（轮机工程专业论文）中压共轨柴油机气门正时电控系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着世界能源的紧张和人类对环境保护的日趋关注，用户对柴油机的性 能的要求也在不断提高。柴油机设计开发中，电子控制技术的应用是提高柴 油机经济性、动力性和降低排放的重要方法，也是今后柴油机发展的必由之 路。柴油机工作过程的组织，主要取决于进气的状态、压缩比以及由凸轮机 构决定的配气定时、喷油压力、喷油定时和喷油模式等参数。由于原始柴油 机有关部件的动作和活塞运动的刚性连接，使得在各种工况下工作循环的柔 性调节无法实现，在柴油机的研制过程中，往往着眼于优化在标定工况下的 性能参数。然而，柴油机通常是在非标定工况下工作。因此，柴油机在实际 运用时的经济性和排放参数，要比标定的指标差许多。要在各种工况范围内 都能获得性能优化的效果，只能靠电子技术的柔性控制来实现。 针对1 3 5 柴油机，本文开发出一套进排气正时测试系统，为研究柴油机 进排气门柔性控制提供实验和调试的工具。该系统包括：下位电子控制单元 和上位监控软件。主要完成以下工作： 1 上位监控软件的设计开发。 实现对柴油机数据的采集、分析计算、显示和保存。 进排气正时控制信号的产生，并通过串口发送到电子控制单元。 实现对共轨油压的稳定控制。 2 电子控制单元的设计，实现对控制信号的接收，计算，然后发送p w m 控制信号实现对进排气阀的正时控制。 3 通过选用m a t l a b s i m u l i n k 、r t w 和x p c t a r g e t 初步建立起该仿真应 用工具。在建立起各种a d 、d a ，d i ，d o ，p w m 等功能模块后，实现了 对共轨油压的控制。 关键词：中压共轨e c u 设备驱动控制算法实时仿真 + 奉论文受清华大学汽7 f 蜜令与节能国家重点实验室开放基会项甘“1 3 5 型柴油机气门定时驶升程f 乜 了控制的可行性研究”资助。 武汉理： 大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e q u i r e m e n t so nt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed j e s e le n g i n ea r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r er i g o r o u si nt h a tt h ee n e r g yo ft h ew o r l db e c o m e sj n c r e a s i n g l ys c a r c e a n dt h ee n v j r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i on t h e a p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o li e c h n 0 1 0 9 yo nt h ed i e s e le n g i n ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e st ot h eo p t i m i z a t i o no ft h ee n g i n e se c o n o m i ca n d d y n a m i c a lp r o p e r t i e s ，a n di tw i l lb et h ef u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e e n g i e t h er u n n j n gp r o p e r t yo ft h ed i e s e ie n g i n em a j n l yd e p e n d so nm a n y f a c t o r ss u c ha st h ei n t a k ea i rc o n d i t i o n ， c o m p r e s s i o nr a t j o ， v a l v et i m i n g ， i n j e c t i o np r e s s u r e ，i n j e c t i o nt i m i n g ，a n di n j e c t i o np a t t e r n ，e ta 1 t h et r a d i t i o n a l e n g i n ec a n t a c h i e v et h ef l e x i b l er e g u l a t i o no ft h ew o r k i n gc y c l eo nv a r i o u s w o r k i n gc o n d i t i o nd u et o i t ss e t t l e dc o m b i n a t i o no ft h ec o m p o n e n t s ，s oi ti s a l w a y sc o n s i d e r e dm o r ea b o u tt h eo p t i m i