（控制理论与控制工程专业论文）基于s3c44b0 x的柴油机电控喷射系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 柴油机电控燃油系统是现代柴油机燃油系统的发展方向，它既是电子控制 技术逐步成熟并扩展其应用范围的必然，又是不断满足日益严格的排放法规之 必须。 当今社会对柴油机的动力性：经济性、排放和噪声要求越来越高，由此推 动了柴油机燃油系统的改革。为了达到日益严格的排放法规要求，必须改进燃 油喷射系统。代表性的方案就是电控燃油喷射系统：采用更高的喷射压力，并 采用预喷射以降低排放和噪声。国内外许多科研机构和企业都在研究开发各种 各样的柴油机电控燃油系统。共轨式喷油系统正是顺应以上需求而出现的，现已 得到了很大的发展。 论文分析了当前东西方发达国家在柴油机电控领域的研究状况以及取得的 成果。在借鉴国内外部分研究成果的基础上，结合课题的研究现状给出了电控 柴油机的基本控制策略，讨论了电控单元的设计方案。 微电子技术突飞猛进的发展，使得电子器件的可靠性与智能化水平日益提 高。电控系统所使用的微处理器已由原来的8 位，发展到今天的1 6 位、3 2 位， 且处理器的运算速度越来越快，信号处理能力越来越强，芯片的集成度越来越 高，这些为电控技术的发展提供了最为有利的硬件保障。现在各厂家推出的单 片机，都配有专门的高级语言开发环境、离线仿真系统、在线调试功能，使电 控系统的开发摆脱了以前的代码晦涩难懂、可读性差、难于接近的局面，大幅 度缩短了软件代码的编写周期，使得电控系统能够采用控制精度更高、更为复 杂的控制算法。 论文围绕基于a r m 7 1 m i 内核的微处理器s 3 c 4 4 8 0 x 搭建了系统硬件平 台，深入学习并掌握了3 2 位控制器平台的开发技术。控制软件开发是电控单元 开发中的一个关键环节，课题中对控制软件的规范开发方法和流程进行了学习 研究，并在系统开发中进行实践。 关键字：电控单元，a r m ，s 3 c 4 4 8 0 x 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t 啪i cc o n t r o ls y s t e mf o rd i e s e le n g i i l e si st h ed i r e c t i 0 o ft h e d e v e l o p m e n to fm o d e md i c s e lf i l e li n j e d i o ns y s t e m i “sa no u t c o m eo fp m g r c s s j v e m a i i ce l e c t 埘l i cc o n 缸o lt e c h n o l o g y 柚d 钍p 彻do ft h ea p p l i c a t i o n ，a l s oi sc o n s t a n t l y m e e t 加c r e a s i n 百ys t r i n g e n te m i s s i o n st e g u l a t j o n sm u s tb e t h es o c i a lr e q u e s tf b rd i e s e le n 咖e she c o n o n l i c ，e m i s s i o sa dn o i s eb e c o m i n g m o r ea dm o r ed e m a i l d i n w h i c hp r o m o t e dt h ed e v e l o p l n e n t0 fe l e c t t 0 n i cc o n t f o l i 面e c t i o ns y s t e mf o rd i e s e le n g i n e s t ba c h i e v ei i l c r c 髂i n g l ys 妇g e n te m i s s i o n s r c g u l a t i o n s ，i t e e d st oi m p m v ef i l e li n j e c t i o ns y s t e m 皿er c p r e s e n t a t i v ep f o j e c ti s e l e c 州cc o n t r o lc j e c t i o ns y s t 锄：u s i n gh i g l l e rc j e dp r c s s u f ea n dp r e j e tt or c d u c e e m i s s i o n sa n dn o i s e m 缸yd o m e s t i ca n d b r e i 蟹丑r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n de n t e r p r i s e s i nr e s e a 托ha 1 1 dd e v e l o p m e n to faw i d er 趾e eo fd i e s e lf u e le l e c t m n i cs v s t e m c 锄m r a i ls y s t e mi st op u m pm o r en e e d s 州s e ，i