喷油泵电控系统.doc

摘要柴油机的高效、节能使得汽车的柴油机化日趋明显。电控燃油喷射系统也成为目前柴油机领域的重要发展方向之一。采用电控技术后，将有效改善柴油机的动力性和经济性，降低柴油机的有害排放。在VE分配泵上实施位置式电控，对原供油系统改动较少，开发周期较短，比较适合我国目前的国情，也是满足更严格排放法规的一项有力手段。本文以VP37电控分配泵为控制对象，在对VE分配泵供油系统全面分析的基础上，提出了总体设计方案，对电控系统的设计、功能扩展及应用算法等进行了多方面的研究。执行机构的控制研究是柴油机电控技术研究的关键。本文在给出了油量执行结构及其位置传感器、供油定时控制机构及其提前角检测的设计方案，并对其控制策略进行了研究。电控单元硬件、软件设计是电控系统设计的核心。本文详细地讨论了电控单元硬件、软件设计过程，完成了硬件电路和软件模块化设计，并对硬件、软件提出了相应的抗干扰措施。此外，为了完善柴油机电控系统开发，提出了柴油机标定系统。采用以CAN总线为基础平台的分配泵电控系统，实现下位机与PC机之间的通讯，完成对柴油机电控系统参数的监测。在全面完成系统设计的基础上，对油量执行机构、定时控制机构进行相应控制实验，实验表明:本系统能对喷油量执行机构进行升程、回程控制，并且通过对半差动角位移传感器输出信号的处理，完成对滑套位置的检测，从而对喷油量执行机构实现闭环控制。对于定时控制机构，通过增加提前角检测传感器，实现了对高速电磁阀的闭环控制，从而改善了燃油燃烧的效率，满足将来更加严格排放法规要求。此外，并通过CAN总线进行串行通信，实现对电控系统参数的在线监测，完成了上位机对喷油泵系统的监控，进一步完善了柴油机电控系统的开发。关键词:VE分配泵，电控单元，CAN总线，标定武汉理工大学硕士学位论文ABSTRACTDieselengineshavebeenwidelyaPPliedintheworldbeeauseoftheirefficieney，eeonomyandreliability.Eleetronieallyeontrolledfuelinjeetion15oneofimPortantresearchdireetionsinthedieselenginefield.IntroductionofeleetroniceontrolteehniquesintodieselengineeannotonlyimProvethedrivabilityandeeonomyeonsiderably，butredueetheirexhaustemissionsandeontamination.AdoPtionofPositioneleetronieeontrolintoVEdistributorPumPwilldofewermodifieationonoriginalfuelinjeetionsystem，andshortentheexPloitPeriod.Soit15eomParativelysuitedtoourdomesticeonditions.Besides，iteanreaehamoreandmorestringentemissionregulation.InthePaper，injeetionPumPVP3715takenastheresearchobjectandthewholedesignmethod，aPPliedarithmeticandextendingoffunetionsarePutforwordthroughbasedontheoverallanalysisoftheVEdistributorPumP.Theexecutivemechanism15thekeyteehniquesinthedieselengineelectronieeontrolteehnology.InthisPaPerdetaileddesignsoneontrolmeehanismsandsensorsarePresentedandeontroltaetiesareinvestigatedalso.Astheeoreofdieselengineeleetroniceontrolsystem，thewholeProeessofECUhardwareandsoftwaredesigns15sPecified，moreoverrequisitesoftwareandhardwaremeasuresaretakeninthesystemanti一disturbaneePerformanee.Besides，inordertoealibratetheParametersofdieselengines，theeleetronieallycontrolledunitofVEdistributorPumP15PresentedbasedontheCANfieldbus.lladoPtsthesimPleandPractiealdesignoftheeleetronieallyeontrolledunitbyCANfieldbuseommunieationandmakethebottomProeessorandthetoPeomPutereommunicateandtheParametersoftheeleetronieallyeontrolledunitcanbemonitored.Bythegeneralsystemdesign，wecandoexPerimentsontheexeeutivemeehanism.TheresultindieatesthatthesystemeaneontrolthemechanismoftheinjectionPumP.IteanProcessthesignaldeteetedbyahalf-differentialringsensortotestthePositionofmechanismtoreachtheclosedlooPeontrol.Forthetimingmechanism，byaddingthesensorofadvaneingangle，itcanachievedtheelosedloopcontrolofthehighspeedsolenoidvalve.SotheeeonomyofdieselengineeanbeimProvedeonsiderablytoreaehamoreandmorestringentemissionregulation.Besides，throughtheserialcommieationoftheCANfieldbus，theParametersoftheinjeetionPumPeanbemonitoredbythetoPeomPutertoimProvetheeleetronieallycontrolledsystemfurtherly.KeyW6rds:VEdistributionPumP，theelectronieallyeontrolledunit，CANfieldbus，ealibration口武汉理工大学硕士学位论文目录第1章绪论.，.11.1引言.11.2柴油机电控技术的发展.21.2.1国外电控燃油系统的发展现状.21.2.2国内电控燃油系统的发展现状.31.3本论文的研究意义及主要内容.5第2章电控系统的总体设计.62.1电控燃油供给系统的原理.62.1.1电控式VE分配泵的结构.62.1.2电控式VE分配泵的工作原理.72.1.3燃油系统的控制原理.72.2CAN总线.112.2.1以N总线概述.122.2.2CAN总线通信协议.122.2.3本系统CAN总线芯片的选用.，.。.，.132.3电控系统的总体结构.14第3章电控系统的硬件设计.163.1微处理器介绍.163.2输入信号的电路设计.，.193.2.1数字输入信号的电路设计.193.2.2模拟输入信号的电路设计.203.3输出信号的电路设计.223.3.1喷油量控制.。.223.3.2供油提前角控制.233.3.3停油控制.。.。二。.233.4显示与键盘电路设计.243.5以N总线连接设计.253.6标定系统设计.。.26丁武汉理工大学硕士学位论文3.7硬件抗干扰措施.。.28第4章电控系统的软件设计.。.304.1软件结构设计.。.304.1.1任务的模块化设计.。.304.1.2中断的解决机制.。.。.314.2模块的具体设计.。.324.3标定软件设计.。.434.3.1编程语言及程序设计方案.。.434.3.2上层界面程序开发.。.。.444.4软件抗干扰措施.。.45第5章喷油量控制、正时控制分析.。.465.1开发环境介绍.465.2喷油量控制分析.475.3供油正时控制分析.51第6章全文工作总结及展望.646.，工作总结.646.2工作展望.64参考文献.66作者在攻读硕士学位期间发表的学位论文.70致谢.。.71武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论11己1.当JL.JLJ二二刁柴油机自问世以来，就以其高效、节能等优点而在车用动力中占有非常重要的地位，特别是近些年来，柴油机的应用有逐渐扩大的趋势。这主要是因为，世界性能源危机及汽车污染的日益严重，人们对发动机的节能和排放提出了更高的要求。柴油机与汽油机相比，在节油和HC、CO、CO:排放方而都具有明显的优势。因此，目前美国、日本、欧洲等发达国家在中重型载重汽车中已全部柴油机化，而且近年来在轻型车和轿车上的应用上也呈逐年递增的趋势。1988年欧洲柴油机轿车的销售量占轿车销售总量的巧%，到1998年已经上升到25%l，2003年已经超过32%，专家预测到2007年将超过50%2。因此说，未来汽车的发展呈柴油机化的趋势日趋明朗。但是，柴油机也有许多自身的弱点在制约着它进一步的发展，除了比质量大(每单位功率的质量)，成本和价格高，噪声和振动大外，其有害排放物NOx和微粒的排放也居高不下，特别是随着近年来世界范围内的排放法规逐年严格，这一问题更显突出。柴油机的主要有害排放物HC(碳氢化合物)，CO的排放量相对较少，一般来说不用刻意控制就都会满足现有的法规，但柴油机最大的排表1一1欧洲柴油车排放法规各阶段限值I3排排放标标COOOHCCCNOxxxPMMM烟度度实施年年准准准g/kw一hhhg/kw一hhhg/kw一hhhg/kw一hhhmmm份份欧欧III4.5551.1118.0000.61(功功功199333率率率率率率小于于于于或或或或或或者等等等等于于于于于于85kw)欧欧11114.0001.1117.0000.155555199777欧欧111112.1110.66665.0000.13330.888200000欧欧WWW6663.5550.02220.555200555欧欧VVV1.5550.46662.0000.02220.5552008武汉理_!:大学硕士学位论文放难题来自NOx和微粒。