（控制理论与控制工程专业论文）柴油发动机电控单元的研究.pdf

内蒙占科技大学硕士学位论文 摘要 世界各国排放法规的目益严格和能源的严重短缺，迫使柴油机朝着低污染、低油耗 和高功率比的方向发展。而降低柴油机排放、提高动力性、经济性除了与柴油机本身的 性能有关外，与燃油喷射控制系统也密切相关。在当前所有的燃油喷射系统中，柴油机 高压共轨电控喷射系统在降低排放、提高汽车发动机性能方面是最有效的。因此，高压 共轨电控系统的研究是当前的热点之。一。 本文应用自主研发的m e c u 1 硬件开发单元，完成高压共轨柴油机电控系统底 层驱动程序的编程，实现了对数字信号和模拟信号和开关信号的采集，对采集到的数据 进行了处理。根据发动机运行的相位及喷油器电磁阀的特性，应用双电压分时电路设置 并控制喷油率形状，实现了预喷射、主喷射、后喷射三段喷射及多段喷射。 在高压共轨系统控制方面，参考大量的文献，完成了预喷油量、主喷油量、喷油定 时的算法，设定了轨压控制策略，应用p d 闭环控制实现了喷油压力柔性可调，在不同 负荷和转速下都可确定所需的最佳喷油压力。同时由于实现了对喷油正时、喷油量和喷 油速率的展优控制，因而改善了柴油机的燃烧过程，减少了p m 和n o 。的排放，降低了 燃烧噪声。 在整机管理方面，设计了适合本课题的实时操作系统m m 盯o s ，将任务划分为角度 触发事件和时间触发事件，对各个任务的优先等级进行了合理划分，实现了有序控制发 动机和管理发动机。 在测试方面，设计了基于c a n 总线的嵌入式测试系统( e t s ) ，通过软硬件结合 调试，对接口函数的有效性进行了测试。提供了基于c c p 协议的底层驱动程序，为应 用标定工具c a n a p e 对e c u 进行标定提供基础。 在实验方面，构建了柴油机高压共轨实验系统，通过启动实验、加速减速实验和匀 速实验，验证了软件设计的可靠性和可行性。 关键词：高压共轨，e ( 砌，燃油喷射 内蒙古科技人学硕士学位论文 t h ee l 佻t r i cc o t 阳lu n i to fd i 鹤e le n g i n e a b s t 糯c t r i g o m u se m i s s i o nl e g i s l a 廿o n 锄ds e v e r ee n e 唱ys h o f t a g ef o r c ed i e s e lt ob ed e v e l o p e d f o rt h eo b j e c t so fl o w e rp o l l m i o n ，l o w e r 氘忙lc o l l s 眦e 觚dl l i g hp o w e rp c rw e i g h 。 i o w e v e r ，t l l ek e yt of e d l l c e 锄i s s i o n s ， i i n p f o 、岵d i e l sp o w e r 趾df u c le m c i e n c yn o t 0 1 1 l yd 印e n d so ni m p r o “n gd i e s e l sp e r f b m a i l c eb u td i s od 印e n d so nt i l ec o 蛐帕l 如e l i 玛e c t i o ns y s t e m t o d a y ， d i e s e le n 西n e1 1 i g h - p r e s s u r ec o i n m o nr a i le l e c 仃o i l i cc o n t m l i n j e c t i o ns y s t e mi s t 1 1 ei n o s te 疗e c t i v ei ne i n i s s i o nr e d u c t i o na n de n g i n ep e f f o 姗a n c e i i n p r o v c m e n t 锄o n ga no ft l l ef i l e li 坷e c t i o ns y s t e mc l l l t e n u y ，t h e r e f o r e ，t h es t i j d yo f t h el l i g h p r e s s u r cc o m m o nr a i le l e c t r o n i cc o n t r o li n j e c t i o ns y s t 锄h a v eb e e no n eo fc l l n - e n t h o t s p o 忸。 