z a t i o no ft h ep r o p e r t yp a r a m e t e r so n s t a n d a r dc o n d i t i o n t h u s ，t h ee l e c t r o n i cc o n t r o li sab e t t e ro p t i o nf o rt h ep u r p o s e o fo b t a i n i n gt h ep t o p e r t yo p t i m j z a t i o no fe a c hw o r k i n gc o n d i t i o n t h i sp a p e rd e v e l o p sat y p eo fe c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) a b o u tv a l v e t i m j n ga n do n em o n i t o r i n gs o f t a r ea i m i n ga ts u p e r v i s i n gt h es i t u a t i o no ft h e d i e s e le n 舀n ea n dt h ec o n t r o lr e s u l t t h em a i nw o r kd o n ei nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 ) d e s i g no ft h es o f t w a r e d a t as a m p l i n g ，d a t aa n a l y z i n g ，d a t ac a l c u l a t i o n ，d a t as a v i n ga n dt h e t r e n dd i s p l a y i n gr e s p e c t i v e l y i m p l e m e n t a t i o no f ap a r to fc o n t r o l l i n gf h n c t i o nf r o mw h i c ht h e c o n t r o ls i g n a lf o rv a l v et i m i n gi ss e n t s t e a d yc o n t r o lo nt h er a i l - o i l - p r e s s u r et oe n s u r et h a ti t i sr u n n j n g w i t hs t e a d yo i lp r e s s u r e 2 ) d e s i g no ft h ee c u t oc o n t r o lt h ev a l v et i m i n ga n dt os e n do u tt h ep w m s i g n a lt ot h ed r i v e np a r tf o rv a l v ew h i l er e c e i v i n gt h ec o n t r o ls i g n a lf r o mt h e s o f t w a r e 1 1 武汉理t 大学硕十学位论文 3 ) t h ee s t a b l i s h m e n to fab a s i cs i m u l a t o rt h r o u 曲m a t l a b s i m u l i n k ，r t w a n dt h ex p c i a r g e ta n dt h em a k i n go fm a n yf u n c f j o nm o d e l ss u c ha sa d ，d a ，d l ， d o ，a n dp w me fa j ，a n ds t j i lt h ef e a i z a j o bo ft b ec o n t r o l l i n go ff a i lo i l p r e s s u r et h r o u g hx p c t a r g e ta n dr t w k e yw o r d s ：c o m m o mr a j lm e d i u mp f e s s u r e ，e c u ，d e v i c ed r i v e r c o n t r 0 1a r i t h m e t i c r e a lt i m es i m u l a t o r i i i 武汉理上大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着全球能源的紧张和环境的恶化，各国都在为提高内燃机经济性和降 低排放而7 ：断努力。对于柴油机来说，工作过程的组织主要决定于进气的状 态、压缩比以及由凸轮机构决定的配气定时、喷油压力、喷油定时和喷油模 式等参数。目前，发动机多是采用机械式凸轮轴驱动进气门和排气门的配气 机构。气门的运动通过曲轴与凸轮轴，凸轮轴与各个气门之间的机械传动来 达到控制定时。长期以来，这种机械式机构被实践证明是简单、有效和可靠 的，并且费用相对低廉。这种气门机构在气门的开启时刻，开启持续时间和 气门升程等参数往往主要着眼于优化在标定工况下的性能参数，是固定不变 的，工作中缺乏柔性。