e c u k e yw o r d s ：h a r d w a r e - i n - l o o ps i m u l a t i o n ；h i g hp r e s s u r ec o m m o nr a i l ；d i e s e le n g i n e ；d i r e c t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 柴油机作为一种工业原动机虽然已经发展了上百年，但是由于其具有热效率高、适 应性好、功率范围宽等一系列突出优点，目前仍是世界上应用最广泛的动力机械之一。 但是，随着能源危机的加深和各国汽车排放法规的日益严格，社会对柴油机的发展提出 了更高的要求。进一步降低燃油消耗率、控制排放是柴油机今后的主要发展方向n 3 。 电子控制技术的引入已经被证明是柴油机降低燃油消耗，控制排放的最有效途径之 一。实践证明，解决油耗和排放问题最佳的着眼点是优化燃烧过程。而燃油喷射又是燃 烧过程控制的关键环节，所以优化对燃油系统的控制始终是柴油机电控化技术的一个重 要的着眼点。正因为如此柴油机电控技术得到了快速发展，目前电控系统已经发展到了 第三代，即时间一压力式又称高压共轨系统。高压共轨燃油喷射系统的发展时间虽不长， 但其性能优越，已在全球范围内迅速普及。由于起步较晚，我国在柴油机电子控制技术 方面的研究实力比较薄弱，导致高压共轨相关技术被国外少数几个公司垄断。这些公司 为了长期攫取巨额利润，拒绝向中国企业转让技术，而本土企业在短时间内开发出具有 完全自主知识产权的高压共轨系统难度较大，因而在市场上常常处于被动地位。国外电 控系统开发平台价格极为昂贵，引进国外优秀的电控系统开发平台及其开发模式对国内 大多数中小型企业而言无疑是一个很大的负担乜1 。在这种情况下，努力发展具有自主知 识产权的高压共轨电控系统开发平台是中国本土柴油机行业技术进步的必由之路。本课 题正是在这种背景下提出的。 1 2 柴油机电控技术的发展现状 由于西方国家基础技术先进、起步早，西方的少数大公司一直引领着柴油机电控技 术的发展潮流，因此这些公司的发展水平就是行业的最高水平。 1 2 1 柴油机电控技术的发展历程 柴油机电控技术，是一种用计算机实现对柴油机工作过程进行优化控制的技术。2 0 世纪7 0 年代，随着微处理器的飞速发展，柴油机电控技术的研究开始起步，世界上许 多发达国家竟相开发柴油机电子控制技术。到目前为止，多种型号的柴油机电子控制系 统研制并投放市场，并受到市场的认可。市场的需求又有力地推动了柴油机电子控制技 术的进一步发展，功能更全面、工作可靠性更高的新产品层出不穷。在短短的二十多年 间，柴油机电控燃油喷射系统已经发展了三代，目前第3 代电控喷油系统正加速普及。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 位置控制式 位置式控制系统的特点是保留了传统柴油机的喷油泵高压油管喷油嘴系统，同时 还保留了喷油泵中齿条、齿圈、滑套、柱塞上用于调节每次供油量的斜槽等机械机构， 区别是通过电子控制系统操纵电子执行机构对齿条或滑套的运动位置进行控制，这样控 制精度和响应速度得以提高。这种控制系统对柴油机本体几乎不做改动，生产继承性好， 便于对现有柴油机进行改造。其缺点是控制自由度较原来柴油机几乎没有进步，控制进 度较原来机器提高的也不多，而且无法改变传统喷射系统固有的不足。 2 时间控制式 这种方式可以大致理解为用高速卸载电磁阀代替传统柴油机上用于调节供油量的 齿条、齿圈、柱塞套和柱塞上用于调节每次供油量的斜槽，油泵柱塞依然按原来的方式 由凸轮驱动进行压油工作。从原理上看，该系统已经在相当程度上摆脱了机械结构对供 油时机的限制，由于可以利用柱塞上行期中的任意一段实现供油，因而可以获得理想的 供油正时。由于该系统只能使用柱塞上行时段实现供油调整，使得供油受供油凸轮结构 的影响，最终导致供油压力受到转速的影响较大。