（动力机械及工程专业论文）柴油机电控单体泵系统控制单元设计研究.pdf

柴油机电控单体泵系统控制单元设计研究 予两斐 柴油机燃油喷射系统电控化是柴油机未来技术发展的必然趋势。柴油机电控单体泵 具有喷油压力高、喷油量和喷油定时柔性控制、喷油系统改造小等优点，在大功率柴油 机领域具有很强的应用前景。因此，本文针对某型电控单体泵柴油机，开展了其控制单 元设计和研究工作，完成系统匹配目标，主要完成了以下工作内容。 在电控单体泵系统的结构和工作原理分析的基础上，提出了控制单元的硬件设计方 案，完成系统硬件设计工作。其中，本文设计的升压电路不占用c p u 资源，能够稳定 的输出8 0 v 高压驱动电源，且纹波率小于5 ；针对单体泵对驱动的要求，设计了高压 驱动8 0 v ，低压驱动2 4 v 的电磁阀双电源驱动电路，且工作性能稳定。 在系统硬件平台的基础上，完成了软件开发工作，其中，本文针对柴油机全工况优 化控制问题，提出了运行工况划分的技术措施，并确定了切换条件和控制策略；详细分 析了喷射过程控制时序，完成六缸控制过程时序划分，对控制软件进行模块化编程；对 控制事件采用任务调度机制，实现c p u 资源优化配置，提高了软件运行效率。 对系统喷射驱动模块进行试验验证，结果表明，本文所设计的控制单元喷射驱动模 块可使电磁阀驱动峰值电流在2 0 0 9 s 内达到2 0 a ，高压维持电流1 5 a ，低压维持电流8 a ， 升压电位压降5 2 v ，回复时间4 m s ，并能够完全按照所规定的喷射时序对电磁阀进行驱 动控制，且各项实验参数均符合设计要求。 关键词：柴油机；电控单体泵；控制单元；喷射驱动 哈尔滨f ：程大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i cc o n t r o lo fd i e s e lf u e li n j e c t i o ns y s t e mi st h ed e v e l o p m e n tt r e n df o rd i e s e l e n g i n ei nt h ef u t u r e d i e s e le l e c t r o n i cu n i tp u m p ( e u p ) e n j o y st h ea d v a n t a g e so fd i g i t a l c o n t r o lo ff u e lc h a r g ea n di n j e c t i o np u l s ew i d t ha n da l s or e l i a b i l i t yi no p e r a t i o n ；t h u sh a sa s t r o n gv a l u ei nt h ef i e l do fh i g h p o w e rd i e s e le n g i n e t h i sp a p e rc o n d u c t st h er e s e a r c ho nt h e c o n t r o lu n i tf o rt h ee l e c t r o n i cu n i tp u m ps y s t e m so fc e r t a i nd i e s e le n g i n e t h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o n i c u n i tp u m ps y s t e m ，p r o p o s e st h eh a r d w a r ed e s i g nf o rt h ec o n t r o l u n i ta n dc o m p l e t e st h e h a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m i np a r t i c u l a r , t h eb o o s tc i r c u i td e s i g n e di nt h i sp a p e rd o e sn o t t a k eu pc p ur e s o u r c e s ，a n dh a sas t a b l eo u t p u to f8 0 va n dr i p p l er a t el e s st h a n5 i n a c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n tf o rp u m pd r i v e ，t h i sp a p e rd e s i g n ss t a b l ed u a lp o w e rd r i v e c i r c u i tw h i c hh a s8 0 v 2 4 va sh i g h l o wv o l t a g ed r i v ew i t hs t a b l ew o r k i n gp e r f o r m a n c ei n o p e r a t i o n o i l t h eb a s i so fh a r d w a r ep