如何兼顾燃油经济性，同时降低NOx和微粒，以满足日益严格的排放法规要求，已经是关系到未来柴油机发展的关键问题。因此，开发新技术、新手段，深入解决柴油机排放问题，是近期柴油机领域的主要工作。1.2柴油机电控技术的发展1.2.1国外电控燃油系统的发展现状国外对柴油机电控喷油系统的研究始于20世纪70年代。1967年，德国Bosch公司开始批量生产用进气管绝对压力控制空燃比的DJetronic模拟式电子控制汽油喷射系统，装备在大众汽车公司生产的Vw-21600型轿车上，开创了汽油喷射系统电子控制新时代。在短短的20年内，汽油机电控技术已相当成熟。柴油机电子控制的研究比汽油机晚20年的时间，但是汽油机电控技术促进了柴油机电控技术的发展，从上世纪80年代开始，柴油机的电控技术得到了迅速发展。目前己有多种形式的电控柴油喷射系统装车使用，较成熟的电控燃油喷射产品在国外车用柴油机中得到了广泛应用。仅1993年统计，德国Bosch公司的电控分配泵和电控直列泵在市场上已超25万台，美国底特律柴油机公司DDEC电控泵喷嘴系统已有10万多台投放市场，日本的zexel公司可变预行程的TICS直列泵已达2万多台，其中绝大部分是电控的。柴油机电控喷射系统发展至今已先后推出了三代产品，即位置控制式、时间控制式和压力一时间式卜s。第一代位置控制式电控喷油系统在不改变改变传统喷油系统结构的基础上，用电控调速器来代替原有的机械式调速器，对齿条或滑套位置予以控制，从而对油量进行调节，并通过电控液压提前器代替传统的机械或液压式提前器来实现喷油正时的控制，提高控制精度和响应速度，是电控柴油机开发的早期产品。位置式电控系统无须对柴油机的结构进行改动，生产继承性好，便于对现有机型进行技术改造，在分配泵和直列泵上都可以实现。其缺点是因为采用模拟量进行控制，频率响应慢，控制自由度小，精度差，而且喷油率和喷油压力难于控制，也不能改变传统喷油系统所固有的喷射特性。典型的位置式电控喷油系统有日本电装公司的ECD一Vl型电控分配泵，德国Bosch公司的RP39和武汉理工大学硕士学位论文RP43型电控直列喷油泵及VP37电控分配泵，日本小松公司的KP21型电控直列喷油泵，英国Lucas公司的EPIc型电控分配泵以及美国stanadyne公司的PcF型电控分配泵等。第二代时间控制式电控喷油系统取消了传统的喷油机构，采用高速强力电磁阀直接控制高压燃油的通断，高速电磁阀的开启和关闭时间决定喷油量的大小和喷油时刻。时间控制式电控系统采用数字量控制，具有一定的喷油率控制能力。但由于仍沿用脉冲高压供油原理，喷油压力难以控制。同时要求高速电磁阀有良好的响应和可靠性，制造难度大。在传统的机械分配泵、单体泵、泵-喷嘴等基础上都可以实现时间式控制系统。典型的时间控制式电控喷油系统有:德国Bosch公司的PDE27用DE28系统，英国Lucas公司的EUI系统和美国底特律阿列森公司的DDEC系统等。第三代电控喷油系统是时间一压力式控制系统，它改变了传统喷油系统的结构，不再采用柱塞泵脉动供油原理，而是利用高压共轨或共轨蓄压和液力增压形式获得高压，通过连续调节共轨压力来控制喷射压力，利用电磁阀控制喷射过程，喷油量的大小由喷油时间和共轨压力共同决定。由于共轨式喷油系统喷射压力不受柴油机转速和喷油量的影响，而且喷油量、喷油压力、喷油速率都可以由ECU灵活控制，从而将高压喷射与电控制完美的结合起来，实现了喷油系统的全电子控制，目前已成为柴油机电控喷油系统研究领域的重要课题与发展趋势。较为典型的共轨式电控喷油系统有:美国BKM公司sERv0JET蓄压式电控高压喷射系统，美国Caterpillar公司的电控液压泵一喷嘴系统，日本小松公司的KOMPICS液压式共轨系统，日本电装公司ECD一UZ高压共轨式电控喷射系统，意大利Flat集团UNllET喷油系统，德国Bosch公司CR共轨式电控喷油系统，英国Lucas公司的LDCR电控高压共轨喷油系统。1.2.2国内电控燃油系统的发展现状随着我国汽车保有量的增多，部分城市汽车排放造成的大气污染越来越严重。因此，我国也参照欧洲排放法规制定了自己的排放法规，2001年起执行了相当于欧洲一号的法规，2004年1月颁布执行了相当于欧洲二号的法规，在2008年将执行欧洲三号法规。因此排放达标、性能优异、安全可靠己经成为柴油机现阶段发展的主要目标，而且随着中国加入wTO，2008年的奥运会在北京举行，武汉理工大学硕士学位论文中国已经同世界联系越发紧密，汽车属于国家的支柱产业，大力提高汽车生产水平，对提高国际市场的竟争力，促进国家经济发展都具有现实的意义。目前的柴油机电控燃油喷射技术，国外无疑走在了我们的前面。国外在柴油机电控燃油喷射系统的开发及应用上己经发展的较为成熟，出现了各种电控技术和各种电控燃油喷射产品。我国的柴油机电控技术起步较晚，自20世纪80年代中期以后，许多科研单位和院校相继开展了这方面的研究工作，并取得了一定成果。在位置控制系统方而，国内进行了较多的研究!9一lv1，如长春汽车研究所对直列泵的可变预行程控制进行了研究，实现了CA6110系列柴油机的调速控制;北京理工大学用电磁阀通过液压伺服机构来驱动齿条实现了直列泵的喷油量控制，并对样机进行过试验;东汽公司在CUMMINS6BT上进行的基于调节齿杆位置控制油量的调速器系统也取得了一定成效;无锡威孚集团公司在VE分配泵上利用电磁铁控制滑套，用高速电磁阀控制提前器活塞，并在BJ493Q一1、一汽大柴4982柴油机上进行了应用试验。