这种电控喷油系统最大喷油压力高达 1 3 0 1 6 0 m p a ，采用该电控喷油系统的柴油机在性能上较以往柴油机有很大提升，可达到 国排放标准，已被国内厂商广泛接受。目前国内已有企业掌握该技术，比如威特公司 的电控单体泵w p 2 0 0 0 和w p l 0 0 0 等，已投放市场并获得好评。 3 时间一压力控制式 时间压力控制式电控喷油系统( 又称高压共轨系统) 是上世纪9 0 年代中期，发达国 家开始研发的一种新型柴油机电控喷油技术。高压共轨系统在结构上摒弃了传统柴油机 上使用的泵管嘴等结构，该系统在结构上的一个显着特点是有一个多缸共享的高压燃 油容腔，该燃油腔被称为高压油轨。油轨上引出的多个高压油管分别与对应各个汽缸连 接。高压油泵不能直接控制喷油，它的作用是向油轨内供油，使油轨内燃油维持在一定 的压力，并通过电磁阀的开启关闭来连续调节共轨压力进而控制燃油喷射压力。由于共 轨系统内的燃油压力在一定的时间内可以保持稳定，这样每次喷油量大致与供油时间成 正比。因此，可以采用压力时间式燃油计量原理。 可以说，电控共轨喷射系统是未来柴油机燃油系统的一个发展方向，这在国外已成 为普遍共识聆1 。 1 2 2 国内柴油机电控技术的发展现状 国内柴油机电控技术的研究晚于一些先进工业国家，进展也一度比较缓慢。但是， 2 第1 罩绪论 近年来随着市场需求的增大，国内柴油机电控技术的研究也在多个方面取得了进展。 首先，高校和一些科研院所的研究取得了不少成果。比如，大连理工大学的张玉华 教授、上海交通大学的卓斌教授、北京理工大学的王尚勇教授等学者通过学习国外先进 技术和自身的开拓性研究，逐渐掌握了柴油机电控的相关技术要素。这些知名学者总结 归纳后，撰写了一些学术专着，成为早期柴油机电控技术的教材，培养了国内柴油机电 控技术的新生力量，为后续柴油机电控技术的发展提供了人才储备。 近年来，由于市场需求的增大推动了商业领域的相关研究，科研投入的力度显着增 强，已取得了不少研究成果。比如，一汽集团下属的无锡油泵油嘴研究所，是国内最早 开展柴油机高压共轨喷油系统研究的单位之一，他们在此领域投入了大量资金，目前已 有成套高压共轨喷油系统装配到柴油机上，并且已开始在车辆上使用。成飞集团所属的 成都威特电喷有限公司在国内率先实现了电控单体泵技术的实用化，并且已有相关产品 投放市场。 柴油机电控单元( e c u ) 是柴油机电控系统的核心部件，e c u 研发技术是柴油机电 一 控技术的核心之一。目前国内也有公司提供e c u 方面的技术服务。例如，成都威特公 司向客户提供包括e c u 部件在内的完整电控系统技术解决方案。亚新科南岳有限公司 采用与专业e c u 服务商合作的方式，推出柴油机电控喷油系统。还有两家公司能独立 为e c u 设计开发提供技术支持，张玉华教授创立的恒驰科技公司为客户提供的服务是： 通过公司开发的通用e c u 开发平台( h t u ) 为柴油机技术人员提供一个设计e c u 的基础 平台。卓斌教授创立的上海依波尔汽车电子有限公司也是国内最早能向柴油机制造企业 。 提供电控化改造完整解决方案的的企业之一。 由以上可以得出，国内自主柴油机电控技术的研究已取得了很大进步。但是，与国 外先进技术相比还有差距，尤其是在电控高压共轨系统方面的进展缓慢，差距较大。 1 3 柴油机硬件在环仿真 1 3 1 柴油机硬件在环仿真的意义 随着社会对柴油机性的能要求越来越严格，在柴油机上应用的电子控制技术也日益 增多，柴油机电控系统随着时间的推移也在不断地升级换代，随之而来的问题是，电控 系统需要采集和输出的参数不断增多，电控系统更加复杂。这对柴油机电控系统的可靠 性提出了严峻的考验，同时也加大了系统开发的难度，延长了系统开发的周期。如果按 照传统的方法设计电控系统：即首先设计电控单元，然后通过柴油机台架试验进行匹配 测试，根据测试结果修正电控系统相关参数，然后再进行台架试验，这一过程反复进行， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 直n e c u 的参数达到设计目标。