l a t f o r m t h i sp a p e rc o m p l e t e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f t h e s y s t e m i np a r t i c u l a r , t h i sp a p e rd i v i d e st h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h es y s t e mi n t o4m o d e s a n dp r o p o s e st h et r a n s f o r m a t i o nc o n d i t i o n sf o rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sa sw e l la st h ec o n t r o l s t r a t e g y ；i ta n a l y z e si nd e t a i lt h ei n j e c t i o nc o n t r o lp r o c e s st i m i n go r d e r , c o m p l e t e sb y s i x 。c y l i n d e rc o n t r o lp r o c e s sa n dm o d u l a r i z a t i o np r o g r a m m i n go fc o n t r o ls o f t w a r e ；i te m p l o y s t h es c h e d u l i n gm e c h a n i s mf o rt h ec o n t r o le v e n t s ，a c h i e v i n gt h e o p t i m i z i n go ft h ec p u r e s o u r c e sa n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h es o f t w a r e t e s t i n gi sc a r r i e do u to nt h ei n j e c t i o nd r i v em o d u l eo ft h es y s t e m t h et e s t i n gr e s u l t s h o w st h a tt h ec o n t r o lu n i ti n j e c t i o nd r i v em o d u l ec a nd r i v et h es o l e n o i dv a l v e p e a kc u r r e n t s t o2 0 aw i t h i n 2 0 0 9 s ，w i t hh i g h v o l t a g em a i n t a i n i n gc u r r e n t a t15 aa n dl o w v o l t a g e m a i n t a i n i n gc u r r e n ta t8 a ；t h eb o o s tc i r c u i th a sap o t e n t i a ld r o po f5 2 va n d4 m so fr e s t o r i n g t i m e ；i ta c h i e v e st h ed r i v ec o n t r o lf o rt h es o l e n o i dv a l v ei na c c o r d a n c ew i t ht h ep r e s c r i b e d i n j e c t i o nt i m i n go r d e r ；t h et e s tp a r a m e t e r sa r ei nl i n ew i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；e l e c t r o n i cu n i tp u m p ；e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ；i n j e c t i o nd r i v e i i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 柴油机是热效率最高的动力机械，因其良好的经济性、动力性和耐久性，在车辆、 船舶和电站等领域得到了广泛的应用。在柴油机发展的一百多年的历史进程中，随着科 学技术的飞速发展，柴油机也经历了多次技术变革，上世纪二十年代以机械喷射代替空 气喷射及五十年代废气涡轮增压技术的应用都使柴油机的功率和效率大幅度提耐1 ，2 】。 然而近几十年，一方面，由于石油能源危机以及严重的环境污染，使得公众的能源 危机意识不断加深，对柴油机的排放和燃油经济性提出了十分苛刻的要求，并制定了严 格的排放法规。1 9 7 0 年美国国会通过的“大气污染防治法，要求将重型载货汽车柴油 机的排放污染物降低9 0 ，欧盟的排放法规也同趋严格。