ti sa 露e a td e v e l o p m e n th a sb e e n t h ed i s s e n a t i o na n a l v z e dt l l ec u e mm e l h o d sa n dd e v e l o p m e mo fe l e c 曲d n i c c o n t r o ls y s t e m b rd i e s e le n 窖i n e s ，d j s c u s s e dt t l ec u i r e n tc o n t r o lm o d u l eo fd e s i 窖m m e t l i o d sa n d 土e c h n o l o 譬y ，b r o u 吐to u tt l l ec o n t m lt a c t i co ft h ec o 姗o nr a j ls v s t e m a n d h ed e s i g nm e t l l o d 砷ed c v e l o p m e n to fm i a o c l e c t r o 撕ct e c h n 0 1 0 9 ym a k h 2t l l er e l i a b i l i t vo f e l ec t _ r o n i cd e v i c e sw i t hj n c r c a s j n gl c v e l so fj l l t e l l i g e n c c t h em i c m p r o c e s s o r su s e di n e l e c t r o n j cs y s t 啪h a v eb e e nd e v e l o p p e d6 鲫e i 吕h tt o1 6 b i t ，3 2 b i tt o d ay - t h es p e e do f t h ep m c e s s o r sb e c o m ef 船t 柚df 缸t ，t h es i 印a lp r o c c s sc a p a b j l i t i e si sg r o v ，i l l 吕a 1 1 t h e s ep r o v i d ec o n d i t j o ni nh a r d w 盯e st ot h ed e v e l o p m e n to fe l e 咖1 l i cc o n t r o ls v s t e m n o wt h em a i l u f a c t u r e r si l l t r o d u c e dc h a p i 孤i ia r ee q l l i p p e dw i t l ls p c c i a l i z e ds e n i o r l a l l g 盼g ed c v e l o p m e n te v i r o 啪e n t ，t h es e p a r a t i o nu n es i m l l l a t i o ns y s t e m ，o n l i n e d e b u g g i n gf i l n c t i o s ，s ot l l a te l e c t r i c a ls y s t e m sd e v e l o p m e n t 仃o mt h ep r e v i o u sc o d e j a r g o n i s t i c ，r c a d a b i l i t yi sp o o r ，t i l es i t u a t i o nd i e i c u l tt os u b s t a n t i a l l ys h o n e nt h e s o f 惭a r ec o d ef o rt h ep r e p a r a t i o nc y c l e ，w h i c hc a l lc o n t r o ls y s t e mt oc o n t r o lt l l eu s e o fj l i g l l e rp r e c i s i o n ，m o r cc o m p l e xc o n t r o la l g o r i m m s t h em j c r o 巾r o c e s s o ro f3 2 b i th a sg f a d u a l l yb e c a m e 毛l l em a i n s t r e 锄p r o c e s s o r o fc l e c t r i c a lm o d u l e s m em a i nt a s kj ss u b j e c ts 3 c 4 4 8 0 xi na 册i i l i c m p r o c e s s o r sf o r s y s t e md e v e l o p m e n ts t u d yt o3 2 c o n t r o l l e rp l a t f o md c v e l o p m e n tt e c h n o l o 百e s c o n t m ls o f t w a r ed e v e l o p m e n ti st l l ed e v e l 叩m e n to fc o n t m lm o d u l