但是，采用这种设计方法不仅开发周期长，耗费了大量 的人力物力，而且电控系统设计时需大量的柴油机实验数据，而一般的试验台架很难提 供标准的动态工况，实际上由于条件限制，进行大量动态试验也是不可能的畸1 。而利用 实时仿真技术，特别是硬件在环仿真技术建立柴油机仿真平台，在仿真平台上不仅可以 进行各种工况下的试验，还可以根据需要修改试验参数，这样使柴油机控制系统的开发 和测试工作变得简单灵活，同时也节省了大量人力物力。因此，在柴油机电控系统开发 的过程中采用硬件在环仿真技术是十分有意义的。 1 3 2 硬件在环仿真在柴油机电控系统开发过程中的应用现状 西方发达国家起步早，上世纪8 0 年代中期就开始研发用于实时仿真的硬件在环仿 真系统。目前市场上，国外厂商推出了三种成熟的硬件在环仿真系统可用于柴油机电控 系统的开发。第一种是以商品化的处理器配接自行设计的专用接口电路模板构成多处理 器系统，软件开发和硬件配置可自主灵活进行；第二种是a d i 公司专门为动态实时仿真 设计的计算机系统a d r t s ，它由高速计算机、基于v m e 总线的分布式处理器和一些高 速智能i o 系统组成，可通过a d i 的专用仿真软件进行编程开发；第三种是d s p a c e 公 司生产的面向实时仿真和高速i o 处理的硬件系统，它采用基于i s a 总线的p c 分布式 处理器结构，以d s p 芯片作为高速运算单元，处理器间通过双端口寄存器通讯，并具 有智能i o 接口模块，软件开发以通用的c 语言为主1 。 在国内，发动机电控系统开发工作大多数在大学和科研院所中进行，并取得了一些 收获。北京理工大学1 9 9 7 年成功研制了用于增压柴油机的电控单元( h i l s s ) 。清华大学 于1 9 9 9 年成功研制出用于柴油机电控系统开发的实时控制仿真应用系统。浙江大学在 柴油机电控系统硬件在环仿真方面也取得了一些成果。但是由于起步较晚，软硬件技术 比较薄弱，目前国内柴油机电控方面相当一部分研究成果还停留在论文形式和原理性样 机的程度上，距实用还有很大差距，还需要国内发动机电控技术领域的科研人员继续努 力。 1 4 本论文的主要工作 本课题承接了师兄陈首刚高压共轨柴油机模拟试验平台设计开发研究的课题， 本文是在师兄课题的基础之上完成的，是对其课题内容的进一步扩展和完善。课题的目 标是建立一个柴油机仿真平台，使该仿真平台能在实验室环境下为高压共轨柴油机e c u 的开发、测试、标定提供一个在线仿真环境。本文的主要工作如下： 4 第1 章绪论 1 、在阅读了国内外大量相关文献的基础上，初步完成柴油机仿真平台新方案的设 计。然后从多角度对仿真平台的设计方案进行可行性分析与论证，最终确定仿真平台的 设计方案。 2 、在完成主控芯片的型号选择、明确各功能模块的功能及确定通信总线之后，设 计柴油机实时仿真模块的电路并制作电路板。在完成直流电机和转速传感器的选型后， 设计转速信号调理电路和电机的驱动和控制电路，并制作电路板。 3 、根据电机和传感器的性能要求，设计并制作信号盘。然后制作支架并安装固定 电机、信号盘和转速传感器。 4 、针对康明斯公司i s b e1 8 53 2 柴油机，建立柴油机实时仿真数学模型，根据建立 的共轨柴油机数学模型在c c s 3 3 开发环境下编写相应程序。除了主程序之外，各功能 模块的程序包括：e c u 控制信号的采集程序、柴油机模型实时计算程序、启动电机启动 信号检测程序、电机转速采集计算程序、直流电机转速p w m 控制程序、c a n 通讯程序。 5 、使用l a b v i e w 软件为整个系统建立p c 机监控界面。要求通过该界面不仅可以 实时监测柴油机动态仿真模型和直流电机的运行状态，还可以在线修改柴油机模型的参 数和电机的控制参数。 6 、通过实验对共轨式柴油机仿真平台进行校验。实验的内容包括：电机转速控制 实验，直流电机台架输出的曲轴、凸轮轴转速信号校验、仿真平台与柴油机控制器的联 合调试实验。