另一方面，无论是柴油机的循 环供油量，还是喷油定时，都受到很多因素的影响，其每一时刻的最佳喷油量和喷油定 时均不同【3 】。传统的机械式燃油调节系统无法实现柴油机全工况范围内的优化控制。 七十年代以来，随着微电子技术、新型传感器和自动控制技术的不断发展，柴油机 转速控制由机械调节方式，向以微处理器为核心的全数字闭环自动控制方向发展，柴油 机的电控系统不仅在硬件方面先后推出了三代产品，而且在控制理论与方法方面也取得 了许多令人鼓舞的成果，控制方法从过去的查m a p 图法、p i d 控制法等基于经典控制理 论的方法到以状态空间、多变量最优控制以及自适应控制等现代控制理论为主导的技术 4 - 6 1 o 与此同时，新技术发展和应用也使得柴油机在减少排气污染、降低燃油消耗、提高 动力性和可靠性等方面取得了巨大的进步。在经历了位置控制式的第一代控制系统以 后，第二代时间控制式系统征在发展并同趋成熟，第三代高压共轨燃油喷射系统也开始 进入实用化阶段【7 习】。采用现代电子控制技术的新一代机电一体化电控柴油机已成为现 代柴油机发展的必然趋势。 1 2 电控喷油技术发展情况 自二十世纪七十年代以来，柴油机燃油系统的发展经历了多次重大变革，而每一次 发展都是与燃油系统面临的主要问题和最终解决方案相关联的。 哈尔滨l ：程火学硕十学何论文 表1 1 柴油机燃油喷射系统的发展 时间主要问题喷射系统解决方案 七十年代初 烟度改变较小：提高低速时的喷射速率 七十年代末 h c ，n o x ，燃 一些显著改进：提高喷射压力： 八十年代初油经济性减小压力室容积 八十年代中 全新的改变( 电子控制，新裂泵喷嘴，新的时间控制) ： 九十年代中 微粒和n o x1 f 常小的压力室容积：提高喷射压力低速段柔性凋。协能 力；增强喷射定时的柔性调。1 y 能力 微粒，n o 。和新系统( 高压共轨等) ：喷射压力和喷射定时可柔性凋 九十年代中 c 0 2 ：肖；喷射速率控制 如表1 1 所示，这三十多年是柴油机燃油喷射系统发展最为迅速的时期，其中电控 喷射技术被认为是柴油机问世以来继机械喷射技术、增压技术之后的第三个罩程碑。柴 油机电控燃油喷射系统从起步到现在，在短短的二十多年间，已经发展了三代【1 0 。2 1 ，即 位置控制式电控燃油喷射系统，时问控制的脉动式电控燃油喷射系统及压力时问控制的 共轨式电控燃油喷射系统。 1 2 1 位置控制式电控喷油系统 位置控制式电控柴油喷射系统是第一代电控喷射系统，其系统结构与传统的机械式 喷射系统基本相同，只是在原系统上增设由新型传感器、执行器和微处理器组成的位置 伺服控制系统，实现对喷油定时和喷油量进行间接低频连续控制【l3 1 。电控单元通过执行 机构控制齿杆或滑套的位置以改变柱塞的有效行程，从而实现对燃油喷射过程的调节。 此类电控燃油喷射系统的缺点也十分明显，它的执行响应慢、控制精度低，控制精度不 稳定，并不能改善传统喷油系统的固有机械和液力特性，系统结构复杂，同时削弱了油 泵的高压供油能力，并且不能进行分缸平衡控制。 1 2 2 时间控制的脉动式电控喷射系统 基于时间控制的脉动式电控喷油系统是第二代电控喷射系统。该系统仍然采用传统 的脉动式供油原理，并取消了齿条、滑套、柱塞上油量控制斜槽、提前器等传统喷油泵 的油量和定时机械调节机构，使机械机构得以简化【h 。16 】。电控单元通过控制电磁阀执行 机构完成所有的喷射功能，电磁阀的闭合时刻决定喷油定时，闭合时间长短决定喷油量。 与第一代位置式电控喷油系统相比，时间控制式电控喷射系统控制精度高，快速响 应性能好，控制自由度大，并且可对各缸的喷油量和喷油定时分别进行调节。但在发动 2 第1 幸绪论 机高速运行时，电磁阀的响应速率相对较慢。因此，需要通过电磁阀的合理设计尽量缩 短响应时间，提高控制精度。 时间控制式燃油喷射系统主要有电控泵喷嘴系统、电控分配泵系统、电控单体泵系 统和电控泵一管一阀一嘴系统【1 7 ，1 引。 1 2 3 共轨式电控喷射系统 产生于上世纪九十年代的压力一时问控制式电控燃油系统，即共轨式电控喷射系 统，是第三代电控喷射系统。该系统摒弃传统的柱塞泵脉动供油原理，利用高压油泵向 公共油道( 共轨) 供油以维持所需的供油压力，通过油压的过程控制，实现了喷油压力 与喷油过程的分离，并且使过去难以实现的喷油率柔性控制成为可能，系统的控制自由 度及精度得到了大幅度提高。 共轨式电控燃油喷射系统可分为蓄压式、液力增压式和高压共轨式三种。主要代表 系统有美国b k m 公司的s e r v o j e t q b 压共轨喷射系统、美m c a r t e r p i l l a r 公司生产的h e u i 中 压共轨燃油系统、同本电装公司开发的e c d u 2 高压共轨系统、德国r o b e r t b o s c h 公司的 c r 高压共轨燃油系统、意大利f i a t 集团的u n i j e t 高压共轨燃油系统、英国l u c a s 公司的 l d c r 高压共轨燃油系统等。在船舶领域中，共轨燃油喷射系统也得到了广泛的应用， 例如芬兰w a r t s i l a 公司的s u l z e rr t f l e x 系列共轨低速柴油机。