（动力机械及工程专业论文）高压共轨电控柴油机标定系统串行通信模块的开发与应用.pdf

上海交通大学硕士学位论文摘要 高压共轨电控柴油机标定系统串行通信模块的开发与应用 摘要 随着全世界范围的环保问题和能源问题日益突出，各国对汽车发 动机排放的限制法规和对其经济性的要求越来越严格，而传统的发动 机设计方法上的改进已经不能迅速地满足环境和能源的要求。为此， 人们纷纷将目光投向了汽车发动机的电子控制，发动机的电子控制得 到了空前迅猛地发展。柴油机的电子控制已成为国内外研究的一个热 点，并应运丽生了各种电控柴油机，目前已经发展到第三代产品高压 共轨电控燃油喷射方式。但其最终实现并应用于不同类型规格的发动 机，均需经过发动机匹配标定试验来确定其运行参数和控制参数这一 重要和必需环节。由此可见，电控柴油机的标定系统作为开发成功产 品的要素之一是必不可少且极其重要的。 本论文的主要工作是上海交通大学汽车电子研究所与企业合作 重大攻关项目一一“高压共轨式电控柴油机燃料喷射系统的研制”的 一部分。本文主要涉及该系统的标定系统的开发，并主要承担其中基 于k w p 2 0 0 0 协议串行通信模块的设计。k w p 2 0 0 0 协议是广泛应用 于国际汽车故障诊断领域的串行通信协议，而串行通信模块是标定系 统硬件和软件结构中的重要组成部分，并直接影响着标定系统在标定 监控试验中的可靠性。本论文主要通过对柴油机电控系统的电子控制 模型、硬件电路以及电控系统匹配标定原理进行深入了解，在此基础 上海交通大学硕士学位论文摘要 上选用r s 2 3 2 c 电气标准和k w p2 0 0 0 通信协议，完成了基于 k w p 2 0 0 0 协议电控柴油机标定系统串行通信模块的软硬件开发，实 现了e c u 与外部环境的可靠、迅速的信息流交换，并在标定监控试 验中取得了一定的应用效果。 本论文开发的标定系统通信模块包括硬件和软件两个方面。硬件 上依据k w p 2 0 0 0 协议要求采用i s 0 9 t 4 1k 线实现数据通信，并以 m c 3 3 2 9 0 为主体组成通信接口电路。软件方面主要为串行通信程序 设计，包括底层e c u 端和上层p c 端双方通信程序，每方通信程序 又可分为串行通信驱动部分和k w p 2 0 0 0 协议驱动部分。 底层通信程序采用m c 6 8 3 0 0 系列汇编语言编写。除数据监控过 程采用查询方式外，其它功能均利用中断数据传输方式接收和发送数 据，上层通信程序在标定开发界面上采用v i s u a lc + + 编写，采用 w i n 3 2 中用于串行通信a p i 函数及其相关部分数据结构，运用 w i n d o w s 的多线程服务方式进行程序设计。 在完成了通信模块的硬件和软件的开发后，分别采用e m u l 3 0 0 仿真器和e c u 试验板，与p c 机进行了标定系统动态连接调试试验， 试验结果证明通信模块能如期地实现通信功能，系统稳定可靠。 最后，本标定系统应用到实际的标定监控试验中，取得了良好的 效果。 关键词柴油机，电子控制单元( e c u ) ，高压共轨，标定系统，串 行通信，k w p2 0 0 0 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p n 匝n ta n da p p l i c a t i o no fc a l i b r a t i o n s y s t e m ss e r 【a lc o m 呱仉小c a t i o nm o d u l ef o r t h ee l e c t r o n i c a l i j yc o n t r o l l e dd i e s e l a b s t r a c t a st h e p r o b l e m o fe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n a n d e n e r g y d e f i c i e n c yi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，e v e r yc o u n t r yh a sl a i d m o r ea n df i r m e rl a w so ne m i s s i o n sf r o m e n g i n ea n dd e m a n d so n e c o n o m i c a lp e r f o r m a n c eo fi t a n dt h e p r e v i o u sd e s i g nm e t h o d so n e n g i n e sc a n n o ts a t i s f yt h er e q u e s t so fe n v i r o n m e n ta n de n e r g yq u i c k l y t h e r e f o r e ，p e o p l eh a v e f o c u s e dt h e i ra t t e n t i o n so nv e h i c l e e n g i n e s e