（载运工具运用工程专业论文）新型柴油机柔性控制系统研究.pdf

摘要 本文介绍了新型柴油机柔性控制系统的研究与开发情况。通过对电控系统的 硬件与软件的设汁以及对柴油发动机的匹配标定台架实验来研究柴油机电控系统 控制的策略和最佳的控制数据。 在分析传统柴油机的一些特性和借鉴国内外电控柴油机部分成果的基础上， 运用美国m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c l l e 9 微控制器设计开发了功能比较完善的车用柴 油机管理系统电控单元硬件，通过比较选定了电控系统中的传感器与执行器，并 针对柴油机电控系统的特点对电控系统进行了硬件与软件的电磁抗干扰性的设 计，使得电控系统有了较强的抗干扰的能力，为电控系统的实用化做好了技术准 备；开发了功能比较完善的车用柴油机管理系统软件。运用实时结构分析的方法 设计了系统的结构，从而使得每个任务当同时开始运行时都能够满足时间正确性， 并最终保证了发动机管理系统实时任务调度的正确性。并设计了起动控制、怠速 控制、调速控制、超速控制、过渡控制和故障诊断等功能模块。 对柴油机进行了性能匹配标定工作。通过对标定数据和参数的反复调整，最 终确定了控制数据。为电控系统的最后的台架实验奠定了基础。 柴油机电控系统最后在4 1 0 0 q b z 型柴油机上进行了电控系统的台架实验。对 部分控制软件和硬件进行了更改调整。最终的实验结果表明，该控制系统能够实 现对柴油机的起动控制、怠速控制、调速控制、过渡控制和故障诊断等控制功能。 电控系统工作可靠，实现了预期的控制功能，改善了柴油机的性能。 关键词：柴油机；柴油机电控系统；电控单元：匹配标定 a b s t r a c t t h e p a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o r d i e s e le n g i n e b a s e do nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m a n dt h ec a l i b r a t i o na n dd e m a r c a t i o nf o rt h ed i e s e le n g i n e ，t h ec o n t r o lt a c t i ca n dt h e b e s tc o n t r o ld a t aa r es t u d i e df o rd i e s e le n g i n e o nt h eb a s eo fa n a l y z i n gs o m ec h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e le n g i n ea n da b s o r b i n g s o m e e x p e r i e n c eo fd i e s e le n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mi nt h ew o r l d ，t h eh a r d w a r e o fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) f o rd i e s e le n g i n ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e db a s e do n m o t o r o l a sm 6 8 h c l l e 9 m i c r oc o n t r o l l e ru n i t t h es e n s o r sa n dp e r f o r m e ra r e s e l e c t e d t h ee l e c t r o m a g n e t i ca n t i i n t e r f e r e n c eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e s i g n e d a g a i n s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i e s e le n g i n ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e na s ar e s u l t ，t h e c o n t r o ls y s t e mp o s s e s s e st h ea b i l i t yo ft h ea n t i - i n t e r f e r e n c es t r o n g l y , p r e p a r i n gt h e e l e c t r o n i cs y s t e mp r a c t i c a lu t i l i t y t h ep r o b l e mo