此外， m a n b & w 公司也在1 9 9 3 年研发大型智能共轨型柴油机，并于1 9 9 7 年在实船上应用 1 9 - 2 2 o 1 3 柴油机电控单体泵系统研究现状 虽然共轨系统在喷射控制的灵活性上大大优于脉动式控制系统，但在喷射压力达到 1 8 0m p a 后，高压系统面临可靠性变差，系统的标定和优化控制困难等问题。单体泵燃油 系统以其高喷射压力、良好的系统可靠性成为大功率柴油机的理想选择之一【2 3 1 。 表1 2 高压共轨系统与单体泵系统对比 高瓜共轨系统单体泵系统 喷油压力l8 0 m p a ，与转速无关可达2 0 0 m p a ，低速压力低 发动机设计影响发动机零部件完全通用缸体重新设计，通用性差 系统可靠性 恒高压密封，可靠性低 单体泵体结构，可靠性高 燃油质量要求喷油系统对燃油质量要求高喷油系统对燃油质量要求低 系统成本 比机械系统成本高略低于共轨系统 哈尔滨l ：科人学硕l ：学位论文 1 3 1 国外研究现状 电控单体泵喷油系统的开发主要集中在几家大型柴油机零部件制造商。图1 为典型 的电控单体泵管一嘴系统。德国b o s c h 公司研制的电控单体泵一管一嘴系统，在泵的 出油口安装了高速电磁阀，利用电磁阀直接控制柱塞腔内燃油压力建立和泄流，进而实 现对供油量和供油时刻的控制。柱塞偶件采用光杆柱塞，柱塞套中没有进油孔。控制阀 阀体和单柱塞油泵形成整体结构，柱塞腔内的燃油直接从控制阀阀h 处进入。控制阀高 压出口处没有出油阀。采用短高压油管和刚性好的凸轮轴，可以得到很高的喷油压力【2 4 1 ， 达到1 1 0 1 3 0 m p a 。 图1 1典型的l 乜控单体泵一管一嘴系统 该系统通过对电磁阀以及单体泵结构的合理设计，在一定程度上解决了电磁阀响应 时问过长的问题，并且提高了系统的控制精度。 美国d e l p h i 公司于2 0 0 1 年推出电控单体泵2 0 0 ( e u p 2 0 0 ) 喷油系统，由e c u 根据发 动机各传感器信号对喷油系统进行精确控制，特别适合于凸轮轴低位侧置于缸体的发动 机，每缸一泵，由侧置凸轮轴驱动，泵与喷油器之间的高压油管长度较短且相同。喷油 器由e u p 体内的执行器控制供油，该执行器由e c u 根据发动机各传感器的信号进行精 确控制。发动机工作特性的优化值存储在e c u 的存储器中。发动机在设计时采用低位 侧置凸轮轴有诸多原因，但主要是为了满足发动机低高度的要求，其最高喷油压力为2 0 0 m p a ，这是使发动机满足当今和未来更为严格排放法规要求的重要前提之一。采用这种 喷油系统可使发动机轻松达到欧i i i 排放法规的要求，并且具有满足欧i v 和u s 0 2 法规 标准的潜力2 5 , 2 6 1 。 4 第1 章绪论 图1 2d e l p h i 公司i u 控单体泵 与过去的电控单体泵系统相比，该系统在喷油定时以及喷油量控制的灵活性l 都取 得了比较显著的进步，并且由于喷油压力的提高，也更加适应开益严苛的排放法规。 1 3 2 国内研究现状 我国对柴油机电喷技术的研究起步较晚，f h 呈后起直追之势。目i ，j ，已有清华大学、 大连理 j 、成都威特等多家单，f 涉丌展柴油机电喷技术研究，在系统组成、控制策略、关 键零部件研究等方【自i 取得了一些进展。闷内某些汽车企业开始从匹配应用转向汽车电控 技术及产品研发，且已经取得了一定成果。并且玉柴、锡柴等国内比较人型的柴油机制 造食业都已有自主研发的产：品问世【2 7 1 。 近止垮年米，围内柴油机电控单体泵喷油技术发展迅速，其中产业化进度较快的是成 都威特电喷有限责任公司与清华大学联合开发的币体泵产品，目i ，j 已大批量生产。亚新 科南岳( 衡阳) 有限公司与一汽集团合作开发的单体泵，目前已完成其町靠性验证。 图1 3 威特系列电控单体泵系统 由于国内的油品较差，容易导致排放不达标，冈此，在重型柴油机电喷技术发展上， 电控单体泵技术更加适应国内维修及油品质量，将得到广泛的应用。 哈尔滨丁程大学硕十学侮论文 1 4 本论文工作的内容 本文主要从电控单体泵系统控制单元的硬件、软件设计以及控制单元试验研究三个 部分来完成控制单元设计工作。具体工作内容如下： 1 完成电控单体泵系统控制单元的整体设计方案，对系统的的结构在功能层次上进 行硬件与软件上的划分，并针对每一部分提出完整的设计思想和设计方案； 2 为提高系统运行的可靠性和抗干扰性，独立设计了单片机最小系统； 3 分析电控单体泵特性及工作特点，提出驱动控制要求，并设计和调试底层喷射模 块相关的硬件电路； 4 对系统的整个控制及喷射过程进行功能上的分析，同时对系统整个喷射工作时序 进行划分和完整的分析： 5 对系统控制软件部分进行模块化分层，并针对系统不同运行工况进行划分，同时 设计和开发底层控制相关的转速测量以及喷射驱动模块程序； 6 针对所设计的控制单元硬件与软件系统进行联合调试，并进行试验验证。 6 第2 章电控单体泵系统结构及控制单元设计方案 第2 章电控单体泵系统结构及控制单元设计方案 2 1 电控单体泵系统结构及工作原理 柴油机电控单体泵燃油喷射系统由3 个部分组成：控制器一发动机电控单元( e c u ) ， 传感器，执行器【2 8 1 。 电控单元：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。 