b a s 耐o n t l i e m j e c u 一1d e v e l o p e d i l l 蛔删孔也e t h 耐s 咄1 1 p l 删也e l o w l e v e l d 姗 班啦，龃，r e a l i z c d 幻s 锄p l em ed i 舀诅i 删o ga n ds 谢把h i i l gs i | 目n a l a c c o r d i 】唱协t h ca n a l y s i s o nd i m n g 啦i p ko f 研l g i 玎e ，即c i s ep i l o tm l a i l la n da f t e r 蝎e c 6 0 l l sh a v e 慨r e a l i z e d r d h 燃l a 耐ag 他a t 出蚶o f d c 吼m l e i 】l 乜，c o i n l ，e t e dt h ea l g ( 耐m mo f p r e 一珂酬0 na n dm a i n - i n j e c t i 衄f h e lq l 删砌晚d e s i g r 神m ec o m r o l 曲眦g yo f 伽e 啪m 伽嘲i lp f c s s u 砖u s e dt h ep d c l o s 争l o o pc 咖lt 0m 丑d e 也ep i 鹳舳坞删u s t a b l y b e ：c ；l u s eo f1 玉l eo p t i l l l l 珊o ft h e 血i l eo f 硒o c t i o n 锄d 也c f i l e l q u a 嘶l y o f 硒e c t i o n ，r e d u c e d t l l e p m a n d n 0 x o n m ee i l 舀n e m 锄g 咖吼d e s j g 删a 删撕m c 叩慨i n gs y s t e m - m i ：n r t o s 丑t 嘲f b r m e 刚e c t d i v i d e dt l l ep r i o f i _ l yl e v do ft a s ku s et l e 哪日a d o ns y s t e i nt 0c o m m la 1 1 dm 孤i a g e rl 量1 e e n g i i l e d e s i 酬ae f ：曲e d t e s ts y s t 锄b a s e do n “c a nb u s ，t l l u g h t h cd c b u g t o 佃吐t h e t h e 砷妇矗眦d 姗p r 州d e d 把l o wl e v e lp m g r a ms a t i s 矗e d 州mc c p2 o r 龃d yf b rc a l j 碱i 伽 u s ec a n a p ct 0 0 l s e x p e d m 朋t0 nt h e 钯s tb e d ，m er e 刚t so fs t a n 咽湖m e n t ，瓣d u pa i l d $ 别棚 麟p c 卸dl 】1 1 i f b 蛳印o c de x 婵r i i l 懈】招v e 咖脚m e 印。c i s j o r i ，f b 嬲i b i l 畸锄dr e l i a b i l n yo f s o n w a 豫d e s i g l l ，柏d 蹦6 d p a 搬lc o n 舡o le 侬娥啪sa c l l i e v e d k 姆w o r d s ； t h eh i g h p r e s s u r ec o m m 蛐n me c u ，f i i d i n j e c t i o n 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 塞：】连 日期；童塑：受：! 塞 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：主j 盗导师签名：趣坠日期：套! ! 乏：! ：2 罗 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题的意义 柴油机自诞生以来以其良好的动力性、经济性和可靠性成为汽车工业的主要动力， 但随着世界机动车拥有量的迅速增加，柴油机工作噪声大、微粒( p m ) 和氮氧化物 ( n 0 k ) 排放高也给环境保护带来了巨大的压力。为保护环境和节约能源，世界各国 相继制定并实施了越来越严格的柴油机排放标准，因此，研究各种排放控制技术成为内 燃机工作者的重要课题。当前国内研究的重点是柴油机欧i 排放控制技术。 由于p m 和n c l ) ( 排放的矛盾关系，如何同时降低p m 和n o x 是柴油机控制的关 键。国外的发展趋势是普遍应用电控泵滤清器喷嘴、电控单体泵或电控高压共轨燃油喷 射系统，这些为国内的研究提供了良好的借鉴1 1 l 【2 】p j 。 低排放燃油系统及其电控技术是降低柴油机排放的关键环节，到目前为止我国尚无 完全自主研发的柴油机能够达到欧i 标准，电控技术达不到要求便是主因之一。国外各 个公司在技术上对我国严格保密，设计国有自主知识产权的电控系统已迫在眉睫。 1 2 柴油机电控技术在国内外的发展过程 国外在柴油机电控燃油喷射系统方面的研究开展得较早而且比较深入，自8 0 年代 以来，电控技术的发展可以从喷油系统的控制原理上划分为三个阶段，即第一代的凸轮 压油啦置控制系统、第二代的凸轮压油+ 电磁阀时问控制系统及第三代的压力时间式控 制系统。 第一代凸轮压油+ 位置控制： 第一代电子控制式燃油喷射装置中，将机械式调速器和提前器换成电子控制的机 构，燃油压送机构和机械式燃油系统相同。