第二章 电控开发系统的硬件设计
12
第二章 电控开发系统的硬件设计
高压共轨喷油系统的研制过程伴随大量试验,诸如电控喷油器响应特性标
定、喷油一致性和耐久性测试、高压油泵磨合和可靠性测试、供油量特性标定等。
柴油机的电控主要是基于查参数 MAP 的控制,电控单元(ECU)根据传感器采集的
信息判断柴油机运行工况,再从 MAP 图中查出工况点对应的控制参数优化值。因
此通过大量标定实验制定各种典型工况下各控制参数的优化 MAP,是高压共轨柴
油机 ECU 开发过程中的重要环节[30~35]。
从上述分析知道,在高压共轨电控喷油系统产业化和高压共轨柴油机研发过
程中,搭建完善的电控实验系统非常关键。本章主要介绍电控实验系统的重要组
成部分——电控开发系统的硬件系统。
2.1 电控开发系统概述
对新型电控燃油系统的研制而言,功能完善且灵活方便的开发系统将起到举
足轻重的作用。它能够有效提高整个研制过程的工作效率,大大缩短工作周期,
增加产品的技术含量[36]。在电控开发系统最初的设计阶段,从高压共轨喷油系统
研制的实际需求出发进行了功能规划,如图 2-1 所示。
启动开关
油泵同步
油门踏板
发动机角标
传感器
喷油器
压力控制阀
油泵控制信号共轨压力
信息采集
电源输入
信号输出
功率驱动
通信
工作指示
运算处理
-喷油量计算
-喷油定时计算
-故障诊断和异常处理
-其它功能
工作指示灯
执行器
CPU
PCV1 PCV2
喷油器控制信号
其它 PC机
或 ECU
-喷射压力控制
电控开发系统 ECDS
-喷油模式控制
图 2-1 电控开发系统功能规划图
第二章 电控开发系统的硬件设计
13
作为高压共轨电控喷油系统的开发工具,一方面,电控开发系统必须满足高
压共轨电控喷油系统研制过程中各个阶段的功能需要;另一方面,电控开发系统
本身的研制不能投入过多的精力,这样才能真正起到事半功倍的效果。而且,当
研制工作需要电控开发系统提供某些特定功能时,这些功能必须能够在很短的时
间内实现。
基于这一思路,本文在电控开发系统的硬件设计中,借鉴本课题组先前开发
工作的思路和经验,引入开放式结构设计方案。采用高性能低价位的通用 PC 机
和市场上常见的集成电子元器件,简化硬件设计过程,而将主要精力用于控制策
略和软件系统的研发。采用这种结构方案的硬件系统具有结构简单、功能易扩展
的优点,能明显缩短开发周期并降低成本,而且可靠性高,通用性强,只需修改
软件并可以满足不同电控燃油系统的开发需求。
2.2 电控开发系统的硬件功能与实现
电控开发系统硬件部分采用
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
总线的研华原装工控机,利用其丰富的软硬
件资源,结合应用A/D采集卡AC1820A、脉冲计数卡AC4073和定时计数卡PS2401。
首先对各种传感器信号进行采集,并进行滤波、整形等处理,然后依据控制时序
发出喷油器和高压油泵压力控制阀(PCV)的控制信号,最后经过功率驱动电路控
制喷油器和 PCV 阀工作,系统硬件框图如 2-2 所示。
图 2-2 电控开发系统硬件结构图
2.2.1 输入信号调理
发动机电子控制的基础是由传感器实时检测的发动机运行状态信息,要对发
第二章 电控开发系统的硬件设计
14
动机进行精确控制,必须保证输入信号能够迅速准确地传送给计算机。发动机传
感器输入的信号主要有两大类:数字量信号和模拟量信号。
本系统中,数字量信号包括油泵同步信号和发动机角标信号,其中油泵同步
信号用于发动机相位判断,角标信号用于发动机转速及喷油定时计算。两个信号
均由霍尔式传感器输出,信号电压为 0~12V,依次通过电压比较器 LM339 限压、