但是在实际运用，发动机通常是在非标定工况下工作， 其经济性和排放参数，要比标定的指标差许多。要在各种工况范围内都能获 得性能优化的效果，并且要满足日益严格的排放性能和较高的燃油经济性 能，已经迫使广大发动机设计人员开发出新型的柴油机配气机构。将电子控 制技术应用到配气机构中也显得越来越重要。 应用电控气门正时技术，可以使柴油机独立于活塞的运动位置对气门进 行控制。并且结合电控喷油技术，可以更加灵活的控制内燃机的燃烧状态。 1 1 可变气门系统的优点嘲 1 1 1 实现压缩比的柔性可变 压缩比是柴油机的主要性能参数之一，它表明缸内空气被活塞压缩的程 度。压缩比越大，压缩终点的温度和压力越高，对燃油的发火，柴油机起动 有利，热效率也有所提高。但压缩比过高会使柴油机工作粗暴，机件的机械 负荷过大。 压缩比的合理选择对柴油机的启动性，经济性，动力性和降低排放都是 重要的影响。在超高增压柴油机中，通过增压或超高增压可以显著提高柴油 机的升功率，但是在高功率输出时机械应力与热应力都大大增加，因此希望 在高功率输出时，降低压缩比。而在柴油机低温运行时，压缩比下降，可能 导致：循环热效率和平均有效压力下降，经济性，动力性下降；致使在压缩 武汉理工大学硕士学位论文 行程终了的压力和温度均下降，从而导致启动困难；导致着火延迟期加长， 在着火延迟期内的喷油量增加，在着火后已准备好的燃油几乎同时燃烧，使 燃烧室内的压力和温度急剧上升，使最大爆发压力增大，平均压力升高率增 大，导致内燃机运转不平稳，工作粗暴，燃烧燥声大，同时运动部件承受较 大的冲击负荷，影响工作可靠性和使用寿命：压缩比下降，使内燃机的残余 废气系数增大和充气效率下降，在大负荷时燃烧不完全，甚至冒黑烟。 所以不同工况时，为了使发动机达到最好的经济性，动力性，排放等要 求时，压缩比的选择是不一样的。实现对压缩比的可调，国外已经研制出多 种方法，比如：改变燃烧室的容积；改变活塞行程和自动调节压缩比的活塞 等。这些方法都存在结构复杂，实现困难，功能单一，可靠性差等原因，至 今没有广泛的应用。通过可变气门正时技术，对进气门的正时控制，无须改 变其他复杂机械结构，可以很容易的实现对压缩比的柔性调节与控制。 1 1 2 增大扭矩 在不同的转速和负荷条件下，通过对进、排气门启闭正时的灵活调节， 可以充分利用气流动力现象，改善进气过程，使充气效率达到最佳。在发动 机高速运转时，适当的延迟进气阀关闭时间，在进气气流的惯性作用下新鲜 空气仍然可以继续进入汽缸，可以提高发动机的充量系数和扭矩。但是在低 转速下，就没有这个效果。因为如果进气闽延迟关闭，则可能发生新鲜空气 倒流出汽缸，使有效压缩比减小。这两中相反的结果，是很难实现的。而在 v v t ( v a r i a b l e v j l v e r i m i n g ) 里，就可以得到解决。通过在不同时刻选择合 适的正时时间，就可以得到条很好扭矩曲线。 1 1 3 减小排放 发动机可以通过e g r ( 废气再循环) 来降低有害气体的排放。e g r 就 是通过回引部分废气与新鲜空气共同参与燃烧反应，利用废气中含有大量的 惰性气体具有较高的比热容这一特征，来降低n o x 的生成。这是因为，一 方面混合气体热容量增大，造成了相同量的混合气升高，同样温度所需的热 容量增大，从而降低最高燃烧温度；另一方面，废气对新鲜充量空气的稀释 也降低了氧的浓度，从而有效抑制n o x 的生成。 2 武汉理上大学硕士学位论文 而且通过内部e g r ，进气温度升高，使留在缸内的废气再次燃烧，降 低可燃成分h c 和c 0 的排放。 排气阀的提前和延迟关闭都可以实现内部e g r 。在排气上止点前关闭 排气阀可以存留部分废气。在排气上止点后关闭排气阀可以在活塞下行过程 中，从排气管倒吸废气。进气阀提前打开同样可以从汽缸内吸废气入进气口， 混合后再迸入汽缸燃烧。 1 2 可变气门系统发展现状 从大量开发研制的可变气门驱动机构来看，可以分成两类：一类是基于 传统凸轮轴驱动的可变气门机构及其控制系统；另外一类是无凸轮轴的直接 气门控制的驱动机构。 1 2 1 传统凸轮轴式的可变气门机构7 1 传统凸轮轴式的可变气门机构往往在凸轮、凸轮轴和传动元件上作些改 进和变化。如采用多维凸轮、双凸轮、可变凸轮相位、可变摇臂及可变挺杆 等。这类可变气门机构所提供的气门定时变化范围不大，不能实现所有工况 都晟佳控制的效果，可用于改善发动机转矩特性等场合。由于结构简单、费 用低，这种机构已经应用到一些汽车发动机上。 1 改变凸轮型线 这类机构可以提供两种以上凸 轮型线，在不同转速和负荷下，采 用不同的凸轮型线驱动气门。它可 以同时改变气门的正时，持续期和 升程。h o n d a 公司的v t e c ， m i t s u b i s h i 公司的m i v e c 以及 p o r s c h e 公司的v a r i o c a m d 机构、 f i a t 三维凸轮机构、e l r o d 和 图卜1h o n d a 公司的v t e c n e l s o n 可变凸轮相位机构都属于此类机构类型。以v t e c 为例，目前的v t e c 在2 个进气门上采用了3 个凸轮及3 个摇臂，如图卜l 所示，其中3 个摇臂 可独立运动也可连成一体运动。