这种系统根据e c u 的指令由齿杆或溢油环 的位置控制喷油量，由发动机驱动轴和凸轮轴的相位差控制喷油时间的长短。根据各种 传感器检测到的发动机状态及环境条件等，计算出适合于发动机状态的最佳控制量，并 向执行机构发出相应的指令。 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 0 s c h ) r 系统、f l 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 - vl 系统、b o s c h 的v p 37 系 统，使用径向柱塞分配泵的l u c 簦e p i c 系统等。 第二代凸轮压油+ 电磁阀时间控制： 内蒙占科技大学硕士学位论文 时间式电控喷油系统用高速电磁阀作为执行机构，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，这类燃浊喷射系统的缺点是不自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 配泵的同本电装e c d v 3 和e c d v 4 。b o s c h 的v p 3o 和v p 4 4 系统，美国离特律公 司的d d e c 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 0 s c h 驮1 3 电 控单体泵系统等。 第三代压力时闻式电控喷浊系统； 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 时问。压力时间式电控喷油系统有共轨蓄压式系统、共轨液压式系统及高压共轨系统， 随着高压共轨系统技术的成熟和优势体现，前两种系统逐渐被淘汰，己经退出了历史舞 台悯。 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 u l 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。 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 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i 蜀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。 l - 3 发展现状 国外在柴油机电控系统方面的研究进展很快，由于高压共轨喷油系统的突出优点， 世界各国的柴油机生产厂商从2 0 世纪末至今在高压共轨系统的研究与开发方面投入了 很大力量，并有多种共轨喷射系统设计并投产。这里主要介绍德国博世公司和西门子公 司、同本电装公司和美国的德尔福公司的高压共轨系统。 目前为止博世公司总共规划和设计了3 代高压共轨系统。第一代已经于1 9 9 7 年7 月批量投放市场，主要应用于轿车，喷射压力达1 3 5 m p a 。第二代于2 0 0 0 年丌始批量生产， 开始使用具有油量调节功能的高压泵和经改进的电磁阀喷油器，喷射循环由预喷射、主 内蒙古科技大学硕士学位论文 喷射和多级喷射等多次喷射组成，最大系统压力提高至1 6 0m p a ，采用降噪新技术，主要适 用于功率在5 5 k w 几以下的发动机图1 1 为博世第二代c r s 系统。 图1 1 博世为第二代a 爆系统 博世公司第三代高压共轨喷射系统的开发萤凸转移到系统的技术复杂度和精密度 上。高压油泵前端的齿轮泵将燃油从油箱抽出，通过滤清器送入具有泵油量调节功能的 高压油泵升压，分配单元将进入的燃油分成两路：一路供给泵油元件，另一路用以冷却。 高压油泵将燃油压缩至最高压力1 6 0 m p 巩并将其输入共轨。共轨上安装的压力传感器、 压力调节器和电控装置形成闭环的压力控制回路。高压燃油经油轨到喷油器。 第三代高压共轨喷射系统最大的特点在于采用了一个快速开关的压电直列喷油器， 压电执行器内置于喷油器轴体上，相比于传统喷油器减少了约7 5 的运动件及7 5 的质 量，开关速度也得到很大提高。第三代高压共轨燃油喷射系统能满足严格的欧标准口】1 8 】 【9 】【1 0 1 。 西门予公司2 0 0 1 年9 月开始供应带压电晶体喷油器的共轨系统，响应时间约 o 1 m s ，最高喷射压力达1 6 0 m p a ，其用户有标致雪铁龙和大众公司。系统基本组成和 工作原理与博世公司产品相近。 日本电装公司从1 9 8 5 年开始研制e c d u 2 高压共轨喷油系统，1 9 9 9 年已达到年 产3 0 万台的水平，采用直列柱塞泵产生高压燃油，最高喷射压力为1 3 5 啪p a ，能够满 足同本9 8 排放法规，主要用于卡车柴油机；2 0 0 3 年投产第二代共轨喷油系统e c d u 2 p ，采用径向柱塞供油泵，最高喷射压力达1 8 0 h 但a ，能够满足欧法规，面向轿车 柴油机。其用户有目野、三菱、日产和五十铃等公司。