施密特触发器整形、高速光耦隔离和单稳态电路处理后,变成控制系统能够接受
的 TTL 电平信号,作为请求 CPU 执行控制软件的外部中断源。
模拟量信号主要有共轨压力、喷油器衔铁升程、喷油规律仪输出信号等。共
轨压力检测对于共轨油压的闭环控制非常关键,要求响应足够快、精度足够高。
共轨压力传感器为压阻式,输出直流电压信号,适用的压力范围是 0~150MPa,
对应输出电压 1~4V,与共轨压力成线性关系[37],为了防止其它信号的干扰,处
理电路上采用非线性度很低的线性高速光电隔离器件 HCR200。
2.2.2 控制信号的产生及逻辑合成
电控喷油器和 PCV 阀的控制信号,由软件操作定时计数卡 PS2401 中的 Intel
8253 定时器产生,再经过通用阵列逻辑合成器件 GAL20V8 进行逻辑合成。
图 2-3 Intel 8253 内部逻辑结构框图
Intel 8253 是一种常用的可编程计数器/定时器芯片,内部逻辑结构如图 2-3
所示。所有的工作方式都可通过程序控制实现,本系统主要用了 3种工作方式[38]:
1)方式 0:计数结束中断
完成工作方式设定后,输出 OUT 立即变为低电平,当计数值装入选定的计数
器后,输出 OUT 将保持低电平,计数器开始减 1计数,即每当 CLK 脚来一个脉冲,
计数值减 1。当计数结束(即计数值减至 0)时,输出 OUT 由低电平变为高电平,
并且一直保持到该计数器设置新的工作方式或装入新的计数值为止。OUT 脚由低
电平到高电平的变化(即上升沿)可用于触发 CPU 中断,该功能用来延迟一定时
间后触发中断或为其它计数器提供门控信号。
2)方式 1:可编程单稳态
第二章 电控开发系统的硬件设计
15
写入工作方式控制字后,OUT 变为高电平,装入计数初值后,计数器并不开
始计数,而要等到外部门控脉冲 GATE 启动的下一个 CLK 输入脉冲的下降沿才开
始计数。这时输出 OUT 变低,直至计数到 0,输出 OUT 再次变高。若外部 GATE
再次触发,则将再产生一个负脉冲。该功能用来产生一定宽度的负脉冲,经过反
相处理即可产生控制脉冲,如 PCV 的控制信号和喷油器控制信号的截断脉冲等。
3)方式 2:频率发生器
采用方式 2时能在 OUT 端输出连续的负脉冲,其宽度等于一个时钟周期,脉
冲周期等于写入的计数值和时钟周期的乘积。程序将工作方式控制字写入后输出
OUT 将变为高电平,在写入计数值后,计数器对输入时钟脉冲 CLK 计数,直至计
数器减至 1时,输出变成低电平,经过一个时钟周期后输出恢复为高,计数器从
计数初值重新开始计数。计数过程受门控脉冲 GATE 控制,GATE 变低时停止计数。
电控开发系统利用该功能产生保持喷油器电磁阀电流的 PWM 波。
PS-2401B
8253-4
Ti mer0
GAT2-40
CLK2-40
OUT2-40
PS-2401B
8253-4
Ti mer1
GAT2-41
CLK2-41
OUT2-41
PS-2401B
8253-4
Ti mer2
GAT2-42
CLK2-42
OUT2-42
PS-2401B
8253-3
Ti mer0
GAT2-30
CLK2-30
OUT2-30
PS-2401B
8253-2
Ti mer2
GAT2-22
CLK2-22
OUT2-22
PS-2401B
8253-1
Ti mer0
GAT2-10
CLK2-10
OUT2-10
PS-2401B
8253-1
Ti mer1
GAT2-11
CLK2-11
OUT2-11
PS-2401B
8253-1
Ti mer2
GAT2-12
CLK2-12
OUT2-12
PS-2401A
8253-4
Ti mer0
GAT1-40
CLK1-40
OUT1-40