转速较低时，通过液压机构使主、次摇臂分 3 武汉理工人学硕十学何论文 别由主凸轮和次凸轮驱动，中间摇臂随中间凸轮运动，但是对气门不起作用， 这样主、次进气门的升程曲线不同，可以形成涡流。转速较高时，通过液压 机构使3 个摇臂连成一体，并受中间凸轮驱动，以满足发动机高速的要求。 但这种改变仍只能优化某些工况，不能实现全工况性能的优化。 2 改变凸轮轴相位 该类机构利用凸轮轴调相原理，凸轮型线是固定的，而凸轮轴相对曲轴 的转角是可变的。因为配气相位中影响发动机性能较大的是进气门关闭角和 进排气重叠角，在双顶置凸轮轴发动机上，单独控制进、排气凸轮轴，可以 实现对这两个因素的控制，改善发动机性能。虽然这类机构不能改变气门升 程和持续期，但机构原理简单，可保持原发动机气门系不变，只用一套额外 的机构来改变凸轮轴相角，对原机改动较小，便于采用，应用较广泛。可变 凸轮轴相位先后有螺旋齿式与叶片式两种结构，目前叶片式的结构已逐步取 代了螺旋齿式的结构。图卜3 为b m _ l 】r 公司的v a n o s ，转子7 通过螺栓与凸轮 轴固定在一起，壳体l 通过链条与曲轴连接。停机时，锁止销6 以无压力的 方式嵌入凹口锁止槽中，保证每次启动时凸轮轴随壳体1 一起运动，使凸轮 轴有确定的初始相位。调节相位时，润滑油首先进入凹口锁止槽中，将锁止 销压回并释放转子。供油油路与液压腔1 l 相通，向该腔中供油，回油油路 与液压腔1 2 相通，向外泄油，转孑叶片9 在压力差的作用下带动凸轮轴相 对于壳体l 转动，从而改变相位。反向调节时，供油及泄油与上述方向相反。 由电磁阀控制供、泄油的方向，可在6 0 。曲轴转角范围内调节凸轮轴相位。 3 改变凸轮从动件 该类机构保持凸轮型线不变，通过改变凸轮与气门之间的联结机构，如 挺柱、摇臂或推杆的结构，间接地实现改变凸轮型线作用。这类机构有机械 式的和液压式的两类，可以较好的实现可变配气相位的功能，不足之处是大 多数机构从动件比较多，气门系存在冲击，有的结构也很复杂。2 0 世纪9 0 年代中期，s i e m e n s h y u n d a i 开发的e v t ( e l e c t r o n i cv a l v et i m i n g ) 系统 属于液压式。2 0 0 0 年，d e l p h i 、b m w 等公司开发出了控制自由度较大的机械 式全可变气门机构。其中b m w 公司的v a l v e t r o n i c 是比较典型的结构，如图 l 一2 所示。该结构在凸轮轴与气门之间增加了中间杆2 ，并且在缸盖上增加 了偏心轴，在偏心轴上设计了偏心轴齿轮。回位弹簧8 使得中f e i j 杆的小滚轮 与偏心轴齿轮始终保持接触、大滚轮与进气凸轮始终保持接触，这样中间杆 4 武汉理工人学硕士学位论文 的运动由凸轮轴与偏心轴共同控制。凸轮轴通过中间杆上的弧线驱动摇臂4 ， 进而控制气门运动。当偏心轴相位不变时，中间杆在进气凸轮轴3 的驱动下 围绕某一个中心旋转，中间杆弧线发生作用的为弧线的某一段区域。当伺服 电机9 通过涡轮蜗杆机构驱动偏心轴旋转一定角度后，中间杆旋转中心的位 置就会发生变化，从而改变了中间杆弧线发生作用的区域，进而改变了气门 升程。 图1 2b m w 公司的v a l v e t r o n i c图1 3b m w 公司的、，a n o s 偏心轴可在o 。一1 7 0 。内连续调节，并且在偏心轴上安装了位置传感器， 因此v a v l e t r o n i c 能准确地控制偏心轴的旋转角度，可在o 一9 7 m m 范围内连 续调节气门的升程。同时，可以用升程的变化实现对负荷的控制，实现无节 气门的负荷控制方式，降低泵吸损失。在n 4 2 发动机上的试验结果表明，燃 油经济性改善了l o 。但是，如果不通过v a n o s 改变凸轮轴相位，升程的改 变会使气门正时和持续期相应地发生变化。因此，机械式全可变是 v a l v e t r o n i c 调节升程与v a n o s 调节相位相互配合的结果。 1 2 2 无凸轮轴的直接气门控制的驱动机构阳 无凸轮轴的直接气门控制的驱动机构，取消了发动机中传统气门机构中 的凸轮轴及其从动件，而以电磁、电液、电气或其他驱动方式驱动气门。采 用无凸轮轴直接气门驱动方式，除了和其他可变气门机构一样，能使发动机 在燃油经济性、动力性和降低排放等方面得到改善外，还有如下一些独到的 5 武汉理工大学硕士学位论文 优点： 1 ) 能灵活地、单独地控制进排气门开启及关闭4 个定时中的任一定时 及气门开启延续时间，使发动机每一工况的这些参数都符合最佳性能要求； 而有凸轮轴的可变气门正时机构实现的气门正时和气门开启延续时间一般 只能按驱动机构的运动学关系同时变化而不能独立变化。因此，采用无凸轮 轴气门驱动在改善发动机性能方面可获得更好的效果。 2 ) 简化了发动机的结构，降低了发动机的加工成本和质量；气门可以 根据燃烧室的型式来布置，不必布置在与凸轮轴中心线垂直的平面上，气门 布置的灵活性，可能导致设计出新的更有利于发动机工作的燃烧型式。 3 ) 每个气门单独驱动，因此容易实现部分汽缸停止工作，使发动机处 于较低燃油消耗率的工作状态，降低使用油耗。 1 电磁气门驱动8 1 1 电磁气门驱动( e l e c t r o m a g n e t i c v a l v ea c t u a t i o n ) 利用电磁铁产生电磁力 驱动气门。