在时间控制系统方面，黄家裕等人开发的节流式喷油器，是我国最早研制的时间控制式电控系统，并进行了试验;清华大学研制的电控直列泵一管一阀一嘴喷油系统，采用自主研发的高速电磁阀放置在油路上控制喷油正时和喷油量，从而实现了对柴油机喷油正时、喷油量、喷油速率和喷油压力的优化控制。在共轨方面，近年来我国也进行了研究ls一2l并取得了一定成就。天津大学的中压共轨式系统，采用双蓄压室和喷油规律控制阀的电液控制共轨式单体喷油器，实现了预喷射和快速停油功能;无锡油泵油嘴研究所针对6n0型柴油机开发了中压共轨畜压式喷油系统;上海交通大学的共轨系统应用在玉柴6112柴油机上也取得了不错的效果;大连理工大学、贵州柴油机厂以及山东工业大学也做了相应的工作。另外，在柴油机电控系统的仿真方面、故障诊断方面、智能研究及控制方面、标定系统开发方面，我们也做了很多有益的工作，而且取得了很好的效果。但是，我们应该同时看到，我国的柴油机电控喷射系统还远没有达到产品化和产业化的水平，距离国外的先进水平和技术还很远，我们应该借鉴国外先进的技术，从实际出发，逐步发展，提高柴油机产品的国际竟争力。武汉理_大学硕士学位论文1.3本论文的研究意义及主要内容柴油机的性能优异，应用范围较广，并且相对汽油机来说有独到的先天优势，因此，大力发展柴油机已是大势所趋。国内的发动机行业形势也要求尽快发展柴油机电控方面的研究。然而，由于电控柴油喷射系统执行机构比较复杂，各种系统又各有利弊，我们既要研究开发具有发展前途的电控共轨系统，也要考虑我国国情和排放法规落后于国外发达国家水平的现状，迅速开发研制形成自己的电控柴油机产品。第二代电控喷油系统虽然大大优于第一代，但其关键技术一高速电磁阀的制造难度大，尤其在我国汽车工业水平和电子技术相对落后的情况下，不可盲目追求第二代控制系统，而应该从实际出发，走国产研发之路，脚踏实地的进行电控燃油喷射系统的研究，这样才有助于开发自己的产品，逐步形成自己的品牌优势，在未来的国际市场竞争中有自己的一席之地。因此，选择对分配式喷油泵进行了电控系统的开发符合当前的需要。本文即以德国Bosch公司的位置式电控分配泵VP37为研究平台，对电控泵的电控单元开发、控制方法、控制理论、标定系统开发等方面进行了研究，进行了基于CAN总线的集测量、控制及标定功能于一体的电控系统的开发。(1)分配泵电控系统的设计通过对分配式喷油泵的传感器、执行器、控制单元进行研究，构建了基本的控制系统，对喷油量、喷油正时实施了闭环控制。在设计过程中主要运用抗干扰、CAN.总线通信、外部扩展等技术手段，保证了系统的可靠性和稳定性。(2)电控系统开发环境的设计针对传统控制器之间采用RS232等通信方式速度比较慢，设计了以CAN总线为桥梁发动机电控系统的开发环境，从而在ECU(eleetronieallyeontrolledunit)与计算机之间建立了快速、畅通的信息通道，为进一步利用计算机实现复杂的控制和分析功能打下了基础。武汉理工大学硕士学位论文第2章电控系统的总体设计电控燃油供给系统的原理电控式VE分配泵的结构电控式VE分配泵的结构形式如图2一1所示，它主要是由输油泵、高压燃油分配装置、油量驱动装置、停油装置和喷油正时控制装置等部分组成川。与机械vE分配泵结构相比较，电控vE分配泵用电控油量驱动装置取代了机械调速器，同时增加了喷油正时实时控制装置，并在该油泵上安装了油泵转速、提前)交交交广广广广广广飞飞!斯斯斯斯斯斯斯斯斯卜卜卜卜卜卜，喊一州州哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥哥了了了了即莽扣:矛jjj一，钾，刁刁州III葫葫;宜宜下下1一控制套位置传感器2一油量驱动器3一停油装置4一柱塞5一喷油正时控制装置6一控制套卜输油泵H一高压燃油分配装置班卜油量驱动装置工v-停油装置y-喷油正时控制装置图2一1电控分配装置示意图武汉理工大学硕士学位论文角信号和燃油温度等传感器。这就解决了机械控制方法无法实现的油量精确调整，而且油量控制和喷油正时控制较精确，使得柴油机在各种工况下都能获得最佳控制。2.1.2电控式VE分配泵的工作原理(1)充油和供油过程在充油阶段，进油槽与分配套上的进油孔以及高压腔相通，泵室内的低压油开始进入高压腔，并开始充满柱塞各通路和空间。柱塞随平面凸轮旋转并向前运动，柱塞进油槽被关闭，充油结束，如图2一Za所示。随着柱塞继续旋转和向前运动，高压腔内的燃油产生高压，同时柱塞上的分配槽与通油孔相通，高压油经通油孔被压入泵头上的油孔，克服出油阀弹簧的预紧力并顶开出油阀，流入高压油管至喷油器，如图2一Zb所示23。河河此拼拼lllllllllll事事事事、幼幼1一柱塞2一分配泵3一高压腔4一通油孔5一油量控制套6一回油孔7一进油孔图2一2电控VE分配泵工作原理简图(2)结束供油当柱塞向前运动到其上回油孔被油量控制套打开时，高压油将从回油孔流向低压室，整个高压系统迅速降压。在出油阀弹簧力作用下，出油阀关闭，结束供油，如图2一Zc所示。2.1.3燃油系统的控制原理燃油系统的控制原理如图器、控制器(electroniediesel2一3所示，它主要由三大部分组成23，即:传感controEOC)和驱动装置。