fe l e c t r o m a g n e t i ca n t i i n t e r f e r e n c ei s s o l v e d d u r i n gt h ep r o c e s so fs o f t w a r es y s t e m ，t h ed e s i g nm e t h o d sf o rr e a l t i m ea n d c o n c u r r e n ts y s t e ma r eu s e d w h e nt h ee v e r yt a s ki sr u n n i n g ，t h er e a lt i m ec a nb e m e t e da n dt h er e a lt i m et a s kd i s p a t c hc o r r e c t n e s so ft h ed i e s e le n g i n em a n a g es y s t e m i se n s u r e df i n a l l y t h ec o n t r o lm o d u l e si n c l u d es t a r tc o n t r o l ，i d l ec o n t r o l ，t r a n s i t i o n a l c o n t r o la n dd i a g n o s t i c sa n ds oo n e x p e r i m e n t s o fc a l i b r a t i o na n dd e m a r c a t i o nf o rd i e s e le n g i n eh a v ed o n e b y a d j u s t i n gt h ed e m a r c a t i o nd a t aa n dp a r a m e t e ra g a i na n da g a i n ，t h ec o n t r o l l i n gd a t aa r e a s c e r t a i n e da tl a s t ，e s t a b l i s h i n gt h eb a s ef o rt h ef i n a lb e n c ht e s to fe l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m a 】o io fe n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o lt e s t sa r ep r o c e e d e d4 1 0 0 q b z d i e s e le n g i n e a l l t h et e s t ss h o wt h a tt h ee l e c t r o n i cs y s t e mf o rd i e s e le n g i n ec a nb r i n ga b o u tt h ec o n t r o l f u n c t i o ns u c ha ss t a r tc o n t r o l ，i d l ec o n t r o l ，t r a n s i t i o n a lc o n t r o la n dd i a g n o s t i c sa n d s o f o r t h ，t h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mc a nw o r kr e l i a b l y , t h ed e s i g n e dc o n t r o lf u n c t i o n s a r ea c h i e v e d ，a n dt h ed i e s e lp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o r d i e s e l e n g i n e ；e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ；c a l i b r a t i o na n d d e m a r c a t i o n l i 昆明理工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，本论文不舍 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：淞喜 日期：2 0 0 4 年3 月1 6日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、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，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：拟越论文作者签名：丛遨 第一章绪论 第章绪论 1 1 引言 柴油机以其良好的动力性和经济性而被越来越广泛地运用于国民经济和国防 建设的各个部门。