e s ，ak e vp a f to f t h ec o n t i o ls o f t w a r ef o rt h ed e v e l o p m e n to fm e t h o d s 柚dp r o c e d u f e sr e g u l a t i gt h e s t u d y ，a n di ns y s t e m sd e v e l o p m e n tf o rp r a c t i c e k e yw b r d s ：e 1 e c t r o n i cc o n t r o lu j t ，a r m ，s 3 c 4 4 8 0 x i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 一直以来柴油机以其良好的动力性和经济性而被广泛地用于国民经济和国 防建设的各个部门。与汽油机相比，柴油机具有以下优势：燃料费用低，热效 率高，保证发动机可获得更佳的动力性和经济性；无须外源点火，不存在爆震 的危害，有着良好的耐久性和可靠性：c o 和c h 等废气排放量少i ”。 世界石油资源大量被消耗，石油储量逐渐枯竭，燃油的经济性越来越为人 们所重视。同时，随着人们的环保意识的加强，对柴油机排放法规的要求也日 益苛刻。要实现上述对车辆的要求，传统的机械式动力控制系统无能为力。比 如柴油机常用的两极调速器和全程调速器，它们靠起动弹簧、怠速弹簧、调速 弹簧、校正弹簧、限速弹簧及一些机械机构控制油泵齿条，实现对柴油机油量 的控制，从而可以控制柴油机的性能。由于是机械结构，所以结构一旦确定， 对柴油机的控制是固定的。另外由于机械结构的限制，控制能力也是相当有限 的【2 1 。 柴油机在其1 0 0 多年的发展过程中共经历了三次变革飞跃。第一次是上世 纪2 0 年代在供油系统中采用了机械式燃油喷射技术：第二次是上世纪5 0 年代 对进气系统引进了增压技术：第三次飞跃也就是从上世纪7 0 年代至今一直在完 善发展的柴油机电子控制技术。前两次变革的目的着重在于提高发动机输出功 率，改善其经济性；而电控技术的应用范围和目的要广得多，目前主要可划分 为以下三个方面：以控制转速、对应转速下最大喷油量和喷油正时为目标的喷 油系统电控，这也是柴油机电子控制技术最基本最主要的应用方向；其次是对 柴油机的其它系统如废气再循环流量、进气涡流调节和可变气门通道控制等进 行电控，保证发动机处于最佳状态；再有就是柴油机与配套机械传动系统匹配 状况的电子控制。对比这三次技术飞跃给柴油机带来的影响，可以看出，随着 时代的发展，对柴油机的研究己从单一地追求某些宏观指标如动力性或经济性 等，发展到如今的对发动机全工况进行更细微的综合调控，如何在各种工况下 均实现发动机最佳的性能指标是当前柴油机研究的重要课题 1 2 l 。 武汉理工大学硕士学位论文 近年来，微电子技术突飞猛进的发展，特别是与电控技术密切相关的电磁 兼容技术、传感器技术、集成信号处理控制芯片技术、微处理器技术、存储技 术等科学技术的发展，使得电子器件的可靠性与智能化水平日益提高。电控系 统所涉及的电控执行器，例如电动机、喷油器、车灯以及继电器等各种诸如电 感、电磁线圈、电阻等负载型式，都可以找到专门的控制与驱动芯片。这些驱 动芯片因为具有相应的控制端口，很容易用单片机对其进行控制。电控系统所 使用的微处理器已由原来的8 位，发展到今天的1 6 位、3 2 位，且处理器的运算 速度越来越快，信号处理能力越来越强，芯片的集成度越来越高，片内集成多 通道a d c ，多个定时器，大容量f l a s h ，而且芯片的价格越来越便宜，这些功 能为电控技术的发展提供了最为有利的硬件保障；由于信息、控制技术的发展， 新的开发方式、方法在发动机电控系统开发过程中得到广泛应用。例如，现在 各厂家推出的单片机，都配有专门的高级语言开发环境、离线仿真系统、在线 调试功能，使电控系统的开发摆脱了以前的代码晦涩难懂、可读性差、难于接 近的局面，大幅度缩短了软件代码的编写周期，使得电控系统能够采用控制精 度更高、更为复杂的控制算法。实时操作系统的采用，由于更加合理的安排了 电控系统的任务队列顺序，使得电控系统的管理功能日趋完善，这些是电控系 统得以迅速发展的软件保证1 6 j 。 1 2 柴油机电控技术的发展和现状 在国外，柴油机电控技术研究开始于上世纪7 0 年代，并于9 0 年代进入快 速发展和应用阶段，以德国b o s c h 的发展为例可以看到这一趋势： 1 9 8 6 年，电控轴向柱塞分配泵系统开发成功 1 9 9 4 年，电控泵喷嘴系统应用于商业车 1 9 9 5 年，电控单体泵系统开发成功 1 9 9 6 年，第一代共轨系统开发成功 1 9 9 8 年，电控泵喷嘴系统用于轿车 柴油机电控技术的发展可以划分为三个阶段，即第一代的位置控制系统、 第二代的时间控制系统及第三代的压力+ 时间控制系统【5 1 。 1 ) 位置控制式电控喷油系统 位置控制式电控喷油系统实际上是电控喷油泵系统，这种系统在喷油泵上 武汉理工大学硕士学位论文 增设传感器、执行器( 齿条或滑套) ，通过微控制器控制齿条或滑套的位置，对喷 油量进行调节，喷油量的计量按位置控制方式，即由喷油泵柱塞压送燃油的供 油始点和终点之间的有效行程决定；喷油定时的控制主要通过位移执行器改变 凸轮轴相对驱动轴的位置，并利用转角传感器测出角度变化来实现。