l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c hh a sa c c o r d i n g l yd e v e l o p e dg r e a t l y t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lo fd i e s e l sh a sb e e np o p u l a rt h r o u g h o u tt h ew o r l d ， a n dt h e r e f o r ea l lk i n d so fe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dd i e s e l sa p p e a ra m o n g w h i c hh i g h - p r e s s u r e dc o m m o nr a i le l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e df u e ls y s t e m d i e s e li st h el a t e s ta n dt h i r dg e n e r a t i o np r o d u c t 。h o w e v e r , n om a t t e rw h a t k i n do fd i e s e l si su s e d ，t h e ya l ln e e dt ob ec a l i b r a t e di no r d e rt od e t e r m i n e t h e i ro p e r a t i n ga n dc o n t r o l l i n gp a r a m e t e r s i no n ew o r d ，a st h ek e y e l e m e n tt os u c c e s s f u l l yd e v e l o pan e we l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e de n g i n e ， 上海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a l i b r a t i o ns y s t e mi sn e c e s s a r ya n dv e r yi m p o r t a n t t h ew o r ki nt h et h e s i si so n ep a r to fas i g n i f i c a n tc o - o p e r a t i v e p r o j e c tb e t w e e ns h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t yi n s t i t u t eo fa u t o m o t i v e e l e c t r o n i c t e c h n o l o g ya n de n t e r p r i s e ，t h a ti s ，t h ed e v e l o p m e n to f h i g h - p r e s s u r e d c o m m o nr a i lf u e l s y s t e mo fe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e d d i e s e l t h i st h e s i si sp e r t a i n e dt ot h er e s e a r c ho fc a l i b r a t i o ns y s t e ma n d m a i n l yu n d e r t a k e st h ed e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do n k w p 2 0 0 0 k w p 2 0 0 0i sas e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt h a ti sw i d e l y u s e di nt h ef i e l do fg l o b a lv e h i c l e sf a u l t d i a g n o s i s a n d s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei so n ei m p o r t a n tc o m p o n e n to fc a l i b r a t i o ns y s t e m b o t hi nd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c t sr e l i a b i l i t y o fi t s a p p l i c a t i o n t oc a l i b r a t i o na n dm o n i t o r i n g e x