图1 _ 2 为e c d u 2 系统示意图 【1 1 1 i ：1 2 】1 1 3 1 内蒙古科技火学硕士学位论文 图1 2 为e c m 您系统示意图 高压油泵为两缸轴向柱塞泵，通过压力控制阀( p c 调节高压油泵的泄油量来控制 共轨油道中的燃油压力，为单阀控制方式，高压油泄漏少，具有更高的油泵机械效率。 高压油泵的供油定时与燃油喷射同步，保证了共轨油压的稳定。燃油压力由共轨油道上 的传感器监测，通过燃油压力反馈控制使实际燃油压力按发动机转速和负荷要求的压力 值得到控制。系统喷射过程控制通过二位三通高速开关电磁阀f n v ) 对喷油器液鹾活塞 上油腔压力的控制来实现。来自共轨油道的燃油输送到喷油器喷嘴和液压活塞上油腔两 处，t w v 通电开启时，上油腔中的高压油泄出，由于喷嘴侧高压油的作用，喷嘴针阀 抬起，开始喷油；t w v 闭合时，高压油再次作用在液压活塞上方，关闭喷嘴针阀。喷 油定时由三通阀的通电时刻决定，喷油量由喷油压力和三通阀的通电持续时间共同确 定。在孙v 和液压活塞腔之间装有单向节流孔，用于限制活塞腔油压释放时的燃油流 动，抑制针阀抬起速率，从而形成合理的喷油速率。在一个工作循环内，可多次控制 t v 的开关，实现预喷射和分段喷射。后期出于泄漏量的考虑，喷油器采用了二通电 磁阀，与早期三通阀喷油器的主要区别在于电磁阀不再与高压进油油路相连【1 4 l 【”j i 1 6 1 。 德尔福最具代表性的就是先进的m 眦e c d c r 柴油共轨喷射系统。m u l t e c d c r 柴油 共轨喷射系统的主要部件有共用高压油轨、高压燃油调压器、高压燃油泵、燃油喷油 器、电控单元、燃油滤清器和传感器等，图1 3 为m l l l t e c d ( m 系统示意图。 内蒙古科技人学硕士学位论文 跟其他的尖端高压喷射系统一样，m u l t e c d c r 柴油共轨喷射系统的喷射压力与发动 机转速和负荷无关，即使在低速运行时，系统仍可保持足够压力的高压燃油喷射。可实现 多次喷射，能满足欧i 排放法规要求。相比之下，其喷油器的设计更加独特。 m u 】伯田d c r 主要采用了带有平衡控制和反馈控制策略的电控电磁阀结构的电液式喷 油器，它能提供极快的动作响应并精确地进行燃油流量的计量。这种响应迅速、结构紧 凑、小巧玲珑的电磁阀控制的喷油器只需常规1 2 v 汽车蓄电池驱动就能正常工作，比世 界上现有的任何一种柴油机共轨喷射系统都节能，这大大降低了汽车电子系统设计的系 统生产成本和复杂程度。整个系统采用积木式设计，便于应用于不同形式和不同种类的 发动机。德尔福公司专门为共轨喷射系统开发了一套以加速度信号处理为基础的喷油控 制策略，使m u l t e c d c r 高压共轨系统具有较低的燃烧噪声和排放。 近年来德尔福公司确定了三个研发领域i 喷油器和喷油嘴设计参数的最佳化系统液 力稳定性和多次喷射控制策略的最佳化，改善发动机参数的协调性，以满足未来排放法规 的要求和降低噪声。德尔福将进一步改进其柴油喷射系统，以满足下一轮全球排放法规 【17 j i i8 1 图1 3 为m 劬嘲h c r 系统示意图 高压共轨系统在大批量应用的同时，还在向更高的水平发展，例如进一步降低高压 泵的功耗、提高高压泵的升压能力，采用压电晶体式的喷油器电磁阎、取代传统的线圈 电磁阀作为执行器，降低e c u 的驱动功耗、实现一个缸连续多达五次喷射以降低排放 等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 。4 本课题的任务 本课题的任务主要是基于自主研发的柴油发动机电控单元m j d e c u 1 完成控制策 略和控制软件的设计。具体分为以下几个部分： 参照m e c u 1 核心芯片m a c 7 1 11 说明手册，完成主要模块a t d ( 模数转换 模块) 、e m i o s ( 用来控制喷油器唼油) 、e d 姒及f 1 e x c a n 模块的低层驱动程序的编程。 实现对各种输入量的采集和数据优化处理。 设计了适合本课题的实时操作系统 恤r t o s ，将任务划分为角度触发事件和时间 触发事件，对各个任务的优先等级进行了合理划分，实现了有序控制发动机和管理发动 机。 在高压共轨系统控制方面，完成了主喷油量、预喷油量、喷油定时的算法，设 定了轨压控制策略。 在测试方面设计了一种实时、高效、稳定的软件测试系统，通过c a n 总线实现 下位机与上位机的连结，通过上位机调试程序的设定，对下位机( e c u ) 中的主要接口函 数的有效性进行了测试。在标定方面提供了基于c c p 协议标准的低层驱动程序。 在实验方面，构建了柴油机高压共轨实验系统，通过启动试验、加速减速试验 和匀速试验，验证了软件设计的可靠性和可行性。 坶蒙古科技_ ：凡学硕士学位论文 2 电控系统的组成及工作原理 i 毅褥卜叫电控单司l 输 信号j 。jjj 图2 17 躯共轨电控系统的基本组成 图2 1 高压共轨电控系统的基本组成 内蒙占科技人学硕十学位论文 控喷油器、共轨管、供油泵等组成。共轨系统的组成见图2 1 高压共轨电控系统的基本 组成 1 9 】刚口”。 传感器及其它输入信号包括模拟信号、脉冲信号和开关信号。