特别在2 0 世纪9 0 年代柴油枕得到了前所未有的发展。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。柴油机占据了几乎所有大功率车辆的全部市场， 同时在中小功率车辆上的使用率也在逐步扩大。这种趋势在我国也是比较明显的。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着世界石油资源大量被消耗及石油储量的逐渐枯竭， 车辆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以及排放 法规的日趋严格，对柴油机的排放的要求也日益苛刻。要实现上述对车辆的要求， 传统的机械式动力控制系统是无能为力的，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，控制能力有限。 顺应时代的要求，随着电子技术与信息、控制技术的飞速发展，电控柴油机 技术成为解决这一系列问题的有力工具。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有甄来的8 位机，发展到今天的1 6 位及3 2 位微处理器，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 ，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 昆明理工大学硕士学位论文 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。 自2 0 世纪9 0 年代以来，汽车的电子控制已经由各功能模快控制、总成部件 控制发展到整车的控制层次。整车控制指的是汽车为了获得最佳的使用性能，包 括汽车的动力性、经济性、舒适性、行驶平顺性等，而对汽车上的各个总成部分 进行总体协调控制，具体控制算法由整车控制器进行协调：总成部件控制指的是 为了达到汽车的经济性、动力性、排放特性的发动机控制，或者为了达到良好制 动性能的a b s 控制、实现驾驶性能的自动变速箱控制，以及实现乘坐舒适性的自 动座椅控制等，分别属于发动机、底盘及车身分系统部分，这部分控制由各自的 总成控制器进行；功能模快控制指的是为完成各总成部分功能而进行的更进一步 划分的功能模块的系统，例如发动机的喷油控制、可变喷嘴截面涡轮增压器的控 制以及e g r ( 废气再循环) 控制等，这部分可以由部件控制器进行独立控制，也 可以把各部分功能合并在一起由同一个控制器进行控制。系统与系统之间用通讯 总线连接，以达到相互进行相关数据交换的目的。发动机的电控作为整车电控系 统中的一个重要组成部分，其更高水平的电控化已是大势所趋。 1 2 柴油机电控技术的发展概况 在满足日益苛刻的排放法规、进一步提高燃油经济性、提高安全驾驶性能以 及传统的机械式控制系统已经不能够满足要求的背景下，从2 0 世纪8 0 年代以来， 电控柴油机技术获得了迅速的发展。运用这些技术实现对内燃机的燃油喷油量、 喷油定时、喷油压力、喷油率的控制。并最终实现对发动机的工作状态( 起动状 态、怠速状态、调速状态、超速状态、过渡状态及停机状态) 的控制、车辆运行 过程的柔性控制、自动巡航控制，以及改善柴油机燃油经济性和排放性能、提高 发动机的自诊断能力等。 1 2 1 国外电控柴油机技术的发展概况 柴油机的电子控制技术研究从整体来看可分成三个阶段，七十年代为开发阶 段，八十年代为实用化发展阶段，九十年代则进入成熟发展时期。柴油机电子控 制技术涉及控制、机械、电子、计算机多方面的技术，是一个系统工程问题，其 核心技术，是电子和计算机控制技术。柴油机电控技术的发展首要推动力是世界 各国日益严格的排放法规及始终存在着的降低柴油机油耗的要求。进入九十年代， 以加工技术与新材料技术为先导，信息技术、控制技术、微电子技术不断发展与 2 第一章绪论 融合，使得电控喷油系统的发展更快、更完善，且使用范围进一步扩大。 研究开发的柴油机电控喷射系统根据其直接控制的量可以大致分为位置式电 控燃油喷射系统、时间控制式电控燃油喷射系统和压力时间电控燃油喷射系统( 共 轨式电控燃油喷射系统) 。首先发展的是位置式电控燃油喷射系统，接下来发展的 是时间控制式电控燃油喷射系统，最新发展起来的是压力时间电控燃油喷射系统。 1 2 1 1 位置式电控燃油喷射系统 位置式控制系统特点是保留了传统的泵一管一嘴系统和原喷油泵中的齿条、滑 套、柱塞上的控制斜槽等控制油量的机构，只是对齿条和滑套的运动位置由原来 的机械调速器控制改为由电子执行机构和微处理器咀及传感器组成的控制系统控 制。一般采用比例电磁铁控制喷油量，采用电磁阀控制一个带有活塞的液压提前 器或用电磁力改变凸轮的相位来控制喷油定时。很显然，这种系统比较复杂，且 要同时控制两个闭环回路才能达到全电控的目的。但是，位置控制式的柴油机电 控喷油系统在现有柴油机上实施方便，且作为执行器的比例电磁铁、电磁阀、旋 转电磁铁技术容易过关，与机械式喷油系统相比，其控制精度、控制范围和响应 速度都有较大的提高。