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章柴油机仿真平台的方案设计 方案总体设计从宏观上统领着课题的整体进展过程，在课题的进行过程中发挥着重 要作用。开始进行具体工作之前，结合课题目标完成方案的总体设计有助于进一步明确 课题的内容和安排进度。 2 1 柴油机仿真平台的总体构成 本文建立仿真试验平台的出发点是为便于高压共轨柴油机e c u 的开发，通过在 e c u 的开发工程中为e c u 提供一个模拟的测试环境，以实现减少对台架试验依赖，降 低开发成本的目的。仿真试验平台的首要功能是模拟真实的柴油机实时地向e c u 输出 柴油机的工作状态参数，同时能接收外部e c u 的控制参数并根据这些参数作出相应调 整。以上功能是通过实时计算模块实现的，柴油机实时计算模块是整个仿真平台的核心。 柴油机仿真平台要实时输出的参数主要有：瞬时转速、启动前后的共轨压力、循环供油 量、进气温度、冷却水温度、增压压力、指示热效率等。柴油机仿真平台要采集的e c u 控制参数主要有：柴油机的目标转速、目标共轨压力、负载、p i d 参数。以上提到的仿 真平台输出参数需要实时显示，仿真平台采集到e c u 控制参数在调试时需要在线修改。 因此仿真实验平台需要一个p c 上位机监控界面，要求该界面能实时显示仿真平台中柴 油机实时计算模型的状态参数；同时也能对相关控制参数进行在线修改。采用何种工具 建立监控界面以及仿真平台与p c 机监控界面之间的通信涉及的总线选择问题，将在后 文解决。 在电控柴油机中，对曲轴和凸轮轴做角位移的测量是对柴油机运行进行控制的前 提。通过测量曲轴和凸轮轴的相位，可以判断柴油机当前相位。由参考文献 1 】知，曲轴 角位移和凸轮角位移有严格的时序和相位关系，这样才能为e c u 喷油定时和喷油量的 确定提供基准。由此可见，柴油机凸轮轴和曲轴的相位和时序信号是十分重要的。本文 建立的仿真平台也必须能够向e c u 提供这两个信号。本文的仿真平台将采用实物信号 盘、传感器和直流电机构建小型直流电机台架，建立该台架的目的是，以尽可能接近实 际的方式向e c u 输出凸轮轴和曲轴的时序和相位信号。此外，柴油机仿真平台还必须 采集的信号有启动电机的启动信号、喷油脉宽信号、p c v 阀控制信号，这三个重要信号 的采集需要通过软件编程并结合硬件电路来实现，而且并不需要在线修改。 总的来说，本文建立的高压共轨柴油机仿真平台主要包括实时计算模块、小型直流 电机台架和p c 机监控界面三个主要部分。仿真平台的建立将涉及软件编程、硬件电路 6 第2 章柴油机仿真平台的方案设计 设计制作、机械设计等方面的工作。高压共轨柴油机仿真平台的总体结构框图如图2 1 所示。 j 刍轮轴信号 传蓐嚣信号 直流电机台架 一曲轴信号 调理电路l tj 电机控制及驱传感嚣信号调理 电机模块 动电路 电路 i w m j f + 符趣恬丐速信号 c m p ic a p 3 圄一囝 e c u 翟研赠q + 鼢，一 卜一 u s b c 拄篇参敷 l i 、 j 置i 起动电机 i 鬲五i b 开启信号 面磊磊习-司 e c a n l 豳 乏q 己鲥 压力控制 柴油栅电( 、遗 阔信号 圃- 至田 机状态、 电磁阀信号 囤- 至田 紫油机状惹 一 参数 磊i 一- 磊n 实时计算仿真模块 高压共轨柴油机仿真试验平台 图2 1 高压共轨柴油机仿真平台整体结构框图 2 2 实时计算仿真模块的设计方案 实时计算仿真模块是整个柴油机仿真平台的中枢，仿真平台涉及到的所有数据处 理、控制指令和信息交换都要由该模块处理。因此，实时计算仿真模块的设计方案非常 重要，该部分的设计会对仿真平台其它部分的设计产生严重影响和制约。因为主控制芯 片是实时计算仿真模块的核心，所以主控芯片的选型比较重要。 2 2 1 主控制芯片的选型 随着微电子技术日新月异的发展，计算机和数字控制芯片的制造技术也取得了突飞 猛进的进步。在制造技术进步和市场需求的共同推动下，单片机和数字信号处理器( d s p ) 等数字控制芯片的性能得到了很大提升，使用范围越来越广泛。