它们的功能是:传感器武汉理土大学硕士学位论文用于实时检测发动机运行状态以及操作者意图等信息并送达控制器，然后由控制器给驱动机构下达指令。基本的传感器有:发动机转速传感器、控制套位移传感器、喷油正时传感器、油门踏板位置传感器以及各种温度传感器等;控制器其核心部分是单片机，它负责处理所有数据、执行程序并将运行结果作为控制指令输入到驱动装置;驱动装置根据控制器送达的执行指令驱动调节喷油量及喷油正时的相应机构，从而调节发动机的运行状态，使其在最佳状态下工作。柴油机燃油供给系统转速传感器提前角传感器滑套位置传感器油温传感器喷油量控制喷油正时控制旋转电磁铁驱动高速电磁阀驱动图2一3燃油控制系统原理图转速传感器、提前角传感器采用霍尔式转速传感器，输出为频率信号。霍尔式转速传感器结构紧凑、可靠性高、抗污染能力强、接口电路简单、温度特性好，可以很好地满足系统要求。油门位置传感器采用电位式角位移传感器，输出为频率固定而占空比变化的脉冲信号，不同的油门位置对应固定频率下不同的占空比。油门传感器输出的频率为500日z，占空比系数调节范围为5%一95%。滑套位移传感器是喷油量控制系统的反馈环节，采用差动变压器式传感器作为滑套位移传感器，它具有工作可靠、寿命长、抗震、抗污染性能好、结构紧凑、便于安装等特性。(1)喷油量控制由上述介绍的喷油泵工作原理可知，燃油在高压腔内受到柱塞的压缩，并经喷油器喷入燃烧室内。当高压腔与泵内低压腔相通时，高压腔油压迅速下降，停止喷油，喷油开始至回油孔开启的柱塞行程即对应其工况下的喷油量。电控VE分配泵采用控制套作为回油孔开启的控制装置，当控制套位置变化时，回油武汉理工大学硕士学位论文孔与油泵内腔相通的时间也随之变化，这就可以调节喷油量的大小。在本系统中，油量驱动装置如图2一4所示，由线圈驱动器驱动控制套，控制套位置由一非接触式电感传感器测定，将其作为反馈信号，从而能精确地控制该控制套的位置，较机械式VE分配泵能更精确地控制喷油量。11111111111州州州孟粼粼冲冲，尸尸一一卜卜杯下下瞧瞧瞧盯盯盯几几-1一线圈驱动器2一电感传感器3一偏心轴4一控制套图2一4油量驱动装置示意图电控泵供油执行器采用了旋转电磁铁执行机构，如图2一5所示为旋转电磁铁原理图。磁气转子磁芯图2一5旋转电磁铁原理图旋转电磁铁是利用电磁力来把电能转化成为机械能的装置，当电磁铁激磁线圈通入电流后，电磁铁芯和衔铁端面上出现了不同极性的磁极，彼此相武汉理工大学硕士学位论文吸，使衔铁吸向铁芯，从而带动执行器作直线或回转运动。旋转电磁铁工作原理如图2一5所示。当铁芯通电后，由于磁力线总是力图通过磁阻最小的路径而闭合，因此电磁力矩的方向总是使衔铁运动到整个磁路内磁阻最小位置。当旋转电磁铁在电磁力矩与安装在电磁铁上的弹簧所产生的阻力矩达到平衡时，则电磁铁转到某一固定位置不动。其转角范围为0“一60“，通过角位移电感传感器可获得所转角度，从而达到闭环控制控制油量的目的。旋转电磁铁角位移由半差动角度传感器24进行测量，电感传感器(半差动角度传感器)主要是由铁心、电感线圈和两个动、静测量环组成，如图2一6所示。1一铁心2一线圈3一动测量环4一静测量环图2一6半差动角度传感器结构示意图当电感线圈被施以一交变信号时，铁心内部产生交变的电磁场，受其影响，动、静测量环将产生电涡流，而该涡流又反作用于电感线圈，改变其阻抗。电感线圈的阻抗与动、静测量环材料的导电率、导磁率、激磁频率以及动测量环转过的角度有关。动、静测量环材料与激磁频率一定时，电感线圈的阻抗将是动测量环转过角度的单调函数。因此，通过适当的测量电路就可以把线圈阻抗的变化转换为电量的变化，从而实现把传感器动环转过的角度(油泵控制套位置)转换为电信号。(2)供油正时控制正时控制是指柴油机喷油泵向燃烧室内喷油时刻以及喷油延续时间的控制，在这里供油的开始时间用供油提前角表示，即对供油提前角实现控制。供油提前角是指喷油泵开始向燃烧室供油的时刻，用活塞在上止点前相应的曲轴转角表示。电控VE泵在原机械式基础上在提前器高低压腔之间增加了高速电磁阀，辅武汉理工大学硕士学位论文助调节高低压腔间的压力差，从而灵活、准确的控制供油提前角。转速和供油提前角的采集是通过霍尔传感器完成的。两个霍尔传感器分别装在泵腔内壁及滚轮座上方，分别感应转速信号和提前角信号。单片机对传感器感应的信号进行处理后，发出脉冲调制波形式的信号。当电信号将电磁阀打开时，高压侧燃油流向低压侧的流量增加，定时活塞在复位弹簧的作用下向高压腔移动，供油定时延迟;反之，电磁阀关闭时，高压侧油压上升，推动定时活塞向低压腔移动，使供油提前;当高低腔压力差与复位弹簧恢复力达到平衡时，定时活塞稳定在某一固定位置，使供油定时一定，图2一7为供油正时系统结构简图。电子控制器滚轮卜乓、喻洲毒十农滚轮环3甘介牛，一61一正时活塞2一高压室3一正时位置传感器4一弹簧s一低压室6一正时控制阀图2一7供油正时控制系统结构简图2.2CAN总线电控单元是电控分配泵式喷油系统的核心，决定着整个电控系统的功能。由于电控单元是基于以N总线设计的，即控制单元与pC机之间都是采用以N这一新型的数据通信协议来完成的，CAN现场总线在电控系统中起着重要的枢纽作用，在介绍电控系统的之前，首先对CAN总线的特点以及本文中用到的以N控制器和收发器等做简要介绍。武汉理工大学硕士学位论文2.2.1以N总线概述自动化领域，正在进行着一场引人瞩目的变革。