位置式电 控喷油系统虽然能够实现对喷油量和喷油定时的控制，但控制精度都不高。这 类燃油系统的典型代表有采用直列泵的b o s c he d r 系统、日本电装d e n s o 的 e c d p 3 系统，使用轴向柱塞分配泵的日本电装e c d v l 系统、b o s c h 的v p 3 7 系统，使用径向柱塞分配泵的l u c a se p i c 系统等。 2 ) 时间式电控喷油系统 时间式电控喷油系统用高速电磁阀做为执行机构，通过控制电磁阀作用开 始的时刻和作用持续时间来控制喷油定时和喷油量。时间式电控喷油系统的喷 油量是用电磁阀的作用时间来量化的，这类燃油喷射系统的缺点是不能对喷射 压力进行控制，喷射压力随转速变化，在一次喷射中喷射压力也是变化的。时 间式电控喷油系统主要有采用电控分配泵的- 日本电装e c d v 3 和e c d v 4 ， b 0 s c h 的v p 3o 和v p 4 4 系统，美国底特律公司的d d e c 系统、l u c a s 的e u i 系统、b o s c h 的p d e 2 7 2 8 系统等电控泵喷嘴系统，及b o s c he u p l 3 电控单 体泵系统等。 3 ) 压力+ 时间式电控喷油系统 位置控制系统和时间控制系统都是在原有的喷油泵高压油管喷油嘴系统 上加上电控执行机构后形成的，而压力时间式电控喷射系统则是完全摆脱原有 结构的一种全新的电控喷射系统。它不再采用传统的柱塞泵分缸脉动供油原理， 采用压力一时间式燃油计量原理，并通过公共油道油压的连续控制和各缸喷射 过程的电磁阀控制相结合方式实现喷油控制1 9 】。 与传统喷射系统相比，这种系统具有以下优点：( 1 ) 可以高压喷射，喷油压 力比一般直列泵系统高出一倍，最高已达2 0 0 m p a ；( 2 ) 喷油压力独立于发动机 转速，可以改善发动机低速、低负荷的性能；( 3 ) 可以实现预喷射和后喷射，调 节喷油率形状，实现理想喷油规律；( 4 ) 喷油正时和喷油量可以自由选定：( 5 ) 具 有良好的喷油特性，优化燃烧过程，使发动机燃油耗、烟度、噪声和排放等综 合指标得到明显改善，并有利于改进发动机扭矩特性；( 6 ) 结构简单、适用性强， 可以在新老发动机上应用。 压力时间式电控喷油系统除了对喷油定时和喷油量进行控制外，还可以对 武汉理工大学硕士学位论文 喷油压力进行准确控制，执行器采用高速电磁阀或者压电晶体。喷油量的量化 采用引进了喷射压力的作用因素，喷油量采用燃油体积单位，根据当前喷油压 力转化成喷油器电磁阀作用时间。压力时间式电控喷油系统被公认为是一种最 具有发展潜力的喷射系统。为此各国都在积极研究开发这种共轨式的电控喷射 系统，部分研究开发成果在柴油机上已经得到应用1 4 ，6 j 。 目前，在世界范围内使用量最多的共轨电控系统有三家公司的产品：b o s c h 公司的u n 日e t ( 或称c r ) 系统、日本电装公司的e c d u 2 系统和美国卡特公司的 h e u i 系统。三种系统实际上是高压共轨系统和中压共轨系统两类。高压共轨系 统，共轨中压力等于喷油嘴喷射的压力，共轨压力很高，般在1 2 0 m p a 1 6 0 m p a 。典型的如日本电装公司的e c d u 2 和b o s c h 公司的u 】l i i e t 系统；另一 种是中压共轨系统，其共轨中压力较低，一般在4 m p a 2 5 m p a ，但在喷油器结 构中有增压机构，通过增压使喷射压力达到1 5 0 m p a 以上，典型的如卡特公司 脏u i 系统。在中压共轨系统中还有一种蓄压式共轨系统，喷油器中通过增压使 燃油达到高压，但高压油储存在蓄压室中，典型的是b k m 公司的s e r v o i e t 系统。 1 ) 高压共轨式喷油系统 日本电装公司的e c d u 2 型高压共轨喷油系统如图1 1 所示。电控装置根据 工况和其他信息( 油温、气温) ，依据给定的油压m a p 图，通过油泵控制阀( 也称 p c v ) 来调整高压供油泵的供油量，以改变共轨中的油压，因此油压与发动机转 速无关。当三通电磁阀通电时，控制室中的高压燃油流出，喷油器针阀因压力 室的油压作用而上升，喷油开始；当三通电磁阀断电时，高压油重新回到控制 室，液压活塞下行，使针阀落座喷油停止。因此，在共轨油压确定的情况下三 通电磁阀的开启时刻和开启持续期就决定了喷射时间和喷油持续期( 即喷油量) 。 节流孔的孔径大小可以影响控制室泄压速率，从而控制了针阀上升速度以改变 初始喷油速率。这样，这套系统通过油泵控制阀和三通电磁阀实现了对喷油压 力、喷油时间、喷油量和喷油速率的柔性控制【1 l 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图卜1e c d u 2 系统示意图 2 ) 中压共轨式喷油系统 中压共轨系统采用帕斯卡增压原理，只需安装具有中等油压的喷油泵，就 可以实现非常高的喷油压力，其形式包括共轨蓄压式和共轨液压式两种。共轨 蓄压式系统的控制油和喷射油均来自共轨管：而共轨液压式系统的控制油来自 共轨管，喷射油来自燃油输油泵。 美国c a t e i p i l l a r 公司的h e u i 共轨液压式喷射系统组成如图1 2 所示。该系 统主要由高压油泵，油道压力控制阀、电控液压喷嘴、各种传感器、电控模块 c m ) 以及燃油泵6 个部件组成。