该机构主要由两个相同的电磁铁( 共用一个衔铁) 、两个相同的 弹簧和气门组成。如图1 4 所示。 图1 4 电磁驱动原理 发动机不工作时，激磁线圈l 和线圈2 均不通电，气门半开半闭；发动 机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角判定气门在这一时 刻应有的开、关状态，使线圈1 或线圈2 通电，电磁力克服弹簧力，将气门 关闭或开启。气门处于开启状态时，线圈l 不通电，线圈2 则必须通电，使 6 武汉理工大学硕士学位论文 电磁力等于或大于弹簧力以保持气门开启。要关闭气门时，线圈2 断电，衔 铁和气门在弹簧力的作用下向上运动；在气门接近关闭位置时，线圈l 通电， 电磁力帮助气门( 衔铁) 快速运动至关闭位置；此后线圈l 继续通电，使气门 保持在关闭状态。需要开启时，线圈l 断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向 下运动。如此循环往复。 a u r as y s t e m s 公司，f e v 公司和通用汽车公司部已经提出工作原理基本 相同的方案。而且a u r as y s t e m s 和f e v 的电磁气门驱动机构已经装车使用。 这种驱动机构控制方便，结构较为简单。但是主要的确定就是：气门落座冲 击力大，电磁响应速度不够高，能量消耗及尺寸过大。气门驱动要求电磁铁 做到高速、强力、大行程并且体积足够小，而同时完全满足这四方面的要求 比较困难。 2 电液气门驱动引n 鲥 电控液压气门驱动是将气门与一个液压活塞相连，通过电磁阀控制液压 缸内高低电压液体的流入和流出来控制气门的运动。 早在1 9 8 4 年，r i c h m a n 等人推出了高性能电液伺服阀。但是该机构只 能在转速小于l o o o 的时候响应速度还理想。但是随着转速的提高，响应滞 后不断增加。1 9 9 8 年，m a r d e l l 等人的电液驱动机构可以得到更快的响应速度。 1 9 9 6 年，l e v i n 等人推出无凸轮电液气门驱动机构，它能连续可变的控 制发动机气阀的正时，升程和速度。还有m j s o v e c 和b a r r o s 等都提出了各 自的驱动机构。 由武汉理工大学研发的中压共轨柴油机电控可变气门系统，它是以一个 可调节的恒压的液压系统作为电控可 变气门系统的驱动液压源，由电磁阀控 制工作油的供应与切断，从而控制动力 活塞运动，使气门开启与关闭，达到控 制气门正时的目的。原理圈( 如图卜5 所示) ，单片机实时接受由转速传感器、 负荷传感器、上死点位置等传感器传来 的信号，根据所得转速、负荷信号和预 存的m a p 图得到一个气门启闭提前角和 延后角，并由此确定送到电磁阀的控制 7 1 j i 占6 6 矗 lmr t 二f i 、j l ：舟+ i ，n 料1i t 嘲； 缸卅 心s ll i 凼n c j j ，蔼一： _ - l j l i to - k ：电 ，uf 卅“0c 、i i i 地蝌l 二 l ；“ 1 j 一l t 上魁一t t 揪l 一。耳嚣 i v 溉搿 图1 5 中压芡轨电液控制系统 武汉理上人学硕二学位论文 信号的时刻和脉宽，并以这个实际值驱动电磁阀，使气门驱动机构的动力腔 分别与共轨油压或回油管路相连通，实现气门的开启与关闭。该系统可与中 压共轨电控喷油配合使用，是实现发动机全电子控制的一种方案。 电液气门驱动机构现在仍然处于实验室研究阶段。它的一个重要优点是 除了气门正时外，气门升程也可以根据发动机工况需要而改变，这对取消节 气门用进气门控制负荷尤其有利。但它的主要问题是响应速度不够高、气门 落座冲击、能耗大和系统复杂等。 3 电气气f 】驱动“ 电气气门驱动的工作原理与电液气门驱动相似，只不过将液体换成气 体。g o u l d 等人的电气气门驱动机构用电磁阀控制压缩气体控制气门的开关。 它适用较大的温度变化范围。 与电液气门驱动相比，空气的粘度低，且粘度受温度的影响小，运动惯 性小，这些都有利于提高电气气门驱动的响应速度；但空气更具有可压缩性， 能耗更大。 1 2 3 其他气门驱动方式“5 除了上速的气门驱动方式外，还有包括电机一凸轮驱动和旋转驱动器一 摇臂驱动等。 1 3 本文选题来源与主要工作 本文以1 3 5 柴油机为对象，实现对进排气阀的可变正时控制器研究和设 计，为以后工作打下基础。主要完成工作如下： ( 1 ) 对电子控制单元的硬件设计。包括信号采集、驱动信号发送和最 终驱动电磁阀的驱动电路。 ( 2 ) 监控软件的开发设计。实现对各个主要信号的曲线显示，和人工 控制气门正时的时刻调试。 ( 3 ) 实现对共轨油压的调节，使共轨压力的控制稳定、动态响应好。 ( 4 ) 在m a n a b 的r t w 环境下实现对共轨油压的实时仿真控制。对 应的实现对研华各个板卡的驱动编写和相应算法实现。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统总体功能设计 系统最终目标：用设计的电子控制单元e c u 取代原有的进排气凸轮驱 动机构，实现对1 3 5 柴油机气门的柔性控制，从而得到柴油机有效压缩比和 缸内残余废气量的可变调节。本文开发一套迸排气电控的测试系统，方便实 验调试研究。本章从系统的功能和结构两方面给出总体的介绍。 