p e r i m e n t s h a v i n g t h o r o u g h l yu n d e r s t o o de l e c t r o n i cc o n t r o lm o d e l ，h a r d w a r ed i g i t a lc i r c u i t a n dc a l i b r a t i o n ，w es e l e c tr s - 2 3 2 ca n dk w p2 0 0 0t od e v e l o ph a r d w a r e a n ds o f t w a r eo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nk w p 2 0 0 0 ，w h i c h c a ng u a r a n t e er e l i a b l ea n dr a p i dd a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne c ua n d t h eo u t s i d e i th a sm a d eac e r t a i na p p l i c a t i o nr e s u l ti nt h ee x p e r i m e n t s t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ec o n s i s t so ft w om a i np a r t st h a ta r e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nh a r d w a r e ，a c c o r d i n gt ok w p 2 0 0 0t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nm u s tu s ei s 0 9 1 4 1kl i n et or e a l i z ec o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，s ow es e l e c tm c 3 3 2 9 0a s am a i ni ct oc o n s t r u c tt h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t a n di n s o f t w a r e ，d e s i g n o fs e r i a l 1 1 e 海交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o np r o g r a m si st h em a i nw o r k ，w h i c hi n c l u d e st w op a r t s s e r i a ld a t at r a n s f e rd r i v e ra n dk w p 2 0 0 0d r i v e r t h eb o t t o me c us i d e sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sp r o g r a m m e d w i t hm o t o r o l a a s s e m b l y e x c e p tt h a tt h ed a t am o n i t o r i n gi sr o g a t o r y s t y l e ，t h eo t h e rc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n sb a s e do nk w p 2 0 0 0 a r er e a l i z e d i ni n t e r r u p t i n gs t y l e a n dt h eu p s i d ep c sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei s p r o g r a m m e dw i t hv i s u a lc + + a n de m b e d d e di n t o t h ec a l i b r a t i o n p l a t f o r m w eu s ew i n 3 2a p if u n c t i o n sa n ds o m er e l a t e dd a t as t r u c t u r e s t h a ta r es p e c i a l l yp r e p a r e df o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nd e v i c et op r o g r a m w i t ht h em u l t i - t h r e a ds e r v i c es t y l e a f t e rf i n i s h i n gt