单片机发展较早，以控 制性能见长。d s p 显着特征是运算速度快，自上世纪8 0 年代推出以来发展迅速，已有 取代单片机的趋势。d s p 相对于单片机具有以下优势i1 、运算速度快，有利于实现各 哈尔滨工程大学硕士学位论文 种先进的实时控制算法。而且d s p 控制软件可用c 语言或汇编语言编写或者二者嵌套 使用口1 。2 、d s p 具有较高的集成度。通常d s p 器件内部集成有大容量的存储器、波特 率发生器、多种标准串行通讯接口。本文的仿真平台对芯片的运算速度要求很高，因此 本文决定采用一款d s p 作为主控芯片。面对众多d s p 产品，作者从以下几个角度去选 择一款d s p 产品： ( 1 ) 运算速度及计算功能； ( 2 ) 片上程序存储器、数据存储器的容量与类型； ( 3 ) 中断功能和中断信道的数目； ( 4 ) 定时器计数器功能； ( 5 ) i o 口数量和功能； ( 6 ) 支持通信接口种类； ( 6 ) 价格及开发环境： 此外，是否适用于电机控制也是本文选择d s p 芯片时要考虑的重要因素。目前在 国内应用比较普遍的是t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是专用 d s p 控制平台，该系列芯片既具有以往数字信号处理器的卓越数据处理能力，又像单片 机那样具备多种片内外设和大量外部接口适于控制，因而具有很高的性价比。综合考虑 成本、软硬件开发的难易程度，本文选用t m s 3 2 0f 2 8 1 2 芯片作为柴油机仿真平台的核 心控制芯片。 2 2 2t m s 3 2 0 f 2 81 2 介绍 t m s 3 2 0 x 2 8 x x 采用经典的哈佛总线结构。程序读总线有3 2 根数据线和2 2 根地址 线，数据读写都是3 2 位的，这种多总线结构使得它可以在1 个周期内同时完成取指令、 读数据和写数据，而采用了指令流水线技术，使得信号处理速度得到明显提高3 。专门 的分支跳转( b r a n c h 1 0 0 k - a h e a d ) 硬件减少了条件指令执行的时间，条件存储操作更进一 步提高了2 8 x x 的性能1 。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的主要性能特点如下： ( 1 ) 高性能静态c m o s 技术，主频可达1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ；低功耗设计( 核心 电压为1 8 v 时，芯片运行最高频率1 3 5 m h z ，内核电压为1 9 v 时，最高运行频率为 1 5 0 m h z ，i 0 端口电压为3 3 v ) ； ( 2 ) 高性能的3 2 位c p u ，支持1 6 x 1 6 位和3 2 x 3 2 位乘法累加运算；采用哈佛总线 结构，中断响应迅速，中断处理能力强，代码效率高能兼容c c + + 或者汇编语言； ( 3 ) 片上集成存储器有一块1 2 8 k x l 6 位f l a s h ，一块1 k x l 6 位的o p t 型只读存储器， 8 第2 章柴油机仿真平台的方案设计 两块4 k x l 6 位的单口随机存储器，1 块8 k x l 6 位s a r a m ，两块1 k x l 6 位的s a r a m ； ( 4 ) 外部存储器接1 ：3 支持高达1 m x l 6 b 的总存储空间，等待时间和读写时序可编程， 有三个独立的片选信号； ( 5 ) b o o tr o m 空间，大小为4 k x l 6 b ，内含软件启动模式及标准数学函数库； ( 6 ) 3 个外部中断，外设中断模块( p i e ) 可支持4 5 个外设中断； ( 7 ) 支持多种串行通信模式( 芯片上有s p i 口，2 路标准u r a t 口、e c a n 模块、 m s b s p ) i ( 8 ) 1 2 位a d c 转换模块，有2 x 8 路输入通道，两个采样保持电路； ( 9 ) 适用于电机控制的事件管理模块( e v a e v b ) ，与2 4 0 x 兼容： ( 10 ) 支持先进的仿真模式，具有c c s 3 3 和j t a g 仿真器两种先进开发工具； ( 1 1 ) 1 2 8 位安全密钥，可以对f l a s hr o mo t p 以及l 0l 1 s a r a m 进行保护，防止 系统软件被修改： ( 1 2 ) 支持i q m a t h 库函数调用，可在f 2 8 1 2 上将定点转浮点后运算，以此提高运算速 度。 