2 1 系统结构和功能 图2 一l 系统总图 9 武汉理工大学硕士学位论文 柴油机电控可变气门测试系统总原理如图2 。1 所示。从功能上，可以将 其分为两部分：检测部分和控制部分。 监测部分：在计算机上实现对采集的柴油机信号进行实时的可视化显 示。一方面可以方便测试人员在调试气门正时时，参看当前进排气阀开启、 关闭的时刻，对设置值进行可靠的设置。另一方面，验证在重新设定正时时 间后，系统是否响应正确，进行自我验证。各个信号以曲线形式显示在界面 中，显示的信号包括上止点信号、进气阀位移、排气阀位移、缸内压力、共 轨压力、喷油压力和针阀升程。检测软件内还实现对采集数据的保存、打印 和显示曲线的打印功能。 控制部分：主要实现对柴油机进排气阀的开启时刻、关闭时刻的调节和 控制。测试人员可以在计算机检测软件内对进气或排气阀输入任意的开启时 刻和开启持续时间，该信号通过计算机串口发送给e c u ，e c u 在接收到控 制信号后，以次上止点中断信号为基准，按照控制正时信号将精确的脉冲信 号发送给驱动电路，由驱动电路控制电磁阀，进而使气阀开启或关闭。当 e c u 没有接收到新的气门正时时刻时，它就以最近一次收到的正时时刻控 制进排气门。 另外还有对共轨压力的控制，在计算机监测软件内包括对共轨压力进行 控制部分。控制算法、控制信号发送( d a 部分) ，反馈信号的得到( a d 部 分) 都在软件内实现。通过计算得到的控制信号经过d a 转换后，发送给驱 动电路，由驱动电路来控制压力调节阀实现对共轨压力的调节。 2 2 系统组成 下面从硬件组成分析该系统的组成，分别从控制与检测两部分说明。 2 2 1 监测部分 监测部分主要是实现对柴油机各个信号的采集与显示，包括传感器、采 集卡、p c 机。 传感器：传感器技术是柴油机电控技术发展的关键因素之一。在该系统 中采集的各路信号选取的型号如下： 上止点、转速传感器，选用南京中旭电子科技有限公司的h k 系列霍尔 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 接近开关，型号为h k k 8 0 0 2 。该传感器是一种用磁场信号来驱动的新型 自动开关，由霍尔开关电路、保护器、状态指示灯、防水外壳等组成， 可将磁信号转换成数字电压输出。 共轨油压传感器，采用的仍然是瑞士k i s t l e r 仪器股份公司生产的压电 式压力传感器，型号为4 0 6 7 b c 2 0 0 0 ，测量范围为o 2 0 0 0 b a r ，测量门槛 值为lo o m b a r ，灵敏度为5 m v b a r ( o 5 a t2 5 ) ，压力信号的输出 为o l o v ，输出阻抗1 0 q ，上升时间( 5 9 5 ) 小于1 0 肛s 。在使用该 传感器的同时配合使用k i s t l e r 公司生产的与之配套的电荷放大器，型 号为4 6 1 8 a o ，该放大器采用直流供电，输入电压为1 8 3 0 v 。 气门升程传感器选用西安兰华传感器厂生产的b w g 2 2 0 型电感调频式 位移传感器。它由电感式敏感元件、集成电路与谐振电容一起构成l c 振荡电路，如图，其输出信号频率为： ， 1 ，1 、： ，“瓦( 瓦) 3 + e c 输出 图2 2电感调频式位移传感器原理图 其敏感元件实质上由螺管线圈和软磁铁芯所组成，当铁芯在线圈中移动 时，改变了磁路磁阻和线圈电感，因而改变了振荡电路的输出信号频率。将 输出的频率信号经过一频率电压转换器，即输出0 5 v 的电压信号。 采集卡：该系统主要采集上止点信号、共轨压力信号、进气阀位移信号、 排气阀位移信号、缸内压力信号，共5 路信号。选用了研华的p c i 一1 7 1 2 多 功能采集卡实现对信号的高速采集，采样频率高达1 m 。 2 2 ，2 控制部分 系统要求控制的有进气、排气气门可变控制和共轨压力的调节控制。对 进排气的控制分别通过两路电磁阀，对共轨压力的控制是通过压力调节阀。 武汉理工大学硕士学位论文 从系统设计的便捷考虑，直接应用p c j 1 7 1 2 的多功能采集卡中模拟量输出 口实现对压力调节阀的控制。而对其他两路电磁阀的控制，是另外设计e c u 单元，通过发送脉冲信号，经过驱动电路后，实现对他们的控制。 对共轨油压和进排气的控制都有对应的驱动电路和执行机构。共轨油压 控制通过p c i 1 7 1 2 发送0 5 v 的电压信号给隔离驱动电路输出0 1 a 的电路 信号驱动比例调压阀，共轨油压与通过阀线圈的电流成正比。 1 2 武汉理l 大学硕士学位论文 第3 章基于a 刚的电控单元的设计 可变气门电子控制单元包括一个核心控制器，传感器( 以及调理电路) ， 驱动电路三个主要的部分。传感器的主要功能是检测发动机的运行参数或状 态。它将非电量的有关参数或状态转化成电信号，然后不失真地将有关信息 提供给控制器。核心控制器单元是柴油机电子控制系统的核心。电控柴油机 的人部分执行机构都受它的控制，所以直接影响到柴油机的性能指标。它是 一个数字式控制器，由单片微型计算机、外围接口电路等硬件和内部控制算 法等数学模型软件组成。主要完成信息的采集、处理、传输和时序的控制。 柴油机的最终控制是通过执行器实现的，面控制器输出的信号一般很小，不 能直接带动执行器件。就需要在两者之间加入驱动电路。