模拟信号有油门传感 器、水温传感器、进气温度传感器和进气压力等信号，脉冲信号主要有曲轴位置传感器 信号和凸轮位置传感器信号，开关信号有钥匙信号，空调信号和怠速信号等其他开关信 号，传感器及其它输入信号作用是采集信号。下面是对几个主要传感器作用的介绍： 曲轴位置传感安装在飞轮上，以脉冲的形式检测发动机转速： 凸轮位置传感器安装在供油泵，用于判别汽缸； 油门位置传感器安装在加速踏板上，用于检测脚踏板开合度； 增压压力传感器安装在进气管上，为了对燃油喷射进行最优化控制，随时都在监视 着增医器提供的进气压力的变化； 水温传感器安装在气缸体左前方的上部。为了确保燃油喷射最佳化，随时都在监视 着冷却水温的变化。 电控单元( e c i j ) 其作用是接收数据并根据接收的信号，判断发动机当前所处的状态 并作相应的处理，通过驱动电路驱动执行机构实现控制目的。 e c u 根据输入数据和存储在m a p 中的数据，计算喷油时间、喷油量、喷油率和喷 油定时等，并将这些参数转换为发动机运行匹配的随时间变化的电量。由于发动机的工 作是高速变化的，而且要求计算精度好，处理速度快，因此e c u 对主处理器运算速度 和性能要求非常高。 电控喷油器是共轨系统中的主要执行机构，其工作过程如下： l 不喷油状态：电磁线圈处于不通电的状态，外阀在弹簧力和高压油压力的作用下 压向下方而关闭。控制腔内是共轨的高压燃油的压力，所以喷油嘴的针阀关闭，不喷 油。 2 喷油开始状态：电磁阀开始通电，由于电磁力的作用，外阀被向上拉起，外阀开 启，但是，这时内阀是关闭的；通过固定的截流空燃浊流出，针阀尾部的压力降低，针 阀开始上升，喷射开始。如果持续通电，则针阀上升到最大升程，达到最大喷油率的状 态。 3 喷油结束状态；通向电磁阀的电流一旦切断，在弹簧力和燃油压力的作用下，外 阀下降而关闭。这时，共轨内的高压燃油一下子就流入喷油器的控制腔内，针阀快速关 闭，喷油迅速结束。 内蒙古科技大学硕十学位论文 高压共轨系统中，通过打开、关闭电控喷油器中电磁阀直接控制喷油始点、喷油间 隔和喷油终点，从而直接控制喷油量、喷油时间和喷油率。所以喷油器的品质特性直接 影响着高压共轨控制系统的控制效果。 供油泵的主要作用是将低压燃油加压成高压燃油，存储在共轨内，等待e c u 喷射 指令。供油压力可以通过压力限制器进行限制。所以在共轨系统中可以自由的控制轨 压。 共轨组建的作用是接受从供油泵工来的高压燃油，并按照e c u 的指令向各个汽缸 分配燃油。共轨组建中还有压力限制器、流动缓冲器和压力传感器等，其中压力传感器 将共轨中的实际压力反馈给e c u 。 2 3 电控系统的控制原理及特点 对于高压共轨系统来说，控制主要有两个部分：油压控制和喷油控制。图2 2 共轨系 统的控制框图描述了高压共轨控制的基本过程，e c u 接收外部传感器采集的的信息， 根据内嵌的控制算法实现对喷油量和轨压的闭环控制。 e c 图2 2 共轨系统的控制框图 共轨系统的特点可以概括如下： 内蒙占科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 自由调节喷油压力( 共轨压力) ：利用共轨压力传感器测量共轨内的燃油压力， 从而调整供油泵的供油量、控制共轨压力。还可以根据发动机转速、喷油量的大小与设 定了的最佳值始终一致地进行反馈控制。 国自由调节喷油量：以发动机的转速既油门开度信息等为基础，由计算机计算出最佳 的喷油量，通过控制喷油器电磁阀的通电、断电时刻直接控制喷油参数。 ( 3 ) 自由调节喷油率形状：根据发动机性能和排放要求，设置并控制喷油率形状：预喷 射、主喷射、后喷射三段喷射及多段喷射。 ( 4 ) 自由调节喷油时间：根据发动机的转速和负荷等参数，计算出最佳喷油时间，并控制 电控喷油器在适当的时刻开启，在适当的时刻关闭，从而准确控制喷油时间。 内蒙古科技人学硕士学位论文 3 高压共轨系统的软件设计 柴油发动机电控单元的软件的设计包括底层驱动程序、应用层( 燃油喷射) 软件、测 试标定软件和实时操作系统软件组成本章介绍底层驱动程序及信号量的采集软件和喷 油器驱动软件的设计。 3 1 电控单元的整体结构 曲翱黔冲 凸耗妻h 取；审 太气澄盎 罚0 灌 融强翔删，3 ： h i e 6 秘瑚j 柏鼙 k 姨c 7 l l l r 1 旧嘲滩荔酶 s 砒lc 埘 藿讯 通礴 捧口i 藩c 疆竖 势8 1 | 辊弗 疆件 辨 魔睡 挣期 喷射电辙润l 喷射电磋谰2 喷尊于电袋阚3 喷舸电磴阑4 喷射电毽阑5 唏辩电糍网6 p “电磁耀l k v 窀磺耩| 2 萁鬯警f j 出控涮 图3 1 电控单元m j e c u - l 组成 本课题组整合了单片机系统和电磁阀驱动方面的研究成果，完成以f r s c a l e 公司 生产的3 2 位单片机m a c 7 l l1 为处理器的新一代电控单元m j e c u 1 ( 图3 1 ) 的电路设 计，为控制软件设计提供了硬件平台。该电控单元作为柴油机电控系统的核心部件，负 责接收和处理传感器的所有信息，按照控制软件逻辑进行运算，并驱动执行器以控制发 动机达到所需的控制目的。其主要包括输入信号处理电路，核心控制器及通讯单元，电 源单元和输出驱动电路四个部分。 