h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nm o d u l e s h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w eh a v ee x p e r i m e n t e dd y n a m i c a l l yl i n k i n gt e s t s b e t w e e np cc a l i b r a t i o np l a t f o r ma n de m u l 3 0 0e m u l a t o ro re c ut e s t b o a r d t h ee x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a tt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ec a l l a c h i e v et h ef u n c t i o n sw ew a n t e da n dt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mi ss t a b l ea n d r e l i a b l e f i n a l l y , w eh a v em a d es u c hc a l i b r a t i o ns y s t e mi n t op r a c t i c a l c a l i b r a t i o na n dm o n i t o r i n ge x p e r i m e n t s ，a c q u i r i n ga g o o d r e s u l t k e y w o r d s ：d i e s e l ，e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) ，h i g h - p r e s s u r e d c o m m o nr a i l ，c a l i b r a t i o n s y s t e m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，k w p2 0 0 0 ( k e y w o r dp r o t o c o l2 0 0 0 ) 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 私誓 日期：。弓年月i 中日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密幽，在厶年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：o z 年月 ， 。凇强 指导教师签名：鱼掰趴 日期：d 宅年、月i q 日 上海交通大学学位论文答辩决议书 申请者 甜砺 所在学科 洳力扣拣侵j 琵 lj ( 专业) 论文题目 痞声吉蠢嘶渺吾啪长墨 屯辛，纡远诧席鬟诀声彳定谚零 r 答辩日期 妒j 、v 、十 地 点 多献太蜘蚴掰谢歹懋游 答辩委员会成员 姓名单位职称 签名 钟砒褫 乡油逊氓李每树新乞 叔坟 勤锻 彩j 以 汐b 泛通书善夯叔f l 话怒啦 彳膨 努。二 乡油文耍氐挲籼专武孑t 芝 翻敌攫 墨。叫a 量。武杪多刍0 、翌啄姿1 栅、多谚j施霜霉：冽 e 、 一 ， 评语和决议： 甚氧吟辜声差她c 、in 最8 寸、也拉举者扯如财尊幂降氆口u 朽每“毛凇 # 隶球而并发鲁影印7 娟乞逐鬯氍圊 于肇由k 拈p 姆童攀：对吨榭砷枷吐缸| 嗣浦墟 1i z p 仕鼻霸黔函z 穆盯渲。 、 泡交也舶潲研阿向皇f 秘扣留釉# 豇强挪巍螂赡矗枷龇韵3 即 誊- 谗扰留袖枷e 幸稼s 0 毛两峨，设洳e t n 苫p 。争趣瞎知尊- - 料，菁违甲w 啪净 特淑亩鼍g 蚺慷粑划函瑚觚妇京吐了洒l 毫淑删亭棒哥枷 习占毽鹚 诒番拗锈洲黼s 龟劬一i 摹降童扒，分曲吨姥岍峄曲辛剧易珲橱斟f c l 乞 撕，托始芨二涵p j 瑚淋共懈口船而寝埘、百诈h 堂、硎饪f 善黾铭景龟啦妒语。 。治爱，乍考畚诲取事宅，啄岱j 艘膏毒盈衰晾声i 礴又和和撒学逸叫j 芦廷葶住澎正 舞决结果：1 1 i 谚孓研u 、组一妓l 司毛亟注研，建淑蝴声天书字i 豇。 答糖员会主席零，弛。 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车发动机电子控制技术的产生及其发展 电控高压燃料喷射技术是电子技术飞速发展与高压燃料喷射技术成功组合 的结晶。众所周知，柴油机的燃烧过程在很大程度上决定了柴油机的各项性能指 标，对柴油机燃烧过程的合理组织是改善柴油机综合性能的根本途径。而柴油机 的燃烧过程与柴油机的进气系统与喷油系统密切相关，在进气系统方面，到现在 为止人们已经采用进气增压、增压中冷、可变几何涡轮增压器、组织进气涡流、 可变几何进气道、废气再循环( e g r ) 等技术，目前，大多数的国内外专家认为， 柴油机技术发展到现在的程度，相对而言，应当把重点放在喷油系统的研究方面。 