传感器：该部分用于采集柴油机工作时的数据( 包括转速、上止点、压力、温度等 信号) 并发送给电控单元进行运算处理。 执行器：系统采用高速电磁阀作为执行器，由p w m 驱动，其闭合时刻决定喷油定 时，闭合时间长短决定喷油量【2 9 1 。 2 1 1 电控单元部分 e c u 电控单元是电控系统的核心控制部分，它控制整个电控系统的工作，包含系统的 核心控制芯片，是整个电控系统的控制中枢。电控单元软件、硬件整体关系见图2 - 2 。 发动机监控模块的主要功能是检测和标定e c u 电控单元喷射控制参数( 喷油提前角、 喷油角、电磁阀维持电流等) ，同时接收e c u 传回的发动机转速、电磁阀电流等数据。 l 缸j 发丧理卜一- 毳 羔兰：蒺 图2 1 柴油机电控单兀软、硬什整体关系 喷射控制软件模块按发动机管理程序给定的控制参数一喷油提前角和喷油角，转换 成电磁阀需要的控制时间，通过电控单元的电磁阀驱动产生控制电流，精确控制单体泵 电磁阀的开启和关闭，从而实现单体泵喷油的精确控制。 2 1 2 电控单体泵部分 电控单体泵组成元件包括：泵体、进、出油口、高速电磁阀、拉杆、柱塞调整挚片 和回位弹簧等部分。图2 2 所示为电控单体泵总成结构。 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 电磁阀酸 幽2 2 电控单体泵总成结构 电控单体泵喷射系统的工作过程可分为以下几个阶刚3 0 】：( 1 ) 充油过程；( 2 ) 旁通 过程；( 3 ) 喷射过程； ( 4 ) 卸荷过程。其工作原理为 3 1 】：开始时刻，高速电磁阀处于丌 启状态，当收到e c u 送出高电平时，电磁阀通电，产生的电磁力使拉杆运动，拉杆前 端的锥面将凹油道封闭。电磁阀关闭后，柱塞在供油凸轮的驱动下在柱塞腔内建立很高 的油压，高压燃油进入高压油管，当油压大于喷油嘴的丌启压力时，喷油丌始。驱动信 号变为低电平后，电磁阀断电，拉杆在回位弹簧的作用卜回到自由状态，柱塞腔罩的高 压油泄放到回油油路，高压油管内压力下降，针阀落座，喷油过程结束。 2 2 控制单元设计方案 2 2 1 控制单元功能要求及技术指标 电控单体泵系统控制单元按照其结构特性分为硬件部分与软件部分，其中硬件部分 主要完成信号的采集、存储以及执行等功能，软件部分功能与硬件相结合，完成信号的 分析与处理以及驱动信号输出等功能。控制单元结构与功能关系如图2 3 所示。 幽2 3 控制单元结构与功能 因此，整个控制单元需要完成的功能包括信号的采集与处理( 转速给定信号、曲轴 转速信号、凸轮轴转速信号) 以及驱动信号的输出。为了完成这些功能，对所设计控制 单元的提出了如下的技术指标和要求： 第2 章电控单体泵系统结构及控制节元设计方案 1 考虑系统抗干扰性要求； 2 系统驱动电源纹波率小于4 ； 3 电磁阀响应时间需控制在0 2 m s 以内； 4 电磁阀驱动峰值电流大于i o a ，并兼顾电磁阀线圈损耗； 5 由于系统控制过程涉及到较大电流，需要考虑隔离保护措施。 2 2 2 控制单元整体设计方案 由于电磁阀感性负载的特性，如何快速提升其响应时间是设计过程中的技术难点之 一，并且，在电磁阀断电时，过大的反向电动势产生的反向电流会击穿m o s 管，对系统 的可靠性带来负面影响，针对以上关于控制单元设计技术要求，本文所对应的设计方案 如下： 1 设计独立的单片机最小系统： 2 转速信号的采集采用霍尔传感器，简化硬件电路，增强系统可靠性； 3 选用8 0 v 以上的电压作为电磁阀驱动高压电源； 4 采用高电压驱动，快速提升线圈电流，低电压维持，降低线圈损耗的驱动方式； 5 加入过电流保护元器件和电路，并针对电磁阀切断时的大电流进行续流回路隔 离。 2 3 本章小结 本章主要进行了以下工作内容： 1 系统的介绍了电控单体泵系统的结构以及工作原理； 2 针对要设计的控制单元进行功能性阐述，并给出了详细的系统结构与功能关系 图； 3 针对控制单元设计的技术要求，提出了完整的系统整体设计方案。 9 哈尔滨t 秤大学硕十学位论文 第3 章电控单体泵系统控制单元硬件电路设计 3 1 控制单元硬件电路设计分析及设计方案 3 1 1 硬件电路设计分析 柴油机电控单体泵系统的执行器为集成高速电磁阀的电控单体泵，具有感性负载特 性3 2 1 ，因此，控制电路需要具有如下特性： 1 基于系统可靠性考虑，需要单独设计单片机最小系统，即中央控制单元，便于调 试和拆卸； 2 针对不同控制芯片设计对应的供电电源，并将其分割； 3 采用p w m 脉宽调制控制方式以实现高速电磁阀的快速开启与关闭； 4 由于高速电磁阀的感性负载特性，加之功率驱动电路对单片机工作频率影响很 大，因此需要对控制电路进行抗干扰性设计。 3 1 2 硬件电路设计方案 系统硬件电路主要工作包括完成单片机的工作运行、转速信号的采集、电流信号实 时反馈以及电磁阀升压驱动等，系统硬件部分结构如图2 - 5 所示。 