可以较大的改善柴油机的经济性和降低有害排放。因此， 位置控制式的柴油机电控喷油系统是目前国外商品化程度最高的柴油机电控喷油 系统产品。 日本d e n s o 公司的e c d v 1 和e c d p 3 系统，德国b o s c h 公司的e d c 和日 本z e x e l 公司的c o v e c 等都属于位置控制的电控分配泵系统。日本z e x e l 公司的 c o p e c ，德国b o s c h 公司的e d r 系统和美国c a t e r p i l l a r 公司的p e e c 系统等都属 于位置控制的电控直列泵系统。 1 2 1 2 时间控制式电控燃油喷射系统 时间控制式电控喷油系统是保留了原来的喷油泵一高压油管一喷油嘴系统，用 高速强力电磁阀直接控制高压燃油的喷射。一般情况下电磁阀关闭旁通油路，开 始喷油，电磁阁打开，喷油结束。喷油始点取决于电磁阀关闭时刻，喷油量取决 于电磁阀关闭的持续时间。传统喷油泵中的齿条齿豳、滑套、柱塞上腔螺旋槽控 制喷油正时的提前机构等全部取消。相比位置控制式的柴油机电控喷油系统，时 间控制式系统实现了喷油过程的直接数字控制，控制精度、控制自由度和控制响 应性能大大提高。控制时间控制式系统从形式大致有三类，一类为泵喷嘴系统， 泵与喷油嘴一体化。通过电磁溢流阀或高速开关阀控制喷油量和喷油定时，系统 结构简单，但它使原发动机喷油系统结构上变动较大，需要上置凸轮轴驱动。另 昆明理工大学硕士学位论文 一类为单体泵系统，对原柴油机结构改动较小。还有一类即泵一管一阀一嘴式系 统。 日本z e x e l 公司的m o d e l 1 电控分配泵，美国d e t r o i t 公司的d d e c 电控泵喷 嘴、德国b o s c h 公司的v p 4 4 型内凸轮电控分配泵、p d e 2 7 2 8 电控泵喷嘴系统和 e u p i 3 电控单体泵系统等都属于时间控制系统。我国欧阳明高和丹麦s o r e n s o n 研 制的“泵一管一阀一嘴( p u m p p i p e v a l v e i n j e c t o r - - p p v i ) ”电控燃油喷射系统也 属于第二代电控喷射系统。 1 2 1 3 电控高压共轨燃油喷射系统 电控高压共轨燃油喷射系统代表了目前柴油机燃油喷射的最先进技术，被世 界内燃机行业公认为2 0 世纪三大突破之一，被认为是最有发展前途的柴油机燃油 喷射系统，将成为2 1 世纪柴油机燃油系统的主流。它不再采用传统的同步柱塞泵 脉动供油原理，而是通过采用专门的供油泵在轨道中形成高压，实现喷油压力可 与柴油机转速和负荷无关地独立控制，即在低速小负荷仍能具有足够的喷油压力。 采用压力一时间式燃油计量原理，用高速开关电磁阀控制喷油过程，达到喷油量、 提前角和速率的任意控制，如实现预喷射、后喷射等，这些特点对改善柴油机性 能有很大好处。电控高压共轨系统主要特点归纳如下：可实现高压喷射，喷油压 力比一般直列泵系统高出一倍，最高已超过2 0 0 m p a ；喷油压力独立于发动机转 速，可以改善发动机低速、低负荷性能；可以实现预喷射、后喷射，调节喷油率 现状，实现理想喷油规律；喷油定时和喷油量可自由控制；具有良好的喷油特性， 优化燃烧过程，使发动机燃油耗、烟度、噪声和排放等性能指标得到明显改善， 并有利于改进发动机转矩特性；结构简单，可靠性好、适用性强，可以在新老发 动机上应用。 电控高压共轨燃油喷射系统代表性的产品有日本电装公司的e c u u 2 和 e c d u 2 p 系统、德国b o s c h 公司的u n u e t 系统和美国c a t e r p i l l a r 公司的h e u i 系统。另外，德国m t u 公司和美国底特律柴油机公司、美国d e l p h i d i e s e ls y s t e m 公司( 原英国l u c a s 公司) 、美国s t a n a d y n e 公司及德国s i e m e n s 公司等也都积极 开发电控高压共轨燃油喷射系统，并已有产品开始投放市场。 1 2 2 国内电控柴油机技术的发展概况 国内最早从事柴油机电控技术研究的单位是上海内燃机研究所，该所于1 9 8 5 年承担了机械工业部的“电子控制中、小功率柴油机的研究”课题，并研制成功 了6 1 2 0 a 型柴油机电子喷油定时系统。以后，上海交通大学研究出机电式供油提 4 第章绪论 前器，大连理工大学研制出电液式供油提前器，吉林工业大学研制了双控制阀式 车用高速柴油机电控喷油系统，北京理工大学研制出高增压柴油机电式供油提前 器。“九五”期间，国家将汽车电子技术作为攻关项目，投入相当的资金，促进企 业的自主开发能力的提高，掌握电控技术的关键技术。其中柴油机电子控制技术 部分主要由第一汽车集团公司长春汽车研究所、天津大学内燃机燃烧学国家重点 实验室及清华大学等单位承担。长春汽车研究所与吉林工业大学及北京天纬油泵 油嘴股份公司合作，针对6 1 1 0 直喷式柴油机进行可变预行程电控喷油系统的研 究。