当前喷油系统的研究有两个方面： 一加强对喷油系统参数调控的灵活性，即所谓的柔性控制，特别是喷油量控制、 喷油始点提前、喷油率形成及喷油压力调节等方面，以形成理想的喷射规律 如预喷射、三角形喷射和靴形喷射等。电子控制是柔性控制的有力保障，应 当从功能比较单一的电控向全面电控发展； 二进一步提高喷油压力，改善混合气的质量。 研究表明，高压喷射是改进柴油机效率、排放和经济性的合理途径。提高喷 射压力使燃油从喷嘴出口速度增加，从而得到较高的燃油和空气之间的相对速 度，从而有利于燃油射流中微粒平均直径减小，于是蒸发速度加快；提高压力后， 喷射动量增加，这就加速了燃油雾注在燃烧室内空气中扩散，通过空气与燃油更 迅速的混合，混合气更充分的均匀化，由于混合气的形成效果好从而改进了燃烧 过程，有利于提高热效率和减少碳烟排放。虽然提高喷油压力可能对燃烧噪声和 n o x 排放不利，但由于喷油压力提高可有效缩短喷油持续期，喷油持续期短允许 增大喷油延迟，从而使着火延迟期缩短，这就有利于降低燃烧噪声和n o x 的排放。 另外，国外有的专家认为，如果采用高压喷射技术之后，对进气涡流的要求大大 降低，可以采用低进气涡流甚至无进气涡流燃烧系统，这样可以减少进气损失。 可以预计如果将电控与高压喷射有机的结合起来，会获得理想的喷油规律与雾化 混合，进面获得高效、低排放、低噪声的高性能柴油机。 国外柴油机电控喷油技术的开发研究从7 0 年代开始，已经经历了三代，即 位置控制式、时间控制式和时间一压力控制式，每一次新技术和新思想的应用都 是对燃料喷射系统的革命性开发，在解决排放、降低噪声、改善性能等方面几乎 起到了不可代替的作用。柴油机电控技术在世界发达国家，如美国、德国、日本、 英国等近1 0 年发展犹为迅猛，现在已有较成熟的产品推向市场。德国b o s c h 公 上海变通大学硕士学位论文 司的电控直列泵到1 9 9 5 年上半年在市场上已超过2 5 万台。美国底特律柴油机公 司d d e c 电控泵喷嘴系统从19 8 5 年投产到1 9 9 3 年已有1 0 多万台投放市场，在日 本z e x e l 公司可变预行程的t i c s 系统直列泵，在1 9 9 2 年产量达2 万台；电装公 司的e c d 9 2 电控共轨系统1 9 9 9 年已达3 0 0 0 0 台的水平。柴油机电控系统用在汽 车上，与汽车控制系统结合，其性能改善更加明显。我国在柴油机电控技术的应 用方面尚处于起步阶段，机械工程农机司和内燃机大行业办公室起草的我国内燃 机行业“九五”发展计划中，把柴油机电控技术列入“九五”期间应重点发展的 新技术、新产品。因此，开展柴油机电控技术的研究和发展，进行国际合作和交 流，已迫切需要提到重要的议事日程。 时间一压力控制式的代表产品是共轨式喷油系统，他是电控柴油机喷油技术 的最新技术发展，是一种适应未来柴油机要求的喷油系统。德国发动机和涡轮联 合有限公司( 淞v ) 、b o s e h 公司、日本电装公司以及f l a t 公司通过对常规的直 列泵供油系统、单体泵喷油系统、泵喷嘴喷油系统以及共轨式喷油系统的比较发 现，最佳的喷油系统是共轨式喷油系统。共轨式喷油系统在喷油率形成方面具有 最大的灵活性和自由度，并在设计制造成本低的发动机方面具有最明显的优越 性。 共轨式喷油系统的优点具体表现在以下几方面： 在整个特性曲线图谱内燃烧过程的优化，或燃油消耗率和废气排放降 低。 喷油时刻和喷油量可自由选定。 可在宽广范围内选定喷油压力水平。 喷油压力的建立与转速、喷油过程无关，平均喷油压力对最高喷油压力 的比例最高，从而可缩短喷油时间。 由于喷油嘴针阀在液压作用下迅速关闭，使喷油迅速结束。 可改变喷油过程形状，如预喷射等。 由工作原理所决定，较小和较大喷油量的可显示性好。 对不同功率的发动机采用相同的电磁阀。 可使用相同的电子控制装置，包括各种功能元件。 喷油量的提高很简便。 采用小的流量阀，因为为使喷油嘴针阀动作，只需打开或关闭较小的截 面。 控制电磁铁的电功率小。 提高了电子器 牛的可靠性。 供油泵的制造成本低，驱动扭矩小。 噪声低。 无需对柴油机作重大改动即可用共轨式喷油系统代替传统的喷油系统。 ” ” d ”m m m m m m m 上海交通大学硕士学位论文绪论 柴油机采用高压共轨式电控喷油系统是满足排放法规、进一步提高燃油经济 性、提高安全驾驶性能等最直接、最有效的手段之一。与发达国家相比，我国柴 油机电控技术研究水平较低，特别是高压共轨式电控喷油系统研究方面目前尚无 有关具体的研究资料报告及相关产品。 鉴于以上，本课题作为整个车用柴油机高压共轨电控喷油系统开发的一部 分，是在充分领会和吸收国外先进系统的基础上，力争在短期内开发出适合我国 国情的车用柴油机的高压共轨式电控系统的标定工具，这对我国柴油机技术的发 展具有重要的现实意义。 1 2 汽车发动机电控系统e c u 的开发与设计基础 1 21 电控单元e c u 的组成 汽车发动机采用微机控制时，我 们称此系统为电控系统。汽车电控系 统一般是由传感器、电子单元( e c u ) 及其接口与执行器组成的，如图l 一1 所示，可参考文献 1 】。车用微控制器， 一般是在一块芯片上集成了微处理器 ( 中央处理器c p u ) 、存储器( r a m 、 r o m ) 和各种功能的输入输出0 o ) 接口，还有的集成了模数转换器 ( a d ) 等，计算机行业称此为单片 机( m c u ) 。