输入信号处理电路用于处理传感器传送来的信号如曲轴和凸轮轴传感器的信号， 汽缸压力传感器信号、水温传感器信号等，这些信号经过整形，放大，滤波等预处理之 后，由m a c 7 1 1 1 的a 仍转换模块a t d 转换为数字信号。 内蒙占科技大学硕士学位论文 核心控制器其作用是根据当前的发动机状况，路面的情况，驾驶员的命令，按照内 嵌的控制策略，进行综合运算，获得最终的喷油量，喷油泵开启时间等，然后驱动输出 电路，进行喷油定时和喷油持续时间等的控制，以达到最佳的驾驶性能和更低的油耗。 电源单元有三部分组成：蓄电池2 4 伏电源、5 1 2 伏电源和d c 2 4 v 一1 2 0 v 升压电 路。蓄电池2 4 伏电源由两个1 2 伏电瓶串联组成，电控系统的所有电源需求都是直接或 间接由它提供，5 1 2 电源是由2 4 伏蓄电池电源通过转换电路转换而来，为e c u 板上芯 片以及传感器提供电源，d c 2 4 、l 一1 2 0 v 升压电路为喷油器快速开启提供高电压。 通讯接口有c a n 通讯接口，s p i 通讯接口和s c i 通讯接口等，在本课题中主要用 到c a n 通讯接口，通过c a n 通讯接口对电控单元进行调试和标定。 3 2m a c 7 l1 l 模块功能介绍 m a c 7 l l1 【2 2 l 【2 3 】【2 4 1 有非常丰富的模块资源，在本课题中主要用到a t d 模块，e d 氓厦a 模块、e m i o s 模块和f l e x c a n 模块下面就前三个模块进行简要地介绍， f i 粥a n 模块将在第四章中详细介绍。 模数转换模块a i d m a c 7 1 1 1 由2 个a 1 d 模块，每个模块有1 6 路模拟通道，转换精度为1 0 位，转换 时间为最小为7 微秒，每个通道都可申请d m a 服务。本课题中用a t da 模块实现对 模拟量的采集。 表3 1a 1 【d 模块的基本设置 工作模式 n o n n a l 时钟频率2 采样起始触发周期1 2 5 u s p r r 重载值 2 4 9 9 参考电压 v r h a t d 时钟信号设为2 瑚z ，转换过程中，预分频用掉2 个时钟长度，抽样时间为4 个时钟，1 0 位转换结果耗时l o 个时钟，总的a d 转换时间为1 6 个时钟周期，即8 i l s 。 在a 1 d 转换中用到两个d m a 通道，d m a1 1 通道用于a l d 命令装载，其主循环次数 为1 2 ，小循环的次数为l 。d 帕1 2 通道用于结果读取，即将a 仍转换的结果传送到 内蒙古科技大学硕士学位论文 a t d 结果缓存队列a 皿) _ r 酬l q 【a n ) l c h a nn u m 】中，a 1 d c h 鼬1 - l 】i i l 代表通道 号，其主循环的次数为1 2 ( 本课题只用了1 2 个通道) ，小循环的次数为l 。 表3 2a t d 模块主要寄存器的设置 寄存器设定值备注 电平触发，片上 触发控制寄存颛a 蚴i g c t l ) o x o b s y s n u g l 作为触发源 预分频寄存器( a ) p r e ) 将公共总线时钟频率2 0 m 0 ) 【0 a 分频为适合a t d 模块的 2 m 每个通道都是连续转换，采 命令字寄存器( a t d c w ) 随通道不同有所不同 样周期设为4 个时钟周期 为防止转换时，转换结果存储在缓存队列的顺序发生错乱，设置片上s y s h u g l ( 即 p i t 9 ) 为首次触发源，触发时钟设为1 ”微秒，之后的山d 转换由命令字寄存器触发， 命令字寄存器定义转换的通道号、转换方式，转换之后的任务。 m 模块的基本设置见表3 。1 ，a t d 模块主要寄存器的设置见表3 2 。 图3 2 、3 3 、3 4 描述了转换的过程，获取命令，a 转换，保存结果三个过程并 行执行，因此分为三个流程图进行描述。 图3 2a t d 命令处理流程图 图3 3a t d 结果处理流程图 内蒙古科技大学硕士学位论文 图3 4 a t d 命令获取流程图 增强型输入输出模块e m l 0 s m a c 7 l l1 有1 6 个e m i o s 通道，每个通道可分别配置为1 4 种- t 作模式的任何“ 种。本课题使用伽o s 模块检测和输出脉冲信号。 公共总线时钟为2 味m z ，e m i o s 模块全局预分频为1 0 ，棚o s 模块的时钟频率为 2 z ，d a o c 模式下设置通道内分频为2 ，通道o _ 3 时钟频率为1 啪，指定0 3 通道申请 d m a 服务。1 l 一1 3 通道与0 1 3 通道除工作模式不同，其他设罨相同，1 4 和1 5 通道指定为申 请中断服务。 本课题只用到e m i o s 的两种工作模式：d a o c ( d o u b l ea c t i o nm t p mc o i n p a 嘲和 i p w m ( i n l ) u t p e r i o d m e a 咖m e m ) ，e m i o s 模块通道模式及任务配置见表3 3 。 