它就是由传统的集散控制系统DCS(DistributedControlSystem)到新一代的现场总线控制系统FCS(FieldbusControlsystem)的变革。现场总线控制系统是计算机技术、网络通信技术和控制技术发展到一定高度上的结合。它完全取代了传统自动控制系统的信号标准、通信标准以及系统标准。它的出现是技术发展到一定阶段的必然结果，标志着自动化领域进入了一个全新的发展空间。现场总线控制系统的核心是现场总线技术。在众多的总线标准中，控制器局域网络以N(Contro“erAreaNetwork)以其完善的功能而在各个领域得到广泛应用，并成为国际标准。今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有以N局域网，同样以N也用于其它类型的交通工具，从火车到轮船，或者用于工业控制。以N已经成为全球范围内最重要的总线之一，甚至领导着串行总线，1999年接近6千万个以N控制器投入应用，2000年市场销售超过1亿个以N器件。以N之所以得到这么广泛的重视和应用，就在于它具有许多的明显优势使人们乐于选择。以N总线与其它通信网的明显不同之处在于两点:一是采用通讯数据块编码，报文中不包含目标地址，各节点可以根据需要来过滤报文，因此可以实现多主工作方式，即点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式;二是采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，强化了对数据的安全性考虑，可以满足控制系统及数据传输的可靠性;此外，以N总线还有传输速率高(可以高IMbPs/40m)、实时性好、经济、扩展性高等诸多优点。最大传输距离有10KM，但此时传输速度下降，只有skbPs。2.2.2CAN总线通信协议以N总线是一种串行数据通信协议。在以N总线通信接口中集成了以N总线的物理层和数据链路层功能，完成对通信数据的成帧处理。表2一1以N节点的分层结构数据链路层逻辑链路控制接收滤波超载通知恢复管理媒体访问控制武汉理工大学硕士学位论文数数据封装/拆装装帧帧编码码媒媒体访问控制制错错误检测测出出错标定定应应答答串串行化/解除串行化化物物理层层物物理信令令位位编码/解码码位位定时时同同步步PPPMA子层层驱驱动器/接收器特性性MMMDI层层连连接器器(实现物理媒体和MAU(媒体访问单元)之间机械和电气接口)在以N总线上传输的信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“以N_H”和“CAN_L”，“CAN_H”表示逻辑“0”，称为显性，“CAN_L”表示逻辑“1”，称为隐性。以N能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等，最常用的就是双绞线。在以N总线的报文传输中有以下四种不同的帧类型:(l)数据帧:数据帧携带数据从发送器至接收器。(2)远程帧:总线单元发出远程帧，请求发送同一识别符的数据帧。(3)错误帧:任何单元检测到总线错误就发出错误帧。(4)过载帧:过载帧用以在数据帧或远程帧之间提供一附加的延时。以N总线的报文是以每一帧的标识符来区分的，标准CAN的标志符长度是n位，而扩展格式CAN的标志符长度可达29位。CANZ.OA协议规定CAN控制器必须有一个n位的标志符，同时在以N2.OB版本中规定以N控制器的标志符长度可以是n位或29位，遵循以NZ.OB协议的以N控制器可以发送和接收n位标识符的标准格式报文或29位标识符的扩展格式报文。2.2.3本系统CAN总线芯片的选用以N总线和总线上的各个CAN节点在完整的通信协议下，一起构成了CAN网络。一个完整的CAN节点应该包括微控制器、CAN控制器和CAN收发器，其中微武汉理_L大学硕士学位论文控制器负责完成以N控制器的初始化，进行与以N控制器的数据传递，并按照预定的程序进行处理;以N控制器主要负责将数据以以N报文的形式传递，并进行系统的诊断、测试以及处理以N总线上的错误等;以N收发器是以N控制器和以N总线之间的硬件接口。以N控制器目前的产品有很多，SJA1000是其中功能较强大、应用较广泛的一款，它是PHILIPS公司PCA82C200的替代产品，在完全兼容PCA82C200的基础上，增加了一种新的工作模式peli以N，并完全支持具有很多新特性的以NZ.OB协议。在peli以N模式里，除了完全支持所有的以N2.OA定义的帧类型，SJA10OO还支持一些错误分析功能，如支持系统诊断、系统维护、系统优化，而且加入了对一般CpU的支持和系统自身测试的功能。图2一8为SJA1000的内部结构及与微控制器、收发器的连接框图。C城总线主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主主收收控控控控控控控控S孙100000000000000000000发发伟伟lJJJJJJJJJ到星刊:接口口口CANNNNNNN一器器器器.二二二管理理理核心模块块块块块逻逻逻逻逻逻逻逻逻辑辑辑.