e c u 通常是由车用单片 发动机 图卜1 发动机电控系统概念图 f i g 1 1d i a g r a mo f e n g i n e se l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m 机与一些标准的或特制的集成电路构成。 若按电路划分，微机只是e c u 中的控制电路部分，也可以说，e c u 主要是 由输入电路、单片机、输出电路及电源4 部分组成，e c u 方框图如图1 2 所示， 可参考文献 8 。 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 e c u ： 单片机m c u 牍拟信号f哺入电路卜- 叫a d 转换器 暾字信号除入电路卜 竺如仔产群半一 i 电源f- * 5 电源电路f lu - l 输出电路卜_ 图1 2e c r 3 的方框图 f i g i - 2s t r u c t u r eo f e c u - 3 上海交通大学硕士学位论文绪论 1 22 电控单元f c u 的功能综述 汽车上大部分控制系统中e c u 的电路结构大同小异( 个别的如安全气囊用 的e c u ，因直接将传感器置入而结构差别较大) 其控制功能的变化则主要依赖 于软件及输入输出模块的变化，随控制系统所完成任务的不同而不同。e c u 的 基本体系结构如上图所示，是由输入电路、微处理器、输出电路和电源电路等组 成。 1 输入处理电路 e c u 的输入信号主要有三种，即模拟信号、数据信号、脉冲信号。模拟信号 必须通过a d 转换为数字信号后才能为微处理器处理。由于控制系统往往要求 模数信号转换具有较高的分辨率和精度，所以通常采用1 0 位以上的a d 转换器。 为了跟上输入信号的变化，提高测控系统的实时性，采样间隔一般要求小于4 m s 。 虽然微处理器能够处理数字信号，但并不是所有的数字信号都可以按其原幅值大 小输入，需要通过e c u 中电源电路产生的+ 5 v 电压进行转换。另外，对于诸如 超过电源电压、电压在正负之间变化、带有较高的振荡或噪声、带有波动电压等 输入信号，也必须通过输入处理电路转换为微处理器可以接收和处理的信号。 2 微处理器 微处理器是e c u 的核心部件，将c p u 、存储器、i o 接口、a d 和d a 器 件等集成在一个l s i s 上的微处理器称作单片机，是e c u 中应用最广泛的形式。 在汽车电子控制系统中，微处理器首先完成传感器信号的a d 转换、周期脉冲 信号测量和其它有关汽车行驶状态信号的输入处理，然后根据汽车运行工况，通 过事先储存在r o m 中的控制策略来计算所需的输出值，按要求适时地向执行机 构发送控制信号。目前在e c u 中所使用的微处理器多数是8 位和1 6 位的，也有 少数采用3 2 位的，本文采用的就是m o t o r o l a 的3 2 位单片机m c 6 8 3 3 2 。由于许 多汽车部件控制所需输入的传感器信息是相同的，而微处理器的处理速度越来越 快，有能力完成多个项目的分时控制，从而使得e c u 由单机控制f 一个e c u 控 制一个汽车部件) 向集中控制( 一个e c u 控制多个汽车部件) 方向迅速发展。另外 集中控制也可使汽车电子控制系统的产品价格降低、尺寸缩小，更主要的是由于 硬件数量的减少，使得汽车电子系统的可靠性、抗干扰能力得到了大幅度提高。 3 输出处理电路 微处理器输出的信号往往被用作控制电磁阀的电流信号、指示灯的开关信 号、规定的周期脉冲信号( 如用于发动机燃油喷射控制) 、用于驱动步进电机的 一系列固定周期的脉冲信号和用于比例控制的电压信号等。一方面由于这些信号 功率小，另一方面由于汽车上执行机构的电源大多数是蓄电池，而微处理器所使 用的是+ 5 v 电压，所以不能直接驱动执行机构，需要将微处理器的控制信号通过 输出处理电路处理后再驱动执行机构，完成整个系统的控制功能。 上海交通大学硕士学位论文绪论 4 电源电路 e c u 一般带有电池和内置电源电路，保证微处理器及其外设工作在+ 5 v 的电 压下。即使在发动机起动工况等汽车蓄电池电压有较大波动时，也能提供+ 5 v 的 稳定电压，以保证系统的正常工作。 ，2 3 龟控单元e c u 系统结橡设诗 汽车电控系统是一个实时控制系统。在进行e c u 系统总体设计时，首先需 要根据需求，完成系统结构的综合描述，建立详细的系统需求模型和系统结构模 型。具体设计流程包括：系统需求模型设计、系统结构模型设计、系统硬件设计、 系统软件设计和系统集成测试。在每一步的设计过程中，都需要采用相应的辅助 设计工具，例如在系统的需求模型设计时，要建立系统的数据流图( d f d ) 和控 制规程( c s ) 等；在系统的结构模型设计时，采用结构流图( a f d ) 等作为辅 助工具。通过需求模型和结构模型的设计，进而提出整个系统的技术指标和要求， 指导下一步的硬件和软件设计。 在进行e c u 系统硬件设计时，首先必须确定系统的体系结构，包括所要具 有的功能和配置，传感器和执行机构等输入输出环节，控制结构和系统控制电路 的操作步骤。