系统共轨中使用发动机润滑油，液压由电磁阀 控制在4 m p a 6 m p a ，经过增压( 增压活塞与柱塞面积之比为7 ：1 ) 后喷射压力可 达1 5 0m p a 。电磁阀接通时刻即为喷油始点，电磁阀接通时间决定喷油量。采用 润滑油作为共轨的工作油是为了解决柴油在热工况下薪度降低、热启动圃难的 问题i 。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 2 美国c a t e r p i l l a r 公司的胍u i 系统 除上述介绍的系统外目前国际上正在或已经开发研究的电控共轨燃油喷射 系统还有很多。如b o s c h 公司的重型共轨系统、美国d e i j p h i 的u ) c r 系统、 德国m 1 r ij 公司和l 0 r a n g e 公司的共轨系统、瑞士g a n s e r 公司的共轨系统、 s j 锄e n s 公司和汉诺威大学的压电晶体共轨系统等等。尽管各大公司的电控系统 的结构各有不同，但仍分属高压共轨和中压共轨两大类1 3 1 。 表1 1 几种典型的共轨+ 时间式控制 油量的 压力调节 系统 高压的实现 控制方式 控制三通阀 油压控制阀 e c d u 2 高压供油泵 的开关时刻 调节共轨油量 电控调节器控制高压机油 b k m 增压柱塞组件 调节供油压力泵的输出压力 升压活塞 控制阀电磁阀控制输入 h e u i 和柱塞 控制喷油始末低压腔中压力 国外柴油机燃油喷射系统现阶段发展的重点是高压共轨系统、电控单体泵 e u p 系统及电控泵喷嘴e 1 系统，特别是从上世纪9 0 年代后期，这些系统发 展成熟并越来越多地应用到轿车及卡车上。 武汉理工大学硕士学位论文 国内柴油机电控系统的研究和开发开始于上世纪9 0 年代初，研究和发展的 对象包括基于直列泵和转子泵的位置控制系统、清华大学的电控泵一管一阀一嘴 p p v i 系统、中压共轨系统、高压共轨系统等。现阶段国内的发展热点是高压共 轨系统，无锡油泵油嘴研究所及上海交通大学、清华大学、天津大学等高校在 做相关的开发和研究，另外中国一汽集团公司在进行电控单体泵的开发研究。 目前国内柴油机电控的发展水平还处于研究开发阶段，离产业化还有很大距离 【7 1 。 表卜2 国内柴油机电控技术研究发展现状 单位机型 控制对象技术类型 清华、上海交大、 喷油 高压共轨 北理工、吉林工大 高速机 蓄压式 一汽( 锡柴) 、 海工大、铁路机车 增压器可变喷嘴环 武汉理 1 9 8 5 年起高速机喷油蓄压式 工大 1 9 9 5 喷油、配气 中压共轨系统 学 2 0 0 1 2 1 3 5 及试验台架 1 3a 洲微处理器概述 1 3 1a r m a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产 品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上 的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面【吲。 a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供 应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的 芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据 武汉理工大学硕士学位论文 各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯 片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权， 因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系 统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力【2 2 】。 1 3 2a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 1 1 体积小、低功耗、低成本、高性能： 支持1 1 l u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 位1 6 位器件； 3 1 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 ) 指令长度固定【吲。 1 3 3a r m 微处理器的应用领域 a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 ) 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不 但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展。 