本文针对柴油机的 进排气控制对象，设计出相应的e c u ，配合上位监控软件，实现对进排气正 时控制。 该单元的功能和要求： 1 ) 实现对柴油机上安装传感器的电源供给，分别为，+ 5 v ，+ 1 0 v ，+ 2 4 v 。 2 ) 接收上位机串行接口输出的控制信号( 即气门正时时间) ，并经过基 于a r m 为核心的电路，输出二路电磁阀所需要的p w m 信号，对柴油机的进气 门，排气门的开启与闭合进行控制。 3 ) 实现c a n 通讯接口的扩展。 3 1 核心c p u 的选型1 6 1 1 7 1 19 1 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司自1 9 9 0 年正式成立以来，a r m 公司在3 2 位r i s cf r e d u c e dl n s t r u c t i o ns e tc o m f u t e r ) c p u 开发领域不断取 得突破，其结构已经从v 3 发展到v 6 。在3 2 位嵌入式应户时领域获得了巨大 的成功，目前已经占有7 0 以上的3 2 位嵌入式产1 品市场。在低功耗，低成 本的嵌八武应用领域确立了市场领导地位。现在没计、生产a r m 芯片的国 际大公司已经超过5 0 多家，国内中兴通讯和华为等公司也己经购买a r m 公司的内核用于通讯专用芯片的设计。此外，a r m 芯片还获得了许多实时 操作系统( r e a it j eo p e r a f j n gs y s t e m ) 供应商的支持，比较知名的有： 操作系统( r e a it j m e0 p e r a t j n gs y s t e m ) 供应商的支持，比较知名的有： 武汉理工大学硕士学位论文 w i n d o w sc e ，l i n u x ，p s o s ，v x w o r k s ，n u c l e u s ，e p o c ，uc o s ，b e 0 s 等。 a r m 处理器当前有5 个产品系列：a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 和 s e c u f c o r e ，还有一些和第三方合作的产品( 如s t r o n g a r m ，x s c a l e ) 。a r m 7 ， a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l o 是四个通用的处理器系列。每个系列提供一套特定 的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，它主要用于对价 位和功耗要求比较苛刻的消费类产品。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试丌发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供o 9 m l p s m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以 以1 6 位的系统开销得到3 2 位的系统性能。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo s ，uc o s 等。 指令系统与a r m 9 ，a r m 9 e 和a r m l o e 系列兼容，便于用户的产品 升缴换代。 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复 杂应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r e t 设备、网 络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i a r m 7 t d m i s ，a r m 7 2 0 t 。a r m 7 e j s 。其中，a r m 7 t d m i 是目前使用最广 泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。它是目前用于低端 的a r m 处理器核，且应用范围很广。 根据a r m 系列处理器的特点，结合本接口板的功能需求，并考虑到接 口板的成本、可升级性和可扩展性，本文选择了s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 作位中央处理器。s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 8 0 x 为 手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。它 使用a r m 7 t d m i 核，工作在6 6 m h z 。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 ( f p f d 0 s d r a m 控制) 、l c d 控制器、4 个d m a 通道、2 通道u a r t 、1 1 4 武汉理一 大学硕士学位论文 个多主i i c 总线控制器、1 个i i s 总线控制器，5 通道p w m 定时器及一个内 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。