表3 3栅o s 模块通道模式及任务配置 e m i o s 通道号工作模式 任务 通道0 ( 高电压时序) 通道l ( 低电压时序) 通道0 1 d a o c 用于喷油器喷油控制 通道1 1 1 5i p w m 凸轮( c a m s t l a f d 和曲轴( c m n k ) 信号检测 d a o c ( 踟u b l ea c t i o n0 哪，u tc o n l p a i e ) 模式；在此模式下，通道内的记数寄存器a 和b 分别匹配脉宽的上升沿和下降沿，设定寄存器a 、b 的匹配值，即可按要求输出一定 脉宽的电平信号。 内蒙古科技大学硕士学位论文 i p w m ( 1 n p u tp 耐0 dm 明s 埘砌e n t ) 模式：在此模式。卜，通过通道内寄存器b 捕捉脉宽 的上升沿，寄存器a 捕捉脉宽的下降沿，通道时钟周期+ ( 寄存器a 计数寄存器b 计数) 便是实际脉宽。 d m a 控铝吐器【2 5 】【2 6 1 口7 l 【2 8 l 【2 9 】 m a c 7 1 11 有1 6 路可独立编程的d m a 通道，这些通道在很少占i | _ jc p u 资源的情 况下完成数据间的传送，数据传送可以是内存与内存闽的传送，内存与外围设备间的传 送以及外围设备之间传送。该d m a 模块有如下特点： 1 ) 双地址传输模式：从源地址读取数据，写入目的地址，源地址和目的地址可编 程设置； 2 ) 支持双嵌套传输操作：小循环和大循环： 3 ) 4 种通道激活模式。 在本课题的设计中为a m 转化模块和喷油嘴控制模块配备了d m a 通道，见表 3 4 d m a 服务配置。 表3 4 d m a 服务配置 d m a 通道号任务配置备注 d m a oe 0 so 通道 高电压喷射许可 d m a le m i o s l 通道 低电压喷射许可 d m a l la 1 d 命令装载 将a t d 转换的结果传送到 d m a l 2 a t d 结果缓存队列 3 3 传感器输入信号处理 传感器信号有模拟信号和脉冲信号，准确的采集这些信号，合理的处理对于高压共 轨系统来说至关重要。 3 3 1 模拟信号的采集 模拟信号的配置见表3 5a 巾各个通道任务配置。 内蒙古科技大学硕士学位论文 表3 5a t o 各通道任务配置 通道号任务( 命名)结果存储位置 通道4 ( a t e i - c h a n 4 ) 冷却水温( n w ) a n ) r e s u l l q 【4 】 通道5 ( a t do 锄5 ) 燃油温度f )艘r e 研l i tq 【5 】 通道7 ( a ) c h 锄7 )环境温度m )p 佃r 鼯l d i j ) 【7 】 通道9 ( a t dc h a n 9 ) 油门开度( a p ) a 1 dr c 刚l q 【9 】 通道1 0 ( a 1 dc b 粕1 0 )共轨油压研) a t dr e 刚l q 1 0 】 通道1 1 ( a ) _ c h a l l l l )大气压力口a 肿哪 a t dr e 刚l q 【1 1 】 通道1 2 ( a 1 dc h a n l 2 )蓄电池电压( a g l ) a t dr e 砌t - q 【1 2 】 高压油泵p c v l 驱 通道1 3 ( a 1 dc h 跚1 3 ) a t dr 跚mq ( 1 3 】 动电流o ，c v l f b ) 高压油泵p c v 2 驱 通道1 舭1 d - - c h a n l 4 ) u dr e s u d l q 【1 4 】 动电流 c v l f b ) 喷油嘴电流检测 通道1 5 ( a t dc h a l l l 5 )a r e s u l t q 【l5 】 ( 埘砸b ) 主要模拟信号的处理： 1 ) 冷却水温的采集与处理 冷却水温传感器采用随温度变化较大的热敏电阻，其与e c u 的连接示意图见3 2 左图。热敏电阻采集的的信号电桥电路、放大电路、滤波电路之后，转换成o 一5 v 的 信号传输个e c u ，经过量化处理转变成数字信号，将热敏阻值随温度变化的数据库进 行最优线性化分成5 点4 线处理。在本课题中根据这些量的转换关系，直接将e c u 的 到的电压信号与水温之间的关系优化，其优化分段见图3 5 右图。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 0 0 4 08 01 2 0 水温( ) 图3 5 冷却水温传感器连接示意与数据处理隔 2 ) 燃油温度的采集与处理 燃油温度冷却水温传感器也采用随温度变化较大的热敏电阻，其工作机理与冷却水 温信号的处理相同，连接示意图及分段数据见图3 6 。 - 4 0 吨0o 2 0 4 0 6 08 0 1 0 01 2 0 燃油瓶度( ) 图3 6 燃油温度传感器连接示意与数据处理图 3 ) 大气温度的采集与处理 输出电压一v_) 6 5 4 3 2 l 0 犄嘲电压一v_) 内蒙古科技大学硕士学位论文 大气温度传感器也采用随温度变化较大的热敏电阻，其工作机理与冷却水温信号的 处理相同，连接示意图及分段数据见图3 7 ， o 日0 8 0 大气箍壤( ) 图3 7 燃油温度传感器连接示意与数据处理图 4 ) 油门踏板位置传感器信号采集与处理 油门信号的开度与采集的电压成线性化变化，其变化公式如下： a o c p = 2 0 4 ，8 + v a o c p 2 0 4 5 ) 大气压力传感器信号采集与处理 大气压力信号与采集的电压成线性变化。