PS-2401A
8253-4
Ti mer1
GAT1-41
CLK1-41
OUT1-41
PS-2401A
8253-4
Ti mer2
GAT1-42
CLK1-42
OUT1-42
PS-2401A
8253-3
Ti mer0
GAT1-30
CLK1-30
OUT1-30
PS-2401A
8253-3
Ti mer1
GAT1-31
CLK1-31
OUT1-31
PS-2401A
8253-3
Ti mer2
GAT1-32
CLK1-32
OUT1-32
PS-2401A
8253-2
Ti mer0
GAT1-20
CLK1-20
OUT1-20
PS-2401A
8253-2
Ti mer1
GAT1-21
CLK1-21
OUT1-21
PS-2401A
8253-2
Ti mer2
GAT1-22
CLK1-22
OUT1-22
PS-2401A
8253-1
Ti mer0
GAT1-10
CLK1-10
OUT1-10
PS-2401A
8253-1
Ti mer1
GAT1-11
CLK1-11
OUT1-11
PS-2401A
8253-1
Ti mer2
GAT1-12
CLK1-12
OUT1-12
工作方式 0
计数初值: V1_Delay
工作方式 1
计数初值: V1_ Width
工作方式 0
计数初值: V2_Delay
工作方式 1
计数初值: V2_ Width
工作方式 1
计数初值: wan
工作方式 2
计数初值: l an
lan
工作方式 0
计数初值: main_i nj_delay
工作方式 1
计数初值: ta (=t m+ts+tp)
工作方式 1
计数初值: tz (=t m+ts)
工作方式 1
计数初值: t m
工作方式 0
计数初值: Inj_Ti me_Delay
工作方式 0
计数初值: pilot1_i nj_delay
工作方式 1
计数初值: pil ot1_ i nj_ width
工作方式 0
计数初值: pilot2_i nj_delay
工作方式 1
计数初值: pil ot2_ i nj_ width
工作方式 0
计数初值: add3_inj_delay
工作方式 1
计数初值: add3_ inj_width
GAL逻辑合成 PCV1控制信号
PCV2控制信号
喷油器控制信号
延时 main_i nj_delay
ta 截断脉冲
tz 零脉冲
t m 主控脉冲内中断源
中断 I RQ4 通道
中断 I RQ5 通道
中断 I RQ3 通道
延时 V1_Delay
V1_ Width
PCV1控制脉冲
延时 V2_Delay
V2_ Width
PCV2控制脉冲
wan
PWM波
延时 pil ot1_ i nj_ delay
pilot1_inj_width
Pilot-1脉冲
延时 pil ot2_ i nj_ delay
pilot2_inj_width
Pilot-2脉冲
延时 add3_ i nj_ delay
add3_i nj_ width
Add-3脉冲
图 2-4 控制信号产生——硬件应用图
图 2-4
说明
关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书
了定时器硬件参与产生 PCV 阀和喷油器控制信号的工作机制。其
中 PCV 阀的控制信号为单个脉冲,由可编程单稳态方式直接产生。如图 2-5 所示,
喷油器的控制信号分为截断脉冲 Ta(控制信号的长度)、主控脉冲 Tm、零脉冲
Tz(Tm+Ti)和 PWM 保持波。其中 PWM 保持波采用频率发生器方式产生,其余的均
用可编程单稳态方式产生。图 2-6 为示波器从电路中采集的信号,从上至下分别