2 ) 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获 得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也 对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取 得更加广泛的应用【1 2 ，1 5 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文研究的主要内容 从发动机电控系统的研究特点可以看到，电控单元的研究是一个多学科交 叉的领域，本文将对电控单元设计中的一部分内容进行研究，主要目标是建立 一个控制器的框架，实现各控制功能模块之间的协调，为控制器标定和各控制 功能的具体实现做前期研究，并设计其中的部分控制功能。 论文完成的工作主要有： ( 1 ) 讨论了柴油机电控喷射系统的发展： ( 2 ) 细述了电控系统的控制策略； ( 3 ) 以a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心设计各单元模块电路； ( 4 ) 在s 3 c “b o x 开发部分模块的程序，实现控制框架的逻辑结构。 武汉理。e 大学硕士学位论文 第2 章共轨系统的控制策略 2 1 喷油系统的要求 柴油机的排放法规年复一年的严格，因此研究减少排放而不损害发动机基本 性能( 功率、燃油经济性和噪声) 成为重要工作。因此喷油系统通常必须满足 下列要求： 高压工作能力； 控制喷射压力： 柔性的控制喷射定时； 控制喷油率。 2 1 1 高压工作能力 高压喷射是柴油机提高功率和降低排放的关键技术，提高喷射压力使喷油液 滴更加细化，提高与空气混合质量，缩短喷油持续时间。对喷油压力的研究结 果表明，提高喷射压力使缸内最高爆发压力、最高燃烧温度、最大放热率有明 显提高，有利于提高发动机平均有效压力、降低燃油消耗率和微粒排放，但噪 声和q 排放增加。 2 1 2 控制喷射压力 传统喷油泵系统的喷射压力与发动机转速关系很大，因而低速时得不到满 意的喷射压力。而本文所要阐述的系统即使在低速也有高的喷射压力。提高低 速的喷射压力可以降低烟度。 另一方面，为了降低怠速和低负荷时的噪声又要求有低的喷射压力。换言 之，最佳的喷射压力必须取决于发动机负荷和转速。 2 1 3 柔。 生控制喷油定时 为了把q 和微粒都减至最少而优化喷射定时，要求柔性控制喷射定时 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 即定时考虑到发动机负荷和转速两个方面，柔性的控制喷油延迟角。 2 1 4 控制喷射率 当喷射压力增大时喷射率也提高，但是着火延迟期不能缩短到小于某个值， 因此，提高喷射压力导致着火前喷入燃油增加了，从而增大了着火后的速燃量， 相应增大了d ，和噪声。为此，必须减少初始喷射率( 着火前的油量) ，以减少 速燃量。因此，需要三角型( 逐渐增大初始喷油率) 或预喷型( 在主要部分着 火前先喷入少量燃油) 的喷油规律。不论哪种型式，为了减小烟度、h c 和燃油 耗量，干脆断油( 停止喷射) 是很重要的l ”。 2 2 控制喷射压力 2 2 1 喷射压力控制系统结构 在共轨系统内，喷射压力是可以自由控制的。喷射压力或共用管压力，靠 改变高压供油泵的卸油量来控制，这是根据压力传感器的反馈信号，依靠接通 压力控制阀的脉冲起动时间，可以精确控制高压供油泵的供油量，下面还要详 细阐述。 图2 1 示出喷射压力控制系统的框图。在电控装置内进行了两级计算，也就 是： 图2 1 喷射压力控制框图 武汉理工大学硕士学位论文 只。计算，在各种传感器信号基础上确定目标喷射压力尸0 ； r ，计算，为实现只。，确定接通压力控制阀的脉冲起动时间l 。 靠基本的目标喷射压力。来确定，。由发动机转速。和负荷q 。 来确定，严幺。还要考虑水温的补偿。根据目标压力只。和由压力传感器信号所得 共用管实际压力只的差值，可以得到反馈补偿。因而，根据反馈补偿和基本接 通起动时间丁。，可以得到控制值0 。最后，经过时间闻隔f ，( 从作为计时标 准的气缸检测信号开始) ，脉冲输送到压力控制阀。 在发动机起动时，使用不同的控制规则，因为用作系统运行基础的压力必 须产生在早些时候。规则在转速很低而检测不到气缸检测信号时使用，在此期 间，来自高压供油泵的燃油量达到最高值，而与发动机转速无关。 来自高压供油泵的供油定时是与喷射同步的，并且不会有供求过份或不足 的情况。因而，共用管压力是稳定的。 2 2 2 控制压力的性能 发动机起动时，共用管压力必须比喷嘴开阀压力提高得快。共用管压力提 高值可用下式得到： 仃 衄：e 竺 y 其中p 为共用管压力提高值； e 为燃油的容积弹性变形；q 。为油泵供油量；v 为共用管和管路的容积。 当q ，= 6 0 0 研卅3 甜( 行程) ，v = 9 4 0 0 0 m 3 和e = 1 1 0 0 m p a 明m2 ，共用管压力 提高值为7 m p a ( 坍m 2 甜) 。喷嘴开启压力为2 0 m p a ，因此当油泵工作3 个行程 后共用管压力就超过喷嘴开启压力了。 2 3 控制燃油量 2 3 1 控制燃油量的结构 在共轨系统内，电控装置是在发动机运行条件( 由各种传感器检测) 的基 础上计算最佳喷油量的，喷油量是靠控制喷油器三通阀的脉冲宽度来控制的。 下图示出控制喷油量的框图： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 控制喷射量系统框图 在电控装置内进行两级计算，即： “喷油量的计算”，在由传感器提供的信息基础上，根据柴油机工况对比 姒p 图确定每次的最优目标喷射量q 。