其内部结构如图3 1 所示。 图3 1s 3 c 4 4 b o x 的内部结构图 3 2 嵌入式以a r m 为核，心系统主控电路设计 系统的总体方案设计如图3 2 所示。系统应用基于a r m 的1 6 3 2 位r i s c 微处理器s 3 c 4 4 b o x 作为控制单元，配以f l a s h 用来存储系统的引导程序 和应用程序( 程序运行在s d r a m 中) 。进排气的控制信号来自p c 机。上止 武汉理工大学硕士学位论文 点信号为外部中断信号，并作为控制进排气正时的时间基准，按照串口接收 到上位p c 机控制信号，在c p u 中分别对p w m 韵周期和输出咏渖信号的脉宽进行 配置，得到用来产生控制电磁阀驱动电路的p w m 信号，输出控制脉冲信号。 p w m 信号经过光电耦合器件后直接驱动场效应功率管组成的外围功率驱动电 路，分别控制两个电磁阀的运行。最后带动执行机构驱动。打开或关闭进排 气阀。 由于实验中柴油机对象为1 3 5 四冲程柴油机，每个工作循环周期内，有 两个上止点信号，这里采用喷油上止点。 除了以上的主要功能外，该e c u 部分还实现信号调理和部分辅助功能电路： 信号条理：采集柴油机上止点信号，经过调理电路后，输出脉冲信号， 传递给s 3 c 4 4 8 0 x 作为外部中断信号。 本接口电路完成一些辅助功能： 1 ) 安装电源模块给电控系统所有的传感器提供电源： 2 ) 完成传感器和采集卡两者间的信号连接处理； 3 ) 为了以后实现功能的扩展，将该模块作为电控柴油机电控系统的一 个节点，设计出一c a n 接口，实现节点间的福互通讯。 露恒匪叵 外部中断信号 u a r t 接收 数据 地址 总线 p w m 输出l p 硼 输出z 电磁阀 功率驱动 电路 传感器一一嚼卜一外部电源 图3 2e c u 系统总体结构 1 6 进气阎 电磁阀 俑 电磁阀 型当丽 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 硬件设计 3 3 1 电源设计 在该系统中，需要使用3 3 v 和2 5 v 的直流稳压电源，为简化系统电源 电路的设计，要求整个系统的输入电压为高质量的5 v 直流稳压电源。有很 多d c d c 转换器可完成5 v 到3 3 v 、3 3 v 到2 5 v 的转换， 本设计中采用了l m l l l 7 3 3 和l m l l l 7 2 5 两款芯片。系统电源电路如图 3 3 所示。其中v c c 表示d c5 o v2 a 的直流稳压电源。 u 5 3 3 2 系统时钟电路”叩 芎 图3 3 电源电路图 系统时钟模块为s 3 c 4 4 b o x 提供时钟信号，使其工作在指定的频率下， 是系统必不可缺的部分。本文选择1 0 m h z 的无源晶振，1 0 m h z 的晶振频率经 过s 3 c 4 4 b o x 片内的p l l 电路倍频后，最高可以达到6 6 m h z 。片内的p l l 电 路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号 获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。 3 3 3 复位电路瞳伽 复位信号用于启动或者重新启动s 3 c 4 4 8 0 x ，令其进入或者返回到预知 的循环程序并顺序执行。一旦m c u 处于未知状态，比如程序“跑飞”或进 入死循环、就需要强行将系统复位。系统的复位可采用简单的r c 电路或复 位芯片。 1 7 武汉理工大学硕十学位论文 m 日n u a i r 8 i 本论文采用低电压监控芯片i m p 8 1 1 构建复位电路。示意图如图3 4 所 表3 1i m p 8 1 1 后缀表 r e s c t1 1 l m d t l j l d s u f f 沁 、h i l n 瞿e v ) jt o o s 2 9 3 图3 4 复位电路简图 l m p 8 1 1 除了可以由手动按键产生低电平有效的复位信号外，还可以对 微处理器，微控制器的电压进行精密监测。当v c c 低于复位门限电压时， l m p 8 1 1 的r e s e t 端会产生持续1 4 0 m s 以上的低电平，供系统复位，这样 就提高了系统的可靠性。i m p 8 1 1 根据后缀的不同有六中不同的复位门限电 压供选择，见表3 1 。本文根据核心电路( c p u 、s d r a m 、f l a s h ) 的工 作电压范围3 0 v 一3 6 v ，选取i m p 8 1 1 t ，在3 3 v 电源的电压低于3 0 8 v 时 产生复位电平。 3 3 4j t a g 接口电路1 8 1 例 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是i e e e 的标准规范，a r m 7 t d m i 内部提 供了3 个j t a g 型的扫描链，可以进行调试和配置嵌入式的i c e i 玎逻辑。 j t a g 仿真器也称为j t a g 调试器，是通过a r m 芯片上的j t a g 边界扫 描口