为 8253 输出的 Ta 脉冲、Tz 脉冲、已合成的喷油控制信号和 Tm 脉冲。PCV 阀和
喷油器控制信号定时的实现均借助 8253 的计数结束中断方式。
第二章 电控开发系统的硬件设计
16
Tm、Tz、Ta 和 PWM 保持波经过 GAL20V8 简单的逻辑与或非,就可以合成图
2-5 所示理想的喷油器控制信号。GAL20V8 内部具有 64×40 的可编程逻辑与门阵
列,最多可达 20 个输入项、8 个输出项,或门阵列是固定的,可达 8 个项的逻
辑或。用通用可编程逻辑器件 GAL20V8 进行合成时,减少了外部的门电路,结构
简单,并且当需要改变逻辑配置时,仅仅通过重新编程就可以灵活地修改逻辑关
系。
2.2.3 功率驱动
由于逻辑芯片输出的信号为 TTL 电平信号,其驱动能力很有限。功率驱动模
块的作用首先是将逻辑芯片输出的喷油器及 PCV 阀控制信号进行功率放大,以指
挥 MOS 管控制喷油器和 PCV 阀功率驱动电路的通断。
如图 2-7 所示,PCV 阀由 24V 直流电源直接驱动。功率放大后的 PCV 阀控制
信号指挥 IRF640 型 MOS 管控制 PCV 阀线圈电流的通断,从而实现对 PCV 阀工作
的控制。
为了实现快速响应,电控喷油器采用 110V 直流电压驱动,如图 2-8 所示。
110V 驱动电压由课题组开发的 DC-DC 型升压模块将 24V 直流电压升压而来。另
图 2-7 喷油器控制信号功率放大和 PCV阀功率驱动电路
图 2-5 喷油器控制信号
Tm Tp (k,f)
Ti
Ta
t
I
0
线圈
电流 Td
峰值电流
维持电流
驱动
脉冲
图 2-6 喷油信号合成图
第二章 电控开发系统的硬件设计
17
外,控制喷油器线圈电流通断的开关必须具有高速的响应特性,本系统选用 N沟
道的功率器件 IXYS IXFH58N20 作为喷油器功率驱动电路通断控制的执行器。该
器件的开启响应时间<50ns,关断时间<200ns,耐压值高达 200V,额定电流 58A,
输入阻抗高,漏源通态电阻小于 40mΩ。经功率放大的喷油器控制信号指挥该型
MOS 管就可以实现喷油器的快速开启和关闭。图 2-9 为测得的喷油器电磁阀线圈
工作电流。
2.3 硬件的可靠性设计
发动机会对周围环境产生较强的电磁干扰,而电控系统对周围电磁环境的变
化非常敏感,所以必须对电控开发系统进行可靠性设计。按照可靠性设计的一般
原则,并针对具体的因素,分别采取了以下相应的措施:
1)尽可能地采用标准电路:因为定型的标准电路经过了全面的考核,其性
能稳定可靠;
2)切断干扰传播途径:由于同步信号和角标信号对发动机的正常运转极其
重要,所以这些信号的传输线采用屏蔽双绞线。同时在信号输入中加入了滤波、
施密特整形、单稳态触发等电路,有效地解决了抗干扰问题;
3)将强弱信号分开,升压模块和功率驱动模块会产生很强的电磁干扰。因
此,升压变换器和功率驱动模块与信号采集、调理及信号合成电路分开,避免对
弱电电路造成影响;
4)抑制干扰源:即尽可能的减小干扰源的电流、电压变化率,比如在 PCV
阀功率驱动电路中加入释放电路,以降低其关断过程所产生的干扰。在每个集成
电路的电源及地线间都设置有 0.01~0.1μF 的低电感高频去耦电容;
0 2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
电
流
(
A)
时间 (ms)
喷油器电流峰值电流 72.8A
0 2
0
2
4
6
8
10
12
14
0.71ms
电
压
(
V)
控制信号
0.3ms
图 2-9 喷油器电磁阀工作电流 图 2-8 喷油器功率驱动电路
第二章 电控开发系统的硬件设计
18
5)采用