； “喷油脉宽的计算”，为实现目标喷射量，确定控制脉冲宽度l 。 在计算喷油量时，要分别检索q 。和q 脚。妣。为调速器基本特性，取决于 发动机转速以和油门踏板位置一。q 。为允许的最大喷油量，取决于发动机 转速。，进气歧管压力和进气温度z 。为了得到目标喷射量q 。，要从q k ，。 和q 。中选择最小值。 电控系统的优越性在于，q k 。和q 伽两者均能作为可变模式，自由的输入 程序，另外，发动机怠速的反馈控制和其它附加功能均可简单的靠程序输入系 统，而不必另外设置硬件。 脉冲宽度的计算是共轨系统的独特功能。喷油量可用下列公式得到，它是 一个准确的“时间+ 压力计算系统”： q t ，( l ，p c ) 其中，q 为喷射量，l 为脉冲宽度，忍为共用管压力。 因而，依靠喷油量q 。和共用管压力足就不难计算出脉冲宽度l 。 最终结果是喷油器三通阀通电时间宽度t 。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 喷油脉宽控制m a p 如上所述，该共轨系统的特征是具有控制反应能力，原则上为每次喷射时 要检测发动机的最近状况，并把数据返回到控制喷射量上来。 2 3 2 控制喷油量的对策 图2 4 示如控制喷油量的对策： 当控制脉冲从电控装置传到三通阀时，喷油器液压活塞上方的控制室内的高 压燃油 气压力 图2 4 喷油量的控制对策 但控制室压力b ( 在节流孔下游) 只是根据孔径大小而逐渐降低，由于节流孔的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 影响，与液压活塞联锁的喷嘴针阀逐渐抬起，从而得到三角型的喷油率。 当三通阀在控制脉冲宽度之后断电时，针阀回落，共用管压力供到控制 室b ( 在压力上升时节流孔不起作用) 。因而，喷嘴关闭迅速，得以快速停喷。 因此，喷射终点是靠加长或缩短脉冲宽度l 来调整的，喷油量是靠调节喷油期 长短来控制的。图中实线和虚线分别表示最大和最小喷油量【1 1 】。 2 4 控制喷射定时 喷油定时对发动机燃油经济性、动力性和排放都有很大影响。喷油定时推 迟，燃油在较高的温度和压力下喷入气缸，滞燃期短，可以降低最高燃烧温度， 从而降低q 的排放和燃烧噪声。推迟喷油定时是降低d ，排放的最简单易行 的方法。现代直喷柴油机为了降低d ，排放，喷油提前角已经减少到o 5 c a ； 另一方面，喷油定时延迟会导致最高爆发压力下降，燃油经济性变坏，h c 和微 粒排放增加。一般来说，推迟喷油定时必须提高喷油压力，提高喷油压力能加 快油滴的雾化过程。 在本系统内，依靠调节喷油器三通阀的通电时刻，可以自由控制喷油定时。 图2 5 喷油定时系统的框图 类似喷油量控制系统，在电控单元内进行两级计算： 武汉理工大学硕士学位论文 “计算目h ”，采用各种传感器信号，确定目标喷射始点时刻口伽( 口。b t d c 上止点前) ； “计算l ”，为了实现p 加，确定三通阀通电起始时刻。 3 25 熏 z 罄1 5 善 - o 5 0 、 。、_ 8 4h 4l ul 31 01 4 41 61 8z 0 共轨压力( m p a ) 图2 6 共轨压力一喷油延迟参照 口。是由发动机转速和负荷确定的基本喷射定时。为了确定目标喷射定时 口。，还要加上进气压力补偿值口，和水温补偿值日。 因为8 。是以曲轴转角& 6 b t d c ( 上止点前) 值表示的，所以要根据发动机转速 换算成时间f 。，然后再得到从计时标准3 0 。b t d c 信号算起的时间间隔0 ，最终 得到三通阀通电起始点。单靠改变三通阀通电起始时间耳就可以宽广地控制喷 射定时，只不取决于喷油率和喷油量。 2 5 控制喷射率 控制喷射率对于同时改善燃油经济性和降低排放与噪声是非常有效的。喷 射率型式主要有： 三角型喷射率渐升速停； 台阶型喷射率呈台阶状； 预喷型在主喷前有一个小的预喷。 在此不再详述。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件平台的总体设计 本章介绍系统的硬件平台设计，硬件平台的选择对系统的功能实现和开发 效率具有举足轻重的作用。 3 1 系统的总体设计 系统的硬件电路包括主机板模块、p c 机监控模块、传感器电路和驱动电路。 主机板模块负责对数据进行集中处理、与p c 机通信并控制其他模块的工作：p c 机监控模块通过对下位s 3 c 4 4 b o x 采集的柴油机各参数的监控实现对柴油机不 同工况性能的分析；传感器电路将柴油机各参数转换成电压量或脉冲量等输入 m p u ；驱动电路将m p u 输出的喷油脉宽信号放大驱动电磁阀。系统结构如图 3 1 所示。 柴油机参数 图3 1 系统总体结构图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 1 系统各模块功能综述 主机板模块包括m p u ( m i c r op r o c e s s o ru n i t ) 模块、j 1 1 a g 模块、f 乙峪h 存储 模块、s d r a m 存储模块、串口通信( u 删模块、复位电路模块( r e s e l ) 、电源 电路模块( p 0 w e r ) 、晶振模块和l c d 模块。