天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室与重型汽车集团、山东龙口油泵股份 公司合作，进行共轨蓄压式电控喷油系统的研究。清华大学汽车安全与节能国家 重点实验室与广西玉柴机器股份公司技术中心、东风汽车工程研究院等单位合作， 进行了车用柴油发动机电子控制系统关键技术及其应用的研究。关键技术包括高 速电磁控制阀技术、喷射控制模块技术、匹配标定技术、仿真控制开发系统技术、 安全保障技术、整机管理系统与智能控制软件技术、排放综合管理系统技术。其 中开发的电控泵一管一阀一嘴( p p v i ) 燃油喷射系统是一种时间控制式电控燃油 喷射系统，该系统取消了齿条和柱塞斜槽等机构。电控泵一管一阀一嘴燃油喷射 系统包括电子控制系统和机械液力系统两大部分，这两部分之间以电磁控制旁通 溢流阀接口，电磁阀的关闭时刻及关闭的持续时间决定喷油定时及喷油脉宽。它取 代了传统的喷油泵中复杂的机械式控制执行机构，实现对喷射过程的直接数字控 制。 1 3 课题背景与内容 1 3 1 课题背景 国外的柴油机电控技术已经到发展了实用化阶段，第二代时间式控制系统、 第三代高压共轨系统均有成熟的产品推向市场，而我国的技术水平仍处于实验室 研究阶段，至今没有成熟的产品推向市场。另外，由于受到国内的材料技术、机 加工技术、燃油品质、人才条件等因素的综合影响，先尽的电控柴油产品的市场 化进程较慢。我们应该从本国的国情出发，开发适合我国使用条件的柴油机电控 技术。由于位置式电控系统相对于第二代、第三代电控系统具有生产周期短、成 本低、技术难度低、对发动机改造少且技术上成熟的特点，更适合在短时间内推 向市场。本课题以此为宗旨，以云内的4 1 0 0 q b z 增压柴油机为研究机型进行“柴 油机的电子调速器”的开发研究工作。 柴油机柔性控制系统以电子油门与油量控制为基础，以发动机实时计算机管 5 昆明理工大学颤l 学位论文 理为核心，以多重工况模式选择人机交互界面为基本手段，采用此项技术，可以 提高冷起动性能和降低热起动时的排放；在怠速方面，应用p i d 控制算法对油量 进行控制可以达到更低的怠速转速。 1 3 2 课题内容 本课题对云内4 1 0 0 q b z 增压柴油机开展了柔性控制系统的研发工作。本论 文的主要内容有： 1 柴油机柔性控制系统总体性能和参数设计； 2 柴油机柔性控制系统电控单元硬件开发，电控单元电磁兼容性的研究； 3 柴油机柔性控制系统电控单元软件开发；嵌入式系统实时控制的研究： 4 柴油机柔性控制系统的匹配标定实验研究。 1 4 本章小结 本章针对汽车电控系统尤其是柴油机电控系统的特点及国内外技术发展概况 进行了系统介绍，并对本课题的意义、内容进行了阐述。 第二章柴油机电控系统的硬件设汁 第二章柴油机电控系统的硬件设计 2 1 电控系统的硬件组成 2 1 1 柴油机电控系统总的组成 柴油机电控系统主要由e c u 、仪表及控制台、电动执行器、2 4 v 蓄电泡、及 带直列油泵的发动机。转速传感器、冷却液温度传感器、增压压力传感器、空气 温度传感器安装在发动机本体上。位置反馈信号传感器与s y n c h r o s t a r t 线性 电磁铁做成一体。各部件之间通过线束联接，进行信息与电能的交换。具体内容 如图2 1 电控系统硬件框图所示。 图2 1 电控系统硬件框图 2 1 2 柴油机电控管理系统的组成 柴油机电控系统主要由中央控制单元、信号采集部分、执行机构三个部分组 成。 中央控制单元：该部分是柴油机管理系统的神经中枢，负责整个系统的协调 工作。中央控制单元由单片机、输入信号调理电路、驱动电路、电源电路、复位 电路、扩展电路、保护电路、通讯电路等组成。中央控制单元采集传感器信号及 其他的输入控制信号，由电控单元中的软件计算出输出油量，电控单元将此量处 理后驱动执行器动作，同时将有关信息输出给输出部分( 比如s c i ) ，供操作人员了 解整个系统的工作情况。电控单元是实现控制的核心部件，它的输入是发动机运 行状态参数和给定值，这些信号经过输入调理后由单片机采集。单片机根据采集 到的信号，控制程序进入不同的运算模块，通过模型计算或者查表等运算过程， 7 昆明理工大学硕士学位论文 最后得到能够直接驱动执行器件的脉宽调制( p w m ) 控制信号，这就是电控单元 的输出。电控系统结构图如图2 2 所示。 信号采集部分：该部分用于采集柴油机工作时的数据。通过传感器采集的信 号主要有柴油机转速、油门踏板位置、齿条位置、机油温度、进气温度、冷却水 温度、进气压力等。其他的控制信号有起动信号等。 执行机构：系统采用线性电磁铁作为执行器，它由p w m 驱动。线性电磁铁 通过驱动油泵上的油门拉杆来控制齿条位置或直接驱动齿条。 躅2 2 电控系统结构图 2 2 电控系统中c p u 的选型及应用 电控管理系统的开发是以对单片机的开发而开展起来的，因此选用什么样的 单片机芯片是非常重要的。在单片机选型的时候，要充分考虑单片机的性能。主 要从以下几个方面来进行考虑：( 1 ) 控制对象和目标：( 2 ) 工作条件：( 3 ) 控制精度： ( 4 ) 环境温度：( 5 ) 价格：( 6 ) 兼容性和可靠性。