(C八1汀2.OB)，闷卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜宁宁宁宁宁宁宁宁宁接收收收验收收收收收收收口口口口口口口FIFOOOOO滤波器器器器器器器口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口图2一8SJA1000内部结构及连接框图本文电控系统中的以N网络采用了微控制器+独立CAN控制器+以N收发器这一组成形式，除了独立CAN控制器选用匀A1000外，CAN收发器选用了INTEL公司的82C250，主要是基于该芯片外接电路较为成熟、工作稳定、适于汽车高速通信。2.3电控系统的总体结构位置式电控燃油喷射系统是通过对旋转电磁铁、高速电磁阀进行电子控制，从而控制燃油喷射量、供油正时。ECU根据油门传感器、转速传感器、油温以及水温传感器所传来的发动机工况信息，进行实时优化计算得到油量和提一前角控制值，驱动执行机构调节供油量和提前角。同时控制系统还需要具备通信接口，武汉理工大学硕士学位论文以便同上位机进行通讯。电控燃油喷射系统的硬件组成如图2一9所示。(1)数字量输入模块:主要是发动机转速、提前角信号处理电路。(2)模拟量输入模块:主要是滑套位移、油门、油温、水温等模拟信号处理电路。(3)功率驱动模块:主要是对旋转电磁铁、高速电磁阀的驱动处理电路，完成油量和喷油正时的高速输出，以及停油电磁阀的控制信号输出等。(4)以N接口模块:主要完成下位机与上位机之间的通讯功能。数数数数数数数数字字字80C196kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk转转速信号号号信号号号CCCCCCANNNNN上位位处处处处处处处处理理理理理接口卡卡卡PC机机电电电电电电电电电路路路路路路路路提提前角信号号号号号号号号号号号号号号号号号号号功功功功功功旋转电磁铁铁率率率率率率率率率率率率驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱驱水水温温温模拟拟拟拟拟动动动动动动动动动信信信信信信信信号号号号号号号高速电磁阀阀处处处处处处处处处理理理理理理理理理理理理理油油温温温电路路路路路路路电电电电电电电电电电电电电源电路路滑滑套位置置置置置置置置置置置置复复复复复复复复复复复复复位电路路油油门位置置置置置置置置置置置置晶晶晶晶晶晶晶晶晶晶晶晶晶振电路路显显示、键盘电路路路路路路路路路路路路路路图2一9电控系统总体框图武汉理工大学硕士学位论文第3章电控系统的硬件设计3.1微处理器介绍本系统采用的是目前国内外比较流行的Intel公司的MCS一96系列中80cl%Kc芯片作为处理器26。该芯片主要具有以下一些特点。.内部存储器的容量大。内部EPROM瓜OM为16K字节，RAM为488字节，其中232字节可直接作为通用寄存器，另外256字节也可以通过窗口映射方法作为通用寄存器使用.共有3个PwM输出.时钟两分频，可采用16MHZ的晶振，运行速度快。.具有高速输入输出口(HS刀HSO)，易实现实时控制。.周D转换器除可采用10位转换方式外还可以采用8位转换方式，以加快转换过程。.具有丰富的中断源。80CI%KC是Intel公司MCS一96系列微处理器中的一款增强型产品，是该系列中含功能电路较多的一种微处理器。在闭环控制器中、数字信号处理、发动机控制中应用广泛。80C196KC速度快，RAM多，支持浮点运算，采样精度高，适合实时、高速的要求等一系列优点，是本系统采用其作为电控系统的微处理器的主要原因。(1)输入输出端口分配电控系统的输入输出主要有脉冲量的输入、模拟量输入、脉冲量调制波(PWM)的输出，以及开关量的输入输出等。它们分别采用了系统的高速输入和输出口、普通双向1/0口资源。另外80C196KC还提供了丰富的软件定时器资源，充分利用能够这些资源能更有效、准确地管理控制器的整个过程，在该电控系统利用了软件定时器严格控制了油量控制周期、提前角控制器周期。各输入输出信号和定时器的具体硬件资源分配如表3一1所示。武汉理工大学硕士学位论文表3一1硬件资源分配信信号号资源源转转速速HSI.0高速输入口口提提前角信号号HSI.1高速输入口口油油门位置置ADOOO滑滑套位置置ADIII油油温温ADZZZ水水温温AD333旋旋转电磁铁铁HSO.0高速输出口口高高速电磁阀阀HSO.1高速输出口口油油量控制周期期SOFI.0软件定时器000提提前角控制周期期SOFLI软件定时器111(2)中断资源配置中断管理是系统成败的关键，准确合理地分配中断资源能极大地提高系统的工作。SOC196KC提供了丰富的中断资源，对中断的管理由中断屏蔽寄存器INT-MASK和中断悬挂寄存器INT-pENDING完成。通过软件设置中断屏蔽寄存器来人为改变中断优先权，保证系统重要过程的响应速度。表3一2列出了本电控单元的中断资源配置，从表中可以看出一个中断资源可能要响应多个中断信号，如油量执行机构及提前角执行机构的pWM输出等，这就需要系统在进行中断处理时能够识别中断信号源。表3一2中断资源分配序序序信号号中断资源源中断断号号号号号向量量lllll油量执行机构和提前角执行机构的PWM输出出HSO中断断2006HHH22222转速信号和提前角信号的高速输入入HSI数据有效中断断2004HHH33333定时器Tl溢出出定时器溢出中断断2000HHH44444软件定时器0、软件定时器111软件定时器中断断ZOOAHHH55555数据通信信外部中断断200CH武汉理工大学硕士学位论文(3)存储器配置80C196KC有自带内部EpROM，但是考虑到系统容量，系统采用了外部扩展的存储器方式，采用一片27C128容量为16Kxsbit作为系统程序存储器。