各组成模块的功能如下： j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进 行调试、编程等； f 1 a s h 存储器可存放己调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在 系统掉电后需要保存的用户数据等； s d r a m 存储器作为系统运行时的主要r a m 存储区域，系统及用户数 据、堆栈均位于s d r a m 存储器中； 串行接口电路用于s 3 c 4 4 b o x 系统与上位p c 机的串行通讯： 复位电路可完成系统上电复位，和系统工作时用户按键复位： 电源电路为5 v 3 3 v 2 5 v 的d c d c 转换器，可向s 3 c 4 4 b o x 及其他 需要3 1 3 v 电源的外围电路供电； 8 m h z 晶振为系统提供工作时钟。通过片内p l l 电路，倍频后作为微处 理器的工作时钟； “m 模块作为系统的显示模块显示柴油机的各参数( 转速、油压等1 ； 系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必须的控制总线，便于用户 根据自身的实际需求，扩展外围电路。 3 1 2s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器简介【1 2 】 s 3 c 4 4 b o x 微处理器是一款由s 锄s u n g 公司手持设备设计的低功耗、高集 成度的基于a r m 7 1 m l 核的微处理器。为了降低系统总成本和减少外围器件， 这款芯片中还集成了下列部件：8 k bc a c h e 、外部存储器控制器、k m 控制器、 4 通道d m a 、2 通道u s r t 、1 个1 2 c 总线控制器、1 个s 总线控制，以及5 通道p w m 定时器和1 个内部定时器、7 1 个通用i ，o 口、8 个外部中断源、实时 时钟、8 通道1 0 位a d c 等。现在它己广泛应用于p d a 、移动通信、路由器和 工业控制等领域。 1 ) s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器体系结构 武汉理工大学硕士学位论文 一1 6 3 2 位r i s c 结构和a r m 精简指令集： 一t h u m b 协处理器在保证性能的前提下使代码密度最大； 一片上i c e 支持j t a g 调试方式； 一3 2 8 位硬件乘法器。 2 ) s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器系统管理 一支持大端( b i ge n d i a n ) 小端( h t t ke n d i a l l ) 模式； 一地址空间：每个b a n k 为m b ( 共2 5 6 m b ) ，每个b a n k 支持8 1 6 3 2 位数 据线编程； 一8 个内存b a i l l 【：6 个用于r o m 、s i m m ，2 个用于r o m s ra m ，d r a m ； 一1 个起始地址固定但大小可变的b a i i k ( o 6 ) ； 一所有内存b a i l l 【可编程寻址周期； 一支持d l l a m s o r a m 自动刷新模式； 一支持d r a m 的非对称寻址。 3 ) s 3 c 4 4 b o x 微处理器存储器映射 s 3 c 4 4 8 0 x 的存储空间映射如图3 2 所示 0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 e 0 0 0 0 0 0 0 x 0 c 0 0 0 0 0 0 0 x 0 a 0 0 0 0 0 0 o x 0 8 0 0 0 0 0 0 0 x 0 6 0 0 0 0 0 0 o x 0 4 0 0 0 0 0 0 o x 0 2 0 0 0 0 0 0 0 x o l c o o o o o 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 s r o m d r m s d r a m ( n g c s 7 ) 2 4 8 1 6 3 2 帅1 s r 伽d i s 删 2 “8 1 6 3 2 m ( r i g l c s 6 ) s r 伽 j - ( n g c s 5 ) 3 2 抛 s r o m 如2 器鑫饿0 1( n g c s 4 ) s r 伽 l ( n g c s 3 ) 3 2 m b s r o m - ( n g 皤2 ) 3 2 m b s r 洲 3 2 m b 0 1 。c s l ) 特殊功能 寄存器( 4 惦) s r o m f 2 8 船 ( n g c s o ) 图3 2s 3 c 4 4 b o x 存储区地址映射 4 ) s 3 c 4 4 8 0 x 微处理时钟和电源管理 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 低功耗。 一电源模式： 正常模式正常运行模式： 低能模式不带p l l 的低频时钟； 休眠模式只使c p u 的时钟停止； 停止模式