2 3 直流电机模块设计方案 本文的直流电机模块功能是以尽可能接近真实的方式模拟柴油机曲轴和凸轮轴转 速和相位信号的采集，并将信号输出到外部e c u 。以上信号对高压共轨柴油机的控制过 程非常重要，采集这两个信号是对柴油机进行控制的前提。因为从真实柴油机上采集这 两个信号需要借助安装在柴油机上的专用装置( 信号盘、传感器等) 来完成，所以为了 比较真实地模拟柴油机，在本文建立的仿真试验平台上也将安装使用以上的专用装置。 本仿真平台采用直流电机的输出轴来模拟柴油机曲轴和凸轮轴( 具体方式将在下文说 明) ，同时考虑到信号盘和传感器的安装，仿真平台包括一个小型直流电机台架。建立 直流电机台架和对直流电机进行控制是本论文的重点之一。 2 3 1 直流电机台架构建方案 直流电机台架由直流电机、曲轴信号盘、凸轮轴信号盘、传感器及金属支撑机构组 成。如何将以上各部分以恰当的方式组合在一起是搭建直流电机小台架要解决的难题。 因为搭建电机台架时既要完成电机和传感器选型和信号盘设计，又要综合考虑电机、信 号盘、传感器三者之间相互联系又相互制约的关系。因此，要完成电机台架的搭建必须 从全局考虑。以下先列出三种初步安装方案，然后再对逐一对各方案进行评估。三种初 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 步方案如下： ( 1 ) 另外安装两根轴( 记为a b ) ，利用标准渐开线齿轮( 记为甲乙丙) 传动 电机输出轴上安装曲轴转速信号盘和标准渐开线齿轮甲，在轴a 上安装标准渐开线 齿轮丙和凸轮轴信号盘，在轴b 上安装标准齿轮乙。通过甲乙丙三个齿轮传动，实现曲 轴和凸轮轴信号盘2 ：1 的转速比。 ( 2 ) 另外安装一根轴( 记为a ) ，利用皮带轮传动 曲轴信号盘和凸轮轴信号盘分别安装于电机输出轴和轴a 上，两轴由皮带轮传动， 转速比2 ：1 。 ( 3 ) 不再另外安装轴，将凸轮轴信号盘和曲轴信号盘同时安装在电机轴上。 方案1 ：需要设计加工三个标准渐开线齿轮，另外还需安装两个轴、若干轴承及轴 承支架。设计加工难度大，加工成本高。 方案2 ：只需安装一根轴及若干轴承及若干轴承支架。设计加工较方案1 简单，但 是皮带轮传动摩擦力大，传动时有转速丢失。 方案3 ：设计加工相对简单，成本低；不借助中间结构传动，可靠性高。 综上考虑，作者决定采用方案3 作为构建电机台架的框架方案。以下从电机选型、 传感器选型及信号盘的设计方案将电机台架构建方案的进一步细化。 2 3 2 直流电机选型 直流电机是电机台架的核心，电机的选型对台架的搭建工作有重要的影响。电机的 选型主要从功率、尺寸、及重量等方面考虑。由于本文用电机模拟柴油机，只是在电机 轴上只安装两个信号盘并不加负载，因此本文选择较小功率的直流电机即可满足需要。 小功率直流电机的重量，外形尺寸也都比较小。本文选择如图2 2 所示的直流电机。电 机主要参数见表2 1 。 图2 2 直流电机 1 0 第2 章柴油机仿真平台的方案设计 表2 1 直流电机的主要参数 额定电压 d c 2 4 v 外径 4 5 r a m 额定转速 l5 0 0 r m i n 电机长度( 不含轴长) 1 1 0 m m 额定电流 1 1 a 轴长 1 6 m m ( 可用长度1 3 m m ) 重量 1 k g 轴径 6 m m 2 3 3 传感器的选型 在实际高压共轨柴油机电控系统中，曲轴转速和气缸识别脉冲信号是由曲轴转速和 气缸识别传感器采集到的n o 。