根据这一体系结构进行系统硬件的总体设计，同时还要考虑到如开 发时间、费用、e c u 的结构形式和尺寸等情况。体系结构设计是为了确定输入 输出处理方法，估计所需r o m 和r a m 的容量等，要绘制一个硬件结构框图以 了解整体控制过程，在这个阶段还要确定微处理器的选取和控制电路的性能。在 构成系统时，尽可能采用集成器件代替分离元件，以及使用软件功能代替硬件功 能，这样可以使系统的可靠性增加，成本降低和灵活性增强。 汽车电子控制系统的实时性是建立在微处理器的高速运算功能上的，因此微 处理器的选择是系统设计的重要环节。按照控制电路所要求的体系结构选定微处 理器后，即可具体地进行有关控制程序的设计与开发。e c u 中的控制程序，主要 由监控、管理、通信、计算、控制、检测和自诊断等部分组成，使用人们易懂的 语言来开发程序，然后出计算机转为机器语言。一般来说，编程语言可以分为汇 编语言和高级语言( 如c 语言和b a s i c 等) 。 控制理论是编制和优化控制软件的理论基础，是汽车电子技术中的难点和重 点。尽管目前利用现代控制理论建立的最优控制或自适应、自学习、模糊控制等 数学模型在汽车电子控制系统中已经开始被采用，但应用最多的还是基于经典控 制理论的p i d 模型。建立这些控制系统，首先要对汽车某一个被控部件进行系统 辨识，建立数学模型，然后采取相应的控制方法进行优化控制，由于汽车中要控 制的对象往往是时变的强非线性系统，所以目前还没有成熟的，可以由理论方法 来推导的数学模型。以点火提前角优化控制为例，目前应用较多的还是利用台架 试验先找出各种工况下的晟佳点火提前角的m a p 图，存入e c u 的r o m 中。在进行 上海交通大学硕士学位论文 实际控制时，e c u 不断检测发动机的工况，即刻查出对应有关工况下应选的点火 提前角，进行修正后输出指令，控制执行机构进行点火。 1 24 电控单元e c u 的匹配与标定的概述 柴油机电控技术之所以有强大的生命力，其根本原囡在于电子控制的灵活 性，即可以通过复杂的控制算法和匹配优化的控制数据，实现柴油机的喷油量、 喷油定时甚至喷油率的优化控制，达到传统喷油系统所无法比拟的性能，而标定 系统则是通过优化控制算法和控制参数达到优化控制目的的重要工具。 对于整个电控柴油机系统而言，喷油系统的硬件及直接控制喷油过程的底层 驱动软件可以看作是喷油控制指令的执行系统，而标定系统则是根据发动机不同 状态的控制策略和控制数据发出优化控制指令的系统，是柴油机电控系统中的较 高层次的软件部分，尽管已有的电控系统有保留了传统喷油系统基本结构的位置 式控制系统和用高频电磁阀直接控制喷油过程的时间控制式系统之分，每一类系 统中不同公司的产品的结构也各具特色，但由于标定系统不直接和喷油系统的硬 件交往，所以标定系统具有对各类系统的普遍适用性。标定系统对控制策略和控 制数据的标定方法对电控柴油机性能的优劣起关键作用，功能完善且灵活方便的 电控单元标定系统对整个电控发动机开发过程将起到事半功倍的效果。故开展这 方面的研究具有重大意义。 整个标定系统离不开控制程序和控制参数的优化，控制数据是发动机管理系 统中非常重要的一部分，直接决定控制质量的优劣，针对一个具体机型的发动机 标定系统，其控制参数是在大量实验数据的基础上，按照一定的准则( 如排放性 能、燃油经济性、稳定性等) 选择确定的优化数据，此优化控制参数的过程即为 匹配与标定过程。 进行数据标定时，电控发动机的实验系统中各部分的关系如图1 3 所示。数 据监控与标定系统的功能是在线显示、修改并存储电控单元中的数据。为了更好 地监控调试和对系统所需数据进行匹配标定，整个系统的开发往往基于w i n d o w s 平台，具有能够同时在一个母窗口下打开的数字式界面与图形式界面。 图1 - 3 标定系统原理图 f i g1 - 3d i a g r a mo f p r i n c i p l eo f c a l i b r a t i o ns y s t e m 1 3 本文的主要工作 本课题是企业学校合作重大攻关项目一一“高压共轨式电控柴油机燃料喷射 系统的研制”的子项目。整个项目的目标是参照国外柴油机高压共轨式喷油系统 上海交通大学硕士学位论文 绪论 的资料和样品，测绘和分析其工作原理和具体的结构，深入理解整个系统后自行 开发我国的柴油机高压共轨式喷油系统，并和广西玉林柴油机厂的y c 6 1 1 2 柴油 机进行匹配，实现该柴油机的正常运行，而且使该柴油机的整体性能达到要求的 指标。整个项目在卓斌教授的指导下组成课题组分工合作。 本子课题主要涉及该系统的标定系统的开发，并主要承担其中串行通信模块 的设计。串行通信模块是标定系统硬件和软件结构中的重要组成部分，直接影响 着标定系统对整个系统进行标定优化的质量。与大系统后续的匹配标定实验、自 学习模块和故障诊断模块的开发等工作均密切相关。本课题通过对柴油机电控系 统的电子控制模型、控制策略、系统硬件电路的设计、以及电控系统匹配标定工 作的深入了解，选用r s 一2 3 2 c 电气标准和k e y w o r dp r o t o c o l2 0 0 0 通信协议，完 成电控柴油机标定系统串行通信模块的软硬件设计和程序的编写，实现e c u 与外 部环境的可靠、迅速的信息流交换。并由于其良好的通用性和可扩展能力以及方 便的接口参数修改而便于作为通用的电控发动机标定系统的通信模块。 