由于柴油机电控系统是一个结构复 杂、管理任务繁重的实时控制系统，这要求芯片具有强大的功能。而且柴油机工 作条件和工作环境比较复杂，它要求单片机具有较高的可靠性、较强的抗干扰能 力和较高的控制精度。同时，还应考虑芯片的兼容性和市场来源，只有兼容性好、 市场来源充足的芯片才有利于今后管理系统更进一步的开发和推广应用。在选择 单片机的时候不能片面追求运算速度、系统资源等指标，应根据实际情况，选择 最适合的。鉴于国内在发动机控制方面所面临的实际情况，借鉴国外的经验，综 合本套电控系统对单片机的要求，选用m o t o r o l a 公司的6 8 h c l l 系列微处理器中 第二：嚣紫油机e 毡控幕娆的理特蹬汁 的e 9 单片机。m 6 8 h c l l e 9 芯片主骚由c p u 、片内存储嚣、态时器系统、串行口、 划d 、并行i o 日、中断和复位系统簿组成。主疑特点如下。 c p u 袋霜双豢凝嚣结梅，瑟霄礴令8 位累熬嚣，荠可连载一个l s 位鹣鬃魏嚣、 两个1 6 位变址寄存器、一个8 位条件码寄襻器、一个1 6 位堆栈指针和程序 诗数嚣。 芍蛙方式澎较事塞，有壹羧、立鼯、扩震、弱接、变妻至、穗对等各耱薅蛙方 式，其中扩展、变址等可通用于访问全部地址空间( 可达6 4 k ) ，方便编程。 指令系统除了有各种算术和逻辑运算功能外，还具有位处理能力，并有丰富 的条件转移指令，特别适于控制应用。 内部结构以存贮器映射i o 原理为基础，即内部所有r o m 、r a m 、寄存器以 及其他功能硬件都是具有一个唯一的地址，对所有地址的操作与对存贮单元 的操作一样。存贮器包括1 2 k 字节r o m ，5 1 2 字节e e p r o m ( 带有保密位) ， 5 1 2 字节r a m ( 可重定位于任何4 k 存储区中) 。6 4 字节寄存器区，也可重 定位于任何4 k 存储区中。 高性能的1 6 位定时器系统。定时器主要具有三大功能：输入捕捉、输出比较 和溢出中断。 8 位脉冲累加电路，可用于记数外部脉冲，测量脉冲宽度等。 全双工同步串行外围接口( s p i ) ，可用于扩展各种串行外围接口芯片，也可 用于多机通讯。对于总线不能在外部加以扩展的芯片，可以通过s p i 来扩展 这些m c u 的i o 功能或r a m 、e e p r o m 等，s p i 是m o t o r o l a 单片机独有的 一种i 0 功能。 自带串行通信接口( s c i ) ，可完成串行异步通信。它本身带有可程控的波特 率发生器，字符长度可置为8 位或9 位，有多种检错的功能。 具有8 位分辨率的a d 转换器，带有采样保持功能。有8 个输入通道和4 个 转换结果寄存器，具有一次完成4 路a d 转换或连续对同一路采样转换4 次 的功能。 具有1 6 个硬件中断和两个软件中断，它们有独立的中断向量和中断允许位。 还具有实时中断电路，可每隔指定的时间产生一次中断。 可以由外部控制以单片或扩展方式进行工作。在扩展方式下，具有8 位数据 总线和1 6 位地址总线，其中低8 位地址与数据总线分时输出，并有地址选通 a s 和读写控制r w 信号线，可扩展至6 4 k 存储器。 昆明理工大学硕十学位论文 单片机在正常工作的情况下，完成对发动机的控制。主要完成油量控制及发 动机大部分的管理功能。单片机完成的功能有对传感器信号的采集包括：发动机 的转速、油门踏板位置、冷却液温度、大气温度、增压压力、蓄电池电压信号以 及电动执行器位置反馈信号；接受来自仪表板的控制开关指令，包括发动机的工 作模式指令，巡航控制的功能指令( 加、减速及速度恢复指令) 。通过采集这些 信号，电控单元控制发动机工作在不同的状态。可以在城市模式、动力模式、巡 航模式三种工作模式下，根据当时的道路条件及车况条件选择其中一种合适的工 作模式，在起动、怠速、调速、停机状态下按照一定逻辑顺序，来回切换，完成 对发动机的油量供给控制。并能完成上电后电控单元的自检，电控单元可以在工 作过程中进行错误检测，并在出现故障时及时报警以及在出现严重故障对电控系 统进行保护控制等。 2 3 电控系统中传感器、执行器的选型与确定 2 3 1 传感器选型与确定 2 3 1 1 转速传感器 发动机宅控系统中常用的转速 传感器有霍尔式转速传感器和磁电 式转速传感器。磁电式转速传感器 利用电磁感应原理，将物体转动速 度转换成感应电势来测量速度的。 磁电式转速传感器产生的是正弦信 号，这种传感器随着转速的变化， 输出信号的幅值是变化的，其频率 响应不高，当达到较高速度时，传 感器的频率响应不敏感，容易产生 错误信号，特别是幅值输出较小时，图2 3 霍尔传感器安装简图 输出端 v 其抗电磁干扰能力较差。而霍尔式转速传感器相对于磁电式转速传感器具有安装 简单、低速稳定性好的优点，但是价格相对较贵、线路联接比较复杂。最终选用 霍尔式转速传感器。霍尔式传感器产生的是方波脉冲信号，其信号幅值不随转速 的高低而变化。而且信号抗干扰能力较强。 霍尔式转速传感器利用磁钢偏置的霍尔集成电路来准确地传感类铁金属的运 动。