本仿真平台通过电机台架模拟采集凸轮轴和曲轴信号，要 使用转速传感器。常用的转速传感器有磁电式、霍尔式、光电式等，其中前两种使用较 多。霍尔式转速传感器主要的优点是：( 1 ) 传感器输出的信号无需经过调理，直接获得的 方波信号可以作为d s p 的脉冲输入信号；( 2 ) 输出电压高低与转速无关。但是与磁电式 转速传感器相比有以下明显缺点：1 ) 霍尔式转速传感器需要外接电源；2 ) 霍尔式转速测 量装置必须要在被测轴( 或信号盘) 上安装霍尔元件。以上两个缺点导致霍尔式传感器 结构相对复杂，成本高，安装难度大。所以，本文选用两个磁电式转速传感器分别测量 凸轮轴和曲轴信号。本文选择的是青岛泰润电子科技有限公司生产的t c d m l 2 4 5 磁电 式转速传感器，外形如图2 3 所示。该传感器的主要技术参数如下： ( 1 ) 外形尺寸：m 1 2 x 1 0 x 4 5 ； ( 2 ) 转速测量范围：1 0 10 0 0 0 r m i n ( 6 0 齿) ； ( 3 ) 频率响应范围：1 0 1 0 0 0 0 h z ； ( 4 ) 输出电压波形：渐开线齿轮一近似正弦波，孔板一近似方波； ( 5 ) 输出信号幅值：转速3 0 r m i n 时不小于5 0 0 m v ( 测试条件：6 0 齿信号盘，电工钢 材质、模数为2 ，传感器距齿顶l m m ) ； ( 6 ) 信号盘厚度：信号盘厚度不小于3 m m ； ( 7 ) 信号盘齿宽和间隙：齿宽不小于l n u n ，齿间隙不小于l m m ； 以上这些参数非常重要，其中部分参数对信号盘的设计方案和如何安装有重要影 响。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 磁电式转速传感器 2 3 4 信号盘的设计方案 信号盘是测量曲轴、凸轮轴信号时的必备器件，也是直流电机台架的重要的组成部 分。信号盘的设计和安装受多种因素的影响，其中以仿真对象柴油机的性能参数和传感 器的性能参数的制约最大。如果信号盘的设计不合理将导致采集到的信号不理想，甚至 无法采集到信号。 首先，根据本文的仿真对象康明斯i s b e l 8 53 2 柴油机确定凸轮轴和曲轴信号盘的 基本情况。本文的仿真对象是六缸四冲程柴油机，因此凸轮轴信号盘要采用“6 + 1 ”齿形 式。这里所讲的凸轮盘的“齿”其实只是一些凹槽。“6 + 1 ”齿形式凸轮盘的加工方式是这 样的：一般是先在金属圆盘的圆周上切出6 个呈6 0 0 均布的凹槽，在其中两个凹槽间距 离前一凹槽适当位置处再切出一个同样的凹槽。加工曲轴信号盘一般采用“6 0 2 ”齿形式， 加工时是从完整的6 0 齿中将5 8 、5 9 号齿除去。需要说明的是，由于两个信号盘安装在 同一根轴上，为了确保相位正确，曲轴信号盘采用“6 0 - 4 ”齿形式，其本质是“3 0 2 ”齿。 具体做法是将2 8 号齿、2 9 号齿和5 8 号齿、5 9 号齿去除。“6 0 - 4 ”齿形式信号盘转动一周， 可以理解为“3 0 2 ”齿信号盘旋转2 周，会发出两次缺齿信号。 然后，根据电机和传感器的性能参数将信号盘的设计进一步细化。由上文知电机的 功率、尺寸都较小，为了保证电机台架能平稳工作，信号盘的质量和尺寸也要尽可能小。 曲轴信号盘可以采用模数大于2 的标准渐开线齿轮加工，但是采用标准齿轮导致信号盘 的质量和尺寸较大，所以本文的曲轴信号盘采用传感器支持的孔板( 即金属圆盘切槽) 形式加工，此外两个信号盘都开有四个直径较大的通孔以减轻重量。但是，传感器对信 号盘的厚度和齿顶处的齿厚和齿间隙等参数有严格要求，因此信号盘的尺寸不能设计的 太小。传感器要求信号盘必须是铁磁材料，本文使用4 5 # 钢。 最后，从便于信号盘配合安装的角度出发，最终确定两个信号盘的参数。例如，电 机输出轴的可用长度为1 3 r a m ，再考虑加工精度的问题还要留出2 m m 的余量，最终电 1 2 第2 章柴油机仿真平台的方案设计 机轴可用长度为1l m m 。