本课题主要工作内容如下： 1 ，参与项目调研及有关文献资料的收集、整理。充分了解国内外电控柴油机的 发展现状。 2 通过阅读数据通信相关书籍，熟悉数据通信的基本理论，尤其是异步串行通 信的原理及应用。 3 熟悉k e y w o r dp r o t o c o l2 0 0 0 标准协议，结合本课题的要求深入掌握，并能 运用于串行通信程序中，实现标定系统的可靠通信。 4 学习m o t o r o l a6 8 3 3 2 单片机系统，设计出e c u 和p c 机通信的接口电路；并 掌握其汇编语言，用之编制底层通信程序。 5 在此基础上完善自行开发的高压共轨电控柴油机标定系统串行通信模块和 监控模块的设计。并实现通信模块、监控模块和标定界面的动态链接。该软、 硬件子模块应具有以下功能： 1 ) p c 机与e c u 能够以k w p 2 0 0 0 协议实现可靠通信，包括标定通信模块移植 入e c u ，具有完善的与其他控制程序并存时的时序安排、中断优先等，通 信畅通且e c u 中其他功能模块( 如控制模块、采样等) 能照常工作；m o n i t o r 监控通信模块移植入e c u ，同时保证监测到的数据实时性好： 2 ) 既能够非在线的实现p c 机和e c u 之间大批量的数据传输，也能在线的监 测发动机的运行状况，实时地进行重要系统参数的修改： 3 ) 数据传输有必要的是实时性和准确性，有一定的错误检测以及错误处理功 能，并有完善的流控制技术；并且传输线路有较强的抗干扰能力： 4 ) 能实现标定系统的可靠运行，并为以后自学习模块和故障诊断模块的开发 作适当的硬件上的考虑； 上海交通大学硕士学位论文 汽车发动机电控系统的匹配与标定的理论基础 第二章汽车发动机电控系统的匹配与标定的理论基础 2 1 。匹配与标定的基本概念 发动机配装电控喷射系统后的最大特点的就是能使现有的发动机发挥出最 好的性能，能使其在节油、提高动力性、降低排放诸方面都得到提高。发动机电 控系统可分为硬件和软件两部分，硬件由e c u ( 电子控制单元) 、传感器、执行器 和线束4 部分组成，而软件由程序和标定参数组成。 从理论上讲，一个电控系统只要改动其软件部分的标定参数部分，就可配用 于几种不同的发动机。若进一步对硬件和软件程序部分稍加改动，一个电控系统 原型就可配用各种不同的发动机。但不管怎样匹配，在一个电控系统软件模型和 硬件模式基本确定的前提下，能不能使被匹配的发动机发挥出最佳的性能，就取 决于能否获得软件部分的最佳标定参数，这一取得最佳标定参数的过程，就是匹 配标定工作的主要任务。 一种简单的基本电控系统可能需要上百个标定数据，而一种复杂的功能强的 电控系统可能需要数千个数据。这些数据一般可大致分为：发动机稳定工况标定 参数、稳定工况修正曲线、非稳定工况标定参数、怠速及起动工况控制参数、特 殊功能控制参数、程序运行控制参数( 如p i d 参数) 以及诊断参数。 2 1 1匹配 匹配是指为使一车型配用电控系统并实现整车的各种性能要求，而对整车、 发动机、电控系统进行选型、再设计、改造、适配、标定的整个过程。匹配除包 括标定的整个过程外，还包括选型、改造、适配及为此进行的各种试验、开发过 程。 2 1 2 标定 标定是指根据整车的各种性能要求( 动力性、经济性、排放等) ，调整、优 化和确定电控系统软件的运行参数、控制参数和各种控制数学模型的整个过程。 它包括所有为此而进行的道路、转鼓、台架和试验室的试验、开发、验证等过程。 2 1 3 工况节点 工况节点是指电控系统软件为控制发动机运行而划分的工况控制节点。发动 机工况由发动机发出的功率和发动机转速来定义，电控系统中的工况节点是由转 速和电控系统的功率控制量来定义。对于不同的电控系统，功率控制量可以是绝 对压力、空气流量、节气门位罱等。电控系统按工况节点和节点间的数学运算来 控制发动机在全部工况下的运行。 2 1 4脉谱图 上海变通大学硕士学位论文汽车发动机电控系统的匹配与标定的理论基础 电控系统中的脉谱图( m a p ) 是指在发动机的转速和功率控制量构成的二 维平面上( 工况平面) ，加上第三维控制量( 喷油量或点火提前角) ，而形成的发 动机运行的三维控制图。 2 1 5 脉谱图优化 三维图优化是指按电控系统软件所定义的工况节点，在稳态条件下，根据动 力性、经济性、排放3 种指标，综合优化电控系统喷油量、喷油提前角( 汽油机 为点火提前角) 等三维控制参数的过程。它是标定过程的一项重要内容。 2 2 匹配与标定系统的基本功能 通常发动机电控单元的标定系统如图2 1 所示，必须具有如下功能： 图2 - 1 匹配标定系统组成 f i g 2 - 1b l o c ko fc a i b r a t i o ns y s t e m ( 1 )多参数多循环实时测试。 在开发过程中，需要对燃油系统的工作过程和性能进行全面的分析，往往需 要对众多类型不同的参数进行测量分析。此外，为了研究各参数的循环变动情况 和过渡工况下燃油系统的性能，就必须对众多参数进行多循环连续测试。多循环 连续测量也是e c u 控制算法研究和发动机性能优化的前提条件。 ( 2 )能够实时监控发动机的运行状况。 实时监控子系统是对实时性有苛刻要求的计算机子系统