外嘲审路 图3 1 硬什部分结构与功能 硬件电路设计方案如下： 1 c p u 平台：f r e e s c a l e 公司的9 s 1 2 x e p 系列1 6 位单片机； 2 外围电路：时钟、复位、电源； 3 转速信号传感器：霍尔效应式转速传感器； 4 转速信号通道：1 路曲轴信号，5 v 电压脉冲；l 路凸轮轴信号，5 v 电压脉冲； 5 电控单体泵驱动器通道：6 缸； l o 茜嚣 第3 章l i l 控币体泵系统控制单元硬件i 【! 路设计 3 2 微处理器及接口分配 3 2 1 中央控制单元 为避免电磁干扰以及节约成本，本系统中央控制单元电路进行独立设计，即单片机 最小系统，主要包括c p u 引脚电路以及对应的单片机工作外围电路，分别介绍如下： ( 1 ) 微处理器9 s 1 2 x e p l 0 0 概述 本设计中的控制单元c p u 采用f r e e s c a l e 公司的h c s l 2 系列微处理器，型号为 m c 9 s 1 2 x e p l 0 0 ，其主要特点如下【3 3 】： 1 最高总线频率4 0 m h z ，可执行3 2 位运算； 2 具有7 个中断优先级并且内核支持优先级调度，最多可达1 1 7 个中断源；集成中 断控制器，并有丰富的寻址方式； 3 具备完全的c a n 功能； 4 工作频率5 0 m h z ，增加一个平行处理的外围协处理器x g a t e 模块，最高设计 运行频率可达10 0 m h z ； 5 具有储存器保护单元m p u ； 6 具有纠错码( e c c ) 功能的f l a s h 和增强型e e p r o m ； 7 频率可调的锁相环i p l l ； 8 a d 转换速度更快，转换时间达3 u s 。 ( 2 ) 单片机工作外围电路 本设计中，单片机工作外围电路包括时钟( a ) 、复位( b ) 以及b d m 接口电路( c ) 。图 3 2 为单片机外围工作电路原理图。 p l h l ( ：) d cb k g d i l2 34 r e s e t l i 56 i h e a d e r3 x 2 h ( c ) 图3 2 为单片机最小系统电路原理图 哈尔滨+ t ：稗人学硕+ 学位论文 本设计中使用9 s 1 2 x 些列单片机标准时钟电路，通过4 m h z 的外部晶振接在单片 机的外部晶振输入接口e x t a l 和x t a l 上，电阻r 9 可以避免外接晶体振荡器的过驱 动，电容c 1 7 、c 1 8 是提高振荡器的稳定性单片机内部总线时钟频率为外部晶体频率的 一半，故为2 m 。 单片机复位为低电平有效，本设计中的复位电路结构简单，r 8 为限流电阻，d 5 为 防反二极管，c 1 0 为高频滤波电容，s 1 为复位按键。当按下s 1 时，r e s e t 脚电位被拉 低单片机复位。 微处理器广泛采用f l a s h 技术，使单片机能够方便的进行程序的存储和擦除，b d m 调试器可将程序下载至目标板，亦可将旧程序擦除，与单片机的连接方式为6 针接口， 其中1 2 4 6 脚分别接入单片机b k g d ，g n d ，r e s e t ，v d d ( d 5 v c c ) ，3 5 脚为空。 3 2 2c p u 端口分配 进行单片机最小系统设计时，需要完成c p u 端口分配，即规定哪些端口用来接收 输入的采集信号，哪些端口用来输出控制所需的驱动信号。基于本系统硬件与软件设计 特点，单片机最小系统c p u 端口分配设计如下表： 表3 1 单片机最小系统c p u 端口分配 引脚名称引脚标号端口功能 p p l3 高压驱动信号输出 p p 31 低压驱动信号输出 p d o6 5 驱动芯片使能控制信号 p d l6 6 选缸信号1 ( 1 缸) p d 67 l 选缸信号6 ( 6 缸) i o c ol l 曲轴转速信号输入 1 0 c l1 2 凸轮轴转速信号输入 1 0 c 21 3 转速信号给定 3 3 电源模块设计 电源模块为控制系统各个电路及芯片提供正常工作所需要的电源电压，针对本系统 工作特点，所需要的工作电压包括以下几种： 1 供电电源直接输出的2 4 v 直流电压，由于供电电源自身的原因，该电压纹波比 1 2 第3 章电控单体泵系统控制单元硬什电路设计 较大，因此其主要作用是为高速电磁阀工作时，提供低压维持电源； 2 经开关电源芯片调理后的2 4 v 直流稳压电源，其纹波小，输出稳定，被用来作 为电路工作芯片的供电电压； 3 经数字芯片调理，采用b o o s t 原理作用后输出的1 2 v 、5 v 电压，其中5 v 电压经 隔离处理后被用来作为c p u 供电电压。 几种电源电路的工作原理类似，都是采用低频滤波输入，低频滤波输出，最后高频 滤波调理的方式提供目标电压的。图3 3 图3 4 给出了系统电源模块原理图。 图3 32 4 v - 2 4 v 电源电路 亨芎 a n j n d a o n d 图3 42 4 v - 1 2 v - 5 v 电源电路 1 3 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 每一路电压信号都加入了l e d 指示灯，以便出现故障时能够及时断电进行处理。 3 4 转速信号调理电路设计 对柴油机进行时间式控制的最基本的要素是获得曲轴转速信号的转角脉冲，之后通 过单片机运算，将曲轴的转角转换为单片机时钟计量时间，由此可见，能否精确的获得 曲轴转角脉冲信号是系统精确控制发动机喷射过程的关键。