由于传感器对两个信号盘的最小厚度很敏感，厚度太小无法识 别，最后决定采用轴孔配合( 基孔制) 的方式将两个信号盘安装在1l m m 的长度上。信号 盘在轴上固定时，轴向采用加工贯穿孔使用开口销的方式，径向采用紧定螺钉。为了能 同时安装两个传感器，两个盘的顶圆直径要相等。最终确定信号盘的设计方案如图2 4 和图2 5 所示。 需要说明的是，由于信号盘安装时必须调整相位，本文的曲轴信号盘设计图中并未 涉及到缺齿和实心轴上贯穿孔的加工方案。为了便于调相位，去齿和加工贯穿孔都是在 信号盘按照图纸加工完后才进行的。 - 重毫 七、 0 毫t ：。t 正：0 t 刳h j ”、崞 0 、毫i 一 3 档c 图2 4 凸轮轴信号盘设计图图2 5 曲轴信号盘设计图 2 3 5 直流电机的转速控制系统方案设计 本文建立的共轨式柴油机仿真平台用直流电机转速模拟输出柴油机转速，因此本文 也需要对直流电机的转速进行控制。本文的电机转速控制系统是以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片为核心的数字控制系统。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 具有专用的电机控制模块( 即事件管理器 e v a 和e w ) ，非常适于本文直流电机数字调速模块的软硬件设计。电机控制模块的整 体方案结构简图如图2 6 所示。 ( 1 ) p c 上位机 通过c a n 总线完成与电机控制板的通信，能够对控制器参数进行在线修改，便于 电机控参数进行调试。 ( 2 ) d s p 控制板 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以t i 公司t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的直流电机控制板主要功能是使用芯片上的事件管 理器模块实现p w m 信号的生成和电机转速的计算；使用e c a n 模块实现与上位机的通 信。 瞌线； 基于d s p l 功率驱动l 的电机 r l 直流 1 电机 控制板 1 信号处理r 融机驱动板 图2 6 直流电机控制模块结构简图 ( 3 ) 功率驱动 采用功率开关管设计电机的能量输出电路，并根据控制板输出的p w m 信号控制电 机的能量供给。本部分电路的质量直接关系到整个电机转速控制系统的优劣。 ( 4 ) 信号处理 采取适当的措施处理电机的转速反馈信号。例如，去除有害噪声，进行电平转换， 保证转速信号能可靠地反馈到d s p 控制板。此部分电路是控制系统实现闭环控制的主 要环节，信号质量的优劣直接影响到电机控制的效果。 由于p i d 控制是连续系统理论中的成熟技术，控制参数整定方便，结构改变灵活， 操作人员易于掌握，对大多数控制对象都能够获得满意的控制效果n 。正因为如此，尽 管不断有新的先进算法被提出，但是目前工业控制领域使用最广泛、技术最成熟的控制 算法仍然是p i d 控制算法。本文的电机转速控制采用p i d 控制算法。 2 4p c 上位机监控模块设计方案 2 3 5 节介绍了电机控制系统中包括上位机模块，除此之外柴油机模型实时计算模块 也要使用p c 上位机模块，本文只需建立一个上位机监控模块，使其包含以上两个上位 机监控模块的功能。本文上位机监控模块的具体功能是：在p c 机上编写监控界面，通 过该监控界面既能显示实时计算模块输出的柴油机状态参数和电机转速，又可以在线修 改柴油机仿真模型的部分参数和电机的控制参数。为了让监控界面正常工作，p c 上位 机模块除了要选用适当的软件工具编写监控界面之外，还需要解决实时计算模型和p c 机之间的通信问题。 本文使用l a b v i e w 软件编写监控界面，主要原因在于l a b v i e w 是一种图形化的 第2 章柴油机仿真平台的方案设计 程序语言，它消除了复杂繁琐的语法规则，减轻了用户编程的负担，大大提高了编程的 效率。c a n 总线