传感器可在4 5 至2 4 v d c 电流电压条件下工作，输出为集电极开路输出。 1 0 第二帚柴油机屯控系统的硬件设计 该传感器还带有标准的反向电压保护功能，如电源被无意反接，传感器不会被损 坏，内置浪涌电压保护在+ 6 0 v 到一4 0 v 的范围内。其安装简图如图2 3 。 其主要特点： 感应类铁金属目标物 数字集电极开路输出 比磁电式传感器有更好的信噪比， 关； 抗电磁干扰： 反向电压和浪涌电压保护： 连续工作的温度范围宽为( 一4 0 1 5 0 ) 。 优异的低速性能。而且输出幅值与转速无 - ， ， ， ， 玎 昆弱毽王大学鞭士学证诧文 得多。考虑到有单片机参与信号处理，所以在冷却液温度澈围内( 一4 0 一l1 0 ) 不需要绦持非常好的线注度，瓶能得到稂筒的浏藿精澄。而这中间保持较高 豹分辫率楚譬嚣麴。麴暴分辨率较低靛话攫难遮瑙麓豹溅量精凄，两影稍系统的 控制效果。图2 4 铜电阻濒度传感器输出信号( 处理后) 与冷却液温度之间的关 系。 2 3 1 3 进气温度传感器 大气温度传感器采用的是也是铜热敏电阻传感器。在发动机进气1 ：3 ，进气温 度一般在一4 0 。c 一7 0 c 范围内，铜热敏电阻能够满足工作要求。 2 3 1 4 增压压力传感器 增压压力传感器主要是用来测量空气经涡轮增压后的增压压力。为压力补偿、 可变截面涡轮控制、废气放气阀的控制提供依据。测量增压压力的传感器有l v d t ( 差动变压器式传感器) 、电容式传感器、半导体压敏电阻式传感器、s a w ( 表面 弹性波) 式传感器。其中半导体压敏电阻式传感器具有尺寸小，精度高，成本低， 响应性，再现性，抗振性好的特点，得到广泛的应用。此套系统中我们选用无锡 海鹰生产的h y 8 1 0 1 j d 型压力传感器。特点是： 输入电压5 v ； 输出电压0 5 v ； 耐压范围0 - 0 3 m p a ； 工作温度一4 0 一1 5 0 ； 在耐压范围内传感器输出与增压压力成线性关系。 2 ，3 1 5 油门位置传感器 油门应该能准确而灵敏地反映驾驶员的操纵，以便发动机能按驾驶员的意图 去加速或减速。因为油门位置传感器结构简单，可靠性好，对油门踏板位置反映 的准确度和灵敏度要比机械油门都高，所以油门位置传感器比机械油门更具有优 势。 本系统所用的油门位置传感器就是一个电阻式传感器。其原理图如图2 5 所 示。驾驶员操纵油门踏板，通过拉线改变旋转变阻器滑臂的位置，从而改变了a 、 b 端的电阻值r 。b 。令r r l - - m ，且因r x r = x ( 即x = 0 时r x = 0 ；x = l 时r x - - r ) ，所以有 厂，：u 三一( 2 1 ) 1 + r e x ( 1 一z 、 第二章紫酒瓤电控暴绞曲醚转设汁 由式2 - 1 可见，要使输出电压即负载上的电压u l 和位移x 黧线性关系，只有当 r l = 。o ( m * o ) 酊，才畿满足上述关系。因此负载电阻越大，栩对误警就越小。另 乡 ，壤热健感器懿爨惫奄压u ，爵潋提骞馋感器懿灵敏浚，缎这样会缓倦感爨出 于电流过大而发热。 图2 5 油门位置传感器原理图 2 3 2 执行器选型与确定 典型的线性执行器有步进电机、电液执行器和线性电磁铁。如果选用步进电 机控制齿条需要把旋转运动变成直线运动，将使机构复杂化；而电液执行器的响 应频率又太低，最终选定美国s y n c h r o s t a r t 公司的线性电磁铁执行器为本套 电控系统的执行器。 结合调速手柄行程的大小和卡车的电源情况，选用s y n c h r o s t a r t 公司的 0 2 5 0 p 型带位置反馈的位置与反馈电压成线性关系的线性电磁铁执行器，执行器 的行程与其反馈电压有良好的线性对应关系。其主要参数如下： 最大行程：2 5 m m ； 额定电压：2 4 v ； 额定电流：3 5 a ； 响应时间：l o 一9 0 最大行程的响应时间为6 f i n s ； 工作温度：一4 0 1 2 l ： 昆骧理王夫学疆主学链论文 零点位置电匿：0 4 v ； 最大行程魄压：3 。2 4 v 7 球 、一 皑 船 # 辖 晕皇 e 毫 1 2 1 。7 l i | | | ， j 。一u2 04 06 08 u1 0 0 驱动脉宽占宝比( 1 g 0 ) 图2 , 6 线性电磁铁的磁滞曲线 执行器推杆的行程和位置反馈电压成线性关系。由于电磁铁的磁滞特性，如 图2 6 所示，可以看出，控制脉宽和推杆行程不成一一关系，所以不可能通过直接 输出控制电流来达到精确控制执行器推杆位移的目的，而必须采用位移的闭环控 制。 2 4 电控系统电磁兼容性的研究与设计 随着微电子技术的飞速发展，单片机的性能迅速提高，在运算、逻辑控制、 智能化方面显示出非凡的优势，在很大程度上取代了原来由数字逻辑电路、运算 放大电路组成的检测、控制电路，应用非常广泛。单片机系统越来越广泛地应用 于消费类电子、医疗、工业自动化、智能化仪器仪表、航空航天等各领域。单片 机系统面临着电磁干扰( e m i ) 日益严重的威胁。