系统数据存储器主要是存放发动机工作数据(MAP)及重要的控制器参数。考虑到系统应用的灵活性及匹配不同型号的发动机，系统把这部分数据独立出来，没有存放到程序存储器中，而是存放到外部串行EEpROM(MAX25043)中，由于是EEpROM，系统可以通过开发平台传送数据后，电控单元直接改写，并且断电数据不丢失。但由于是串行读写的EEpROM，读写速度比较慢，尤其在控制过程中对MAp的读写操作时，速度不匹配，所以程序正式运行时总是先把数据从EEpROM中移到内部存储器RAM的MAp数据区，这样就保证了工作的速度。(4)晶振电路本系统微处理器采用外部晶振，时钟频率16MHz，电路如图3一1所示。80C196成.XTALIII!l告CRYYYXT点1222.，尸尸朽SSSllllllllCCC22222图3一1晶振电路(5)复位电路单片机有上电复位和手动复位两种复位方法，复位电路如图3一2所示。武汉理工大学硕士学位论文80C196此EESET复位图3一2复位电路复位信号是持续两个状态周期的低电平。系统进入正常工作后，RESET引脚应保持高电平。图中的二极管为复位电容掉电情况下，提供了一条迅速放电的通路，这样可以保证芯片在反复上电的情况下可靠复位。3.2输入信号的电路设计进行闭环控制的电控系统由执行器及对其进行监测的传感器两大部分构成。油量控制的执行器是旋转电磁铁，负责监测的传感器为半差动角度传感器。半差动角度传感器将旋转电磁铁的位置传回ECU，从而进行供油量的闭环控制。计算机需要采集油门位置信号和转速信号进行基本MA卫的查询，同时需要冷却水温度信号、机油温度信号、执行器位置反馈信号进行油量的调整和反馈控制。3.2.1数字输入信号的电路设计转速信号与提前角信号采集采用了霍尔传感器，其输出信号是数字信号。信号经滤波、整形后接入单片机高速输入口。武汉理工大学硕十学位论文招工.0们2工一.图3一3转速输入处理电路如图3一3所示，LM339为运算放大器，将正弦波整形至矩形脉冲;TLP521-1为光电祸合器，起抗干扰作用;4049集成反向器起到进一步整形和平稳信号的作用。3.2.2模拟输入信号的电路设计油门位置传感器信号是模拟信号。信号经运算放大器及滤波后，提高了输入阻抗，消除了脉冲噪声进入单片机周D转换端口。图3一4油门位置信号输入电路对于油温的测量是使用了具有负温度系数的电阻传感器，即电阻周围油温变化会影响到负温度系数电阻值。其变化范围是0.00k一2.Ook，其信号检测电路如图3一5所示。武汉理工大学硕士学位论文图3一5油温处理电路NTCI、NTCZ分别对应电阻两端电压的变化，经过调理之后输入到处理器中进行相应转换。AD620输出端接的两个二极管主要起钳位作用，保证SOc196kc的输入通道的电压范围在0一SV之间。其中测量水温的传感器们采用PT100，其信号处理电路可以和上述相同。油量执行器位置反馈信号通过非接触角度传感器得到。该传感器为半差动环型角度传感器。当动、静测量环材料与激磁频率一定时，电感线圈的阻抗将是动静测量环的转过角度的单调函数。该半差动环型角度传感器的接口电路采用AO698芯片电路。AD69slz71是美国AnalogDeviees公司生产的单片式线性位移差分变压器(LvDT)式信号调理系统。AD698与LVDT配合，能够高精确和高再现性地将1刃DT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。AD698具有所有必不可少的电路功能，只要增加几个外接无源元件来确定激磁频率和增益，就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号。AD698目前存在两种普遍的接法，这里采用半桥线性差动变压器式传感器接法电路。武汉理工大学硕士学位论文ccc3占口口口口口口口口口口口口口口口口口口口12丫门门门。.叭叭叭。曰我二l亡军下.E戈C全口下111厂厂一名lllt王VIII。以少15艺RE下下dddddL一1.孚获曰口.5侧取演ITTTTTTTTTTTTTTT矛p曰J公公.日日巨巨巨二1111下下艺O日确亡民.SFLT!CCC666.arL代心幻厅rtr.l.旧1，确厂L代.I，一.al才确rLTIIIIIIIIIIIIILLLI口口l!月月.确训确C亡冲闷p.让o二待1才禹亡亡冲月pppppppppppppLLL22222l55555lllllll曲曲曲图3一6AD698半差动变压器双电源电路其中Ll、LZ、L3分别对应传感器信号输入端，该信号经AD698调理之后转换成输出电压，从SOUT端输出到80C196KC中。当然在输入到单片机之前也必须作适当的处理，比如滤波、限幅等等。3.3输出信号的电路设计3.3.1喷油量控制油量执行机构由旋转电磁铁组成采用调节线圈工作电流来控制执行器位置，其输入电流为0一SA。单片机控制信号PWM经光祸及功率MOS管后，控制工作电流。功功乙(.勺艺匕r才亡亡.占曰f.甲甲甲.已禹L犷犷代代亡.内犷犷亡亡冲司.汀一a卜rrr.a民，EEE.卜CEEE.CJ一0.勺勺苍50.旋转电确铁U5压死40图3一7油量控制驱动电路武汉理工大学硕士学位论文电路中采用了可输出大电流的IRF640MOS管，其功率消耗极小，转换速度很快。电源用+1ZV大功率的开关电源供电。二极管回路用于执行器电感线圈释放反向电流，既提高了响应