通过安装曲轴位置传感器可 以实现曲轴转角脉冲的捕获。目前，常用的曲轴位置传感器一般有磁电式或霍尔式两种 类型。 磁电式传感器通过电磁感应原理获得转速信号，其内部感应电动势与磁通的时间变 化率成正比。因此，磁电式传感器的输出为模拟信号，在曲轴转速较低时，信号的有效 电平也较低，而且不能直接作为单片机转速信号的输入，需要另外加入转速信号调理电 路，将模拟信号转化为数字信号，之后才能输入单片机i o c 脚。 霍尔式传感器是一种利用霍尔效应的信号发生器，它具有两个较为突出的优点：1 ) 可以获得矩形信号脉冲，只需要进行适当的整形和滤波就可以作为单片机的输入信号； 2 ) 由于输出的电压高低与转速无关，所以信号稳定。本系统所采用的传感器为霍尔式。 图3 5 为曲轴转速信号调理电路，通过完成上拉、滤波、钳位，整形，完成对转速 信号的处理，并根据单片机要求进行相位转换。 r i 3 5 驱动模块设计 d i n i ) 图3 5 转速信号调理电路 驱动电路模块为电控单体泵系统实现精确控制喷油量与喷油定时提供必要的硬件 支持。为了能够精确地完成电控单体泵系统喷油过程控制以及确保高速电磁阀安全、稳 定的工作条件下，对电磁阀的驱动控制提出了如下的要求【3 4 】： 1 电磁阀必须具有高速通断的响应特性，要尽可能地缩小电磁阀的开启和关断延 1 4 第3 章电控单体泵系统控制单元硬r l ：电路设计 迟，以满足系统对喷射速率的要求； 2 过大的电磁力会使阀杆在封闭回油道时产生剧烈撞击，导致长时间使用后阀杆变 形，因此需要对峰值电流进行维持，保持油道平稳关断； 3 过大的电流作用于电磁线圈会影响到电磁阀的使用寿命，因此，在不影响阀杆对 回油道封闭的情况下，驱动电流应尽可能的减小。 针对以上这三点要求，本系统驱动电路模块设计方案如下： 1 设计电磁阀高压驱动电源为8 0 v ，用以提供电磁阀开启时的高压驱动电流。采用 d c d c 变换将2 4 v 供电电压提升至8 0 v ； 2 采用2 4 v 供电电源提供维持电磁阀低压驱动电流所需的电压，通过控制高低位 m o s 管完成驱动电路双电源间的转换； 3 采用p w m 方式控制m o s 管通断，实现电磁阀高低压驱动电流保持在一个固定 值； 4 引入电流反馈信号接入单片机a d 采样端，保证电流闭环占空比调节的实时性； 5 增加续流回路克服电磁阀关闭时产生的反向感应电动势，保护电磁阀和驱动电 路。 依据上述所给出的驱动模块设计方案，给出该模块总体设计原理框图如下： = = 图3 6 驱动模块设计原理框图 根据上图所示的驱动模块原理框图，便可以进行有关驱动模块电路的设计工作。 3 4 1 升压电路设计 升压电路所采用的开关电源芯片为l m 3 4 8 8 ( m m ) ，它是由美国n s c ( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) 公司设计生产的一款用于开关稳压器的高效低端n 沟道控制器，8 引脚 哈尔滨i ：释人学硕十学位论文 m i n i - s 0 8 ( m s o p - 8 ) 封装芯片，适用于要求低端场效应管控制的升压、回扫等电路。 此外，l m 3 4 8 8 可以运行在很高的工作频率以降低整体电路方案尺寸，其开关频率可以 将7 脚连接一个外部电阻实现在1 0 0 k h z 1 m h z 之间的任何值进行调节。输出电流可以 通过一个外部电阻进行编程控制。 1 电流检测端，连接外部检测电阻 2 补偿端 3 输入反馈端 4 模拟地端 5 电源地端 6 输入控制端，连接m o s 管栅极 7 开关频率调节端 8 电源输入端 l m 3 4 8 8 管脚图 升压电路设计采用b o o s t 原理，利用感性元件在直流输入时的特性完成输出电压大 于输入电压的功能。电路结构主要由电感l 、开关( - - 极管或者m o s 管) 、整流二极管 d 以及输出电容c 组成。 ld 而 图3 8b o o s t 升压电路原理图 b o o s t 升压电路包括充电和放电两个过程。如图3 9 所示的充电过程等效电路图， 开关闭合( m o s 管导通) ，整流二极管防止电容对地放电，电感中的电流在直流输入的 情况下以一定比率线性增加，这个比率与电感值的大小有关。由于充电过程，电感中储 存了一部分能量。在放电过程中，开关断开( m o s 管截止) ，由于电感中电流的保持性， 电感中的感性电流的不会马上变为0 ，而是一个对新的电流回路放电的过程，即电感给 输出电容c 充电，电容两端的电压升高，最终完成升压过程。放电过程的等效电路图如 图3 1 0 所示。 ld l d i i 生n r i 妥辨 i - 、 li 工 图3 9 充电过程等效电路图 v 1 6 面 图3 1 0 放电过程等效电路图 第3 章电控单体泵系统控制单元硬件电路设计 因此，升压过程可以看作是一个电感的能量传递过程，即充电时，电感从直流电源 获得能量，放电时，电感对电容放出能量【3 5 1 。当电容的容值足够大时，电路的输出端就 会保持一个持续的输出电流，当充放电过程不断重复，就会输出端得到高于输入端的电 压。 