其变化关系如下： b 融= 1 1 6 3 + v b 融一2 3 6 ) 蓄电池f 乜压信号检测 该信号用于检测蓄电池电平电压的高低 其变化关系如下： a g l = 5 8 + v a g i 3 3 - 2 脉冲信号的采集 在电控系统中，脉冲信号主要有曲轴位置脉冲信号和凸轮位置脉冲信号。图3 8 和图3 9 为本课题所用的曲轴和凸轮的相位图。 1 ) 曲轴信号的检测 内蒙古科技大学硕十学位论文 ，1 2 i 珈。一l 丑| _ _ 1 2 n _ 埘一1 趟 ? s 一一警 糟j 毪-rj i _ 一强：一 图3 8 曲轴信号与凸轮信号示意图 i l 坤 图3 9 曲轴位置传感器的安装位置示意图 曲轴转角传感器安装在飞轮上，在飞轮上每7 5 度设置一个信息孔，在某个位置缺 少3 孔。也就是说在飞轮圆周上共有4 5 个孔。发动机没旋转2 转将会产生9 0 个脉冲信 号。曲轴传感器接收到信息后，传感器线圈的磁力线发生变化，在线圈内产生电压信号 可以检测出发动机转速和7 5 度的曲轴转角间隔。 内蒙古科技大学硕士学位论文 曲轴信号的检测是电控系统中非常重要的也是比较有难度的。本课题采用磁电式传 感器来检测曲轴信号，对于4 8 3 的曲轴如图3 8 所示，若发动机的转速为3 6 0 呻珊时， 每秒钟转速即6 0 转，转一圈需要检测的信号为国+ 4 5 = 2 7 0 0 个脉冲信号，即一秒钟需检 测2 7 0 0 个脉冲信号，需要极高的检测精度。 本课题采用e m 【o s 模块的1 3 通道对曲轴信号检测，1 3 通道被设为m w m 模式， e m l o s l 3 b u f 【删【l 】记录采样到的当前脉冲下降沿的计数，e m 【o s l 3 _ b u f 【c 】【o 】记 录当前脉冲上升沿的计数，e m 【0 s 1 3 p u f 【删 1 】一棚s 1 3 蝉j f 【c u 州【0 】为当前脉 宽，周期= e m l o s l 3 b u f 缸l 珊【0 】- e h 殂o s l 邶u f 【l a 媚嘲；e m l 0 s 1 3 脚【l a 鞋】f l 】r e m l o s l 3b u f 【l a s l 】【o 】为上次脉宽，当当前脉宽，上次脉宽) 2 时，设置 c 姗km i 豁i n g t e 甜lf l a g = 1 ，即检测缺齿信号。 2 ) 凸轮信号检测 和曲轴转位置感器相似，凸轮位置传感器( 汽缸判别传感器) 也是利用线圈的磁力 线变化产生电压信号的特性制成，在供油泵凸轮轴中间设置了一个圆盘状的齿轮，且每 隔1 2 0 度缺一个齿，但在某一处多了一个齿，因此，发动机每转2 转则发出7 个脉冲信 号。 本课题用e m i o s 模块的1 5 通道来采集凸轮信号，采用中断方式来实现， e m i o s l 5 _ b u f 【c u 玎】【o 】纪录产生中断脉宽上升沿时的计数，e m i o s l 5 b u f 【c m 【1 】纪录 产生中断脉宽下降沿时的计数，当前脉宽即为e m 【o s l 5b u f 【删【1 1 e o s l 5 _ b u f 【删【o 】，检测到的脉宽即为t 1 = e o s l 5 _ b u f 【c l 盯】【o 】- e m i o s l 5 _ b u f 【删【1 】，e m i o s l 5 b u f 口a 刚【l 】记录上次脉冲信号的下降沿计数，两个 脉冲信号之间的间隔为t 2 鼋m i o s l 5 j 丸f 【c 砒】 o 】- e m l 0 s 1 5 _ b u f 【l a 刚【1 】， 当 t 2 厂r 1 4 ，则检测到当前汽缸为第一缸。 3 3 3 开关信号的采集 在电控系统中开关信号主要有钥匙信号、空调信号等。 m a c 7 1 1l 有8 个独立的1 6 位端口，每一个端口都具有如下的特点： 一可设定为外围模式或g p i o 模式； 一可设定为输入或输出端口。 课题中配置p a r t a l 3 为钥匙信号输入端口，p 触盯a 1 4 为空调信号输入端口。使 用函数g p i op j ni n p l n ( i ) 8p o n ，u 8p 蛐来读取端口信号。 开关量直接连到e c u 上，且e c u 每隔1 0 毫秒读开关量一次，为避因各种噪声而 引起出错，只有当本次读到的数据和上次读到的一样，这个数据才被送到内存。 内蒙占科技人学硕士学位论文 3 4 喷油器喷油驱动软件的实现 喷油器电磁阀驱动软件的任务是根据整机管理模块提供的喷油定时和喷油脉宽，结 合曲轴和凸轮轴的信号相位，输出精确的喷油控制脉冲至电磁f 困高位m o s 阿r 管，选 缸脉冲至低位m o s h 汀管，使喷油器正常工作。高位管的双电压分时驱动和p w