电磁兼容性( e m c ) 包含系统 的发射和敏感度两方面的问题。如果一个单片机系统符合下面的条件，则该系统 是电磁兼容的：对其它系统不产生干扰；对其它系统的发射不敏感：对系统本身 不产生干扰。假若干扰不能完全消除，就会导致单片机死机、程序跑飞等致命缺 陷，使它在许多重要场合的应用受到限制。因此在进行电控系统的设计时必须进 行电磁兼容性的设计，用以提高系统的抗干扰的能力。干扰的产生不是直接的( 通 过导体、公共阻抗耦合等) ，就是间接的( 通过串扰或辐射耦含) 。电磁干扰的 产生是通过导体和通过辐射，很多电磁发射源，如光照、继电器、d c 电机和日 1 4 辇二章繁滴瓶电控系统躺醚 牛设计 光灯都可引起干扰；a c 电源线、互连电缆、愈属电缆和子系统的内部电路也都 可能产生疆射或接收到不希望黪偿号。在毫遴罄片褪系绞中，靖毫孛电路遽豢是宽 带噪声的最大产生潦，这些电路可产生高达3 0 0m h z 的谐波失真，在系统中应该 把它们去掉。另外，在单片机系统中，最容易照影响的是簸位线、中断线和控制 线。 2 4 1 干扰的耦合方式 干扰源产生的干扰是通过耦合通道对电控单元发生电磁干扰作用的。因此如 果要研究抗干扰的措施，就必须弄清干扰源与被干扰对象之间的传递方式和耦合 机理。干扰的耦合方式主要包括直接耦合、公共阻抗耦合、电容耦合、电磁感应 耦合、辐射耦合、漏电耦合。 24 1 1 直接耦合方式 直接耦合最普遍的方式是干扰信号经过导线直接传导到被干扰电路而造成对 电路的干扰。这种方式是干扰源与敏感设备之间的主要的干扰耦合途径之一。在 高频和低频时，由于电源线、接地导体、电缆的屏蔽层等呈现低阻抗。放电流注 入这些导体时易于传播。当噪声传导到其他敏感电路时，就可能产生干扰作用。 在高频时，导体的电感和电容将不可忽略。此时电抗值将随频率而变化；感 抗随频率增加而增加，容抗随频率增加而减小。在无线电频率范围内，长电缆上 的干扰传播，应按传输特性来考虑，而不能按集总电路元件来考虑。 解决直接耦合方式的办法是防止导线感应噪声，即采用适当的屏蔽和将导线 分离，或者在于扰进入敏感电路之前，用滤波去耦的方法有效地抑制或防止电磁 干扰信号的传入。 2 4 1 2 公共阻抗耦合方式 当来自两个不同电路的电流流经一个公共阻抗时就会产生公共阻抗耦合。公 共阻抗随元件配置和实际器件的具体情况而定。例如，电源线和接地线的电阻、 电感在一定的条件下会形成公共阻抗；一个电源电路对几个电路供电时，如果电 源不是内阻抗为零的理想电压源，则其内阻抗就成为接受供电的几个电路的公共 阻抗。只要其中某一电路的电流发生变化，便会使其他电路的供电电压发生变化， 形成公共阻抗耦合。 公共阻抗耦合一般发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在 阻抗上的电压降会影响到另一个电路。常见的公共阻抗耦合有公共地和电源阻抗 两种。 1 5 昆明理工大学硕士学位论文 为了防止公共阻抗耦合，应使耦合阻抗趋近于零，通过耦合阻抗上的干扰电 流和产生的干扰电压将消失。此时，有效回路与干扰回路即使存在电器连接( 在 一点上) ，他们彼此也不再互相干扰，这种情况通常称为电路去耦，即没有任何 公共阻抗耦合的存在。 2 4 1 ，3 电容耦合方式 电容耦合是指电位变化在干扰源与干扰对象之间引起的静电感应。又称为静 电耦合或电场耦合。 电控系统电路的元件之间、导线之间都存在着分布电容。如果某一个导体上 的信号电压( 或噪声电压) 通过分布电容使其他导体上的电位受到影响，这样的 现象就称为电容性耦合。 假定干扰源的电压和频率值保持恒定，减少电容耦合就归结为使敏感电路在 较低的电阻值上工作，从抗干扰的角度考虑，降低输入阻抗是有利的。 2 4 1 4 电磁感应耦合方式 电磁感应耦合又称为磁场耦合。当变化的电流产生磁通时，使源电路与另一 电路( 敏感电路) 链环，结果出现磁感应耦合。感应电流是源电流、频率、导体 几何形状和电路阻抗的函数。 在任何载流导体周围空间中都会产生磁场。若磁场是交变的，则对其周围闭 合电路产生电势。在设备内部，线圈或边压器的漏磁是一个很大的干扰；在设备 外部，当两根导线在很长的一段区间架设时，也会产生干扰。 为了减少电磁感应耦合可以采取减少噪声电压的方式。具体的措施有：采用 电路的物理隔离来减小磁通密度：将导线紧贴在地平面上( 如果返回电流通过地 平面时) 或者使用两根绞合在一起的导线( 如果返回电流是在该对导线之中) 用 以减小敏感电路的面积；最后可以适当调整于扰源和敏感电路的相对位置以达到 减少噪声电压的目的。 2 4 1 5 辐射耦合方式 电磁场辐射也会造成干扰耦合。当高频电流流过导体时，在该导体周围便产 生电力线和磁力线，并发生高频变化，从而形成一种空间传播的电磁波。处于电 磁波中的导体便会感应出相应频率的电动势。 除了从源有意辐射之外，还有无意辐射，例如有短单极天线的线路和电缆， 或者起小环天线作用的线路和电缆，都可能辐射电场或磁场。 第一二章疑潼祝电控系统黥凝佟设许 2 4 2 荤片机控制系统抗电磁干扰设计的主要途径 攀冀壤应用予王曛环凌露，王 蕈凌瑟不仅寿弱毫设蛋，瑟显寿更多的