本系统所设计的升压电路已知参数如下表： 表3 2 升压电路设计参数 参数类型参考取值参数表示 输入电压2 4 v y f 输出电压 8 0 v 亿 输出电流 o 5 alo ：j ：作频率 5 0 0 k h z 二极管电压 1 2 v v d 升压电路原理图如图3 1 l 所示。2 4 v 电源经过接线端子接入l m 3 4 8 8 的供电端8 脚，l m 3 4 8 8 产生p w m 信号，经d r 端输入到m o s 管( q 7 ) 栅极，在脉宽调制信号 的控制下，m o s 管在周期内完成关断和导通，输出经过肖特基二极管d 1 0 整流后，由 电容c 1 9 和c 2 0 输出。 。孟 图3 1 l 升压电路原理图 1 2 0 0 1 0 0 0 芏8 0 0 蚕6 0 0 詈5 0 0 t f 2 4 0 0 2 0 0 o 、 步 i 、 ： l - - -_ - 0 5 0 1 0 01 5 0 2 0 0 2 5 0 2 57 51 2 5 7 52 2 5 r e s i s t o r ( k n ) 图3 1 2 开关频率与设定电阻值关系图 电路原理图中的r 2 9 用来设定l m 3 4 8 8 m m 的开关频率，1 0 0 k h z 1 m h z 之间的任 意值可调。对于工作频率的选择并不是越大越好，过大的工作频率将导致流过m o s 管 和r 3 0 的平均电流减小；但过小的工作频率不能保证在下次喷射时电压达到所设定的高 压【3 6 1 。在本电路中，开关频率选择为5 0 0k h z ，电阻取值参照图3 1 2 所示的对应关系， 1 7 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 即r 2 9 = 3 0 1 k 。 升压电路输出电压是通过设定电阻r 2 2 和r 2 3 的比例关系来进行反馈调节的。反馈 端f b 脚的电压为1 2 6 v ，电路的输出电压由下式进行计算： v o 珊= 1 2 6 ( 1 + 篙) 参数代入，得到输出电压踟们：1 2 6 ( 1 + 墨兰) ：7 9 3 8 y 。 3 4 2 双电源驱动电路设计 电磁阀驱动是一个涉及机械、电磁等诸多因素相互作用的过程。过小的电流并不足 以使电磁阀开启，然而过大的电流长时间作用于电磁阀上将会影响其工作的可靠与稳定 性。因此，电磁阀驱动须要设计成大电流开启、小电流维持的工作方式，即双电源高低 压控制驱动方式，其驱动电流波形如图3 1 3 所示： 、厂、n ， 0 ：流 n 厂，r 厂厂 。l 一 t 2 t 3 7 图3 1 3 双电源高低乐控制驱动电流波形 上图所示的驱动过程包括三个阶段：t 1 阶段，高压电源8 0 v 作用于电磁线圈，由 于其感性负载的特性，高的电压可以加快驱动电流增长速度，实现电磁阀快速响应的要 求；t 2 阶段，高压电源继续作用于电磁阀线圈，并对其进行p w m 控制，使驱动电流维 持在峰值电流附近，有效减少能量损耗并保证电磁阀线圈产生足够的电磁力以使衔铁吸 引落座；t 3 阶段，在电磁阀衔铁落座后，回油道封闭，在这一阶段，采用较小的驱动 电流即可保证回油道封闭状态，并降低了能量消耗。 双电源驱动电路是在电磁阀一个工作周期内，利用控制芯片切换不同的工作电源， 从而满足电磁阀不同阶段工作电流的需要。因此，对驱动芯片进行合理的时序控制和分 配就成为驱动电路是否正常工作的关键，其中，有关喷油时序控制的内容会在第四章介 绍。 下图3 1 4 所示为双电源驱动电路原理图，电路的工作原理简要及主要元器件功能说 明如下： 1 l m 5 1 0 6 m m ( u 2 ，u 3 ) 分别为双电源驱动电路高、低压控制芯片，接收单片机 第3 章电控单体泵系统控制单元硬件i u 路设计 p d l 脚发出的使能信号后，芯片便处于待工作状态，随时接收单片机发出的控制信号以 完成驱动信号的输出； 2 单片机p p l ，p p 3 脚分别提供高、低电压驱动信号，并接入驱动芯片的信号输入 端( i n ) ； 3 按照单片机所发出的控制信号时序，驱动芯片高位输出端( h o ) 发出驱动控制 信号输入到m o s 管栅极。依照驱动信号时序，m o s 管在周期内完成导通和截止； 4 d 6 ，d 8 为1 5 v 稳压管，起过电压保护作用，防止m o s 管击穿。 w i t i t 图3 1 4 双电源驱动电路原理图 图中q 2 ，q 3 分别为高低电源控制m o s 管，q 2 连接至高压电源8 0 v ( 8 0 v ) ，q 3 连接至低压电源2 4 v ，在m o s 管导通时，相应的电源便接入电磁阀1 脚。依据电路所 示的电位关系，在q 2 导通的时候，q 3 依然可以导通，它们的源极( s ) 共同连接至c s 点，同时所有气缸喷油电磁阀的l 脚都与此点相接。d 9 为过电流保护二极管，防止在 电磁阀接入高压电源时产生的过大的电流将低压m o s 管击穿。 3 4 3 选缸信号电路设计 驱动模块选缸电路是各自独立的一组电路单元，其电路数量对应相应的柴油机汽缸 数目，切每一路电路的结构和完成的功能都是相同的。针对本系统，共设计有六路选缸 信号电路，图3 1 5 所示为l 号气缸选缸电路。 1 9 哈尔滨 ：程夫学硕+ 学何论文 二n 蠢 t 图3 1 5 选缸信号电路1 电路