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
面安装器件(SMD):不仅可以大大减小电路板的面积与高度,而且
由于 SMD 没有引脚或引脚很短而有效地减少了引脚电感所带来的种种弊端,SMD
电容的滤波效果也更好。SMD 器件的采用还缩短了元件之间的连线长度,降低了
由连线所引起的干扰。
6)对关键信号采用指示灯进行工作指示,以便出现问题时及时发现并予以
解决,如图 2-10 所示。
图 2-10 电控开发系统硬件系统
2.4 本章小结
1. 本章主要介绍了高压共轨柴油机电控开发系统硬件系统的构成、功能及
设计实现。工控机提供了丰富的软硬件资源,其扩展的 ISA 标准总线插槽,使得
定时/计数卡和数据采集卡的应用非常方便。
2. 电压限制、滤波、施密特整形和单稳态触发电路组成的输入信号调理电
路结构简单,对不同输入信号的适应性强,信号调理效果好。Intel8253 定时器
在软件操作下完成 PCV 阀和喷油器控制信号的产生。控制信号由通用可编程逻辑
器件 GAL20V8 完成逻辑合成,经功率放大后指挥 MOS 管对 PCV 阀和喷油器功率驱
动电路进行通断控制,从而控制 PCV 阀和喷油器工作。
3. 采用开放式结构设计方案的电控开发系统,具有结构简单、功能易扩展、
性能价格比高、工作可靠、通用性强等优点。
第二章 电控开发系统的硬件设计
12
第三章 电控开发系统的软件开发
如果说计算机是电控开发系统的“大脑”,那么软件就是电控开发系统的“思
想”,电控开发系统的所有功能都由软件指挥完成。从结构功能上看,电控开发
系统实质上是发动机电控系统、高速数据采集及分析系统和人机交互式实验控制
系统的集成,是一种实时性极高的多任务处理系统[36]。电控开发系统的上述特点,
对其软件提出了很高的要求,软件系统必须具备极佳的硬件控制效率、良好的信
息输入及反馈平台,以及便于进行扩充。本章主要研究高压共轨柴油机的控制原
理和控制策略,以及软件各功能单位的设计开发。
3.1 高压共轨电控喷油系统的控制原理
高压共轨柴油机燃油喷射系统的电子控制主要是对喷射压力、喷油定时和喷
油量的控制,喷射压力的控制通过控制共轨油压实现,喷油定时控制即控制喷油
的开始时刻,喷油量的控制采用压力-时间式计量原理。通过对一次喷油过程中
喷油定时、喷油量的灵活控制,能实现预喷射、多次喷射、后喷射等喷油模式。
3.1.1 共轨油压控制原理
如图 3-1 所示,在高压油泵缸体的柱塞腔上端有一个电磁压力控制阀(PCV),
利用该阀调节高压油泵的有效供油行程和供入共轨的燃油量,从而控制共轨中燃
油压力[39]。
图3-1 高压油泵供油原理图
基本工作原理是:(a)柱塞下行,控制阀开启,低压燃油经控制阀进入柱塞
腔;(b)柱塞上行,控制阀并未通电,仍处于开启状态,被吸进的燃油又经控制
电磁压力控制阀(PCV)
第二章 电控开发系统的硬件设计
13
阀流回低压腔;(c)在需要的时刻,PCV 阀通电关闭,燃油回流通道被切断,柱
塞腔内燃油被压缩,高压油经出油阀(单向阀)进入共轨。控制阀关闭后的柱塞
行程称之为有效供油行程,如图 3-2 所示,它与向共轨的供油量相对应。因此改
变 PCV 阀关闭时刻,则改变有效供油行程,从而控制共轨压力。
( c) 有效供油行程
( a) 进油行程 压油行程
( b) 预行程
PCV阀控制定时
油泵凸轮升程
PCV阀控制信号
PCV阀锥形阀升程
PCV关闭角( PCV_Close_Angle)
PCV阀关闭延迟
油压调整
PCV阀控制脉宽
PCV阀关闭
图3-2 共轨压力控制原理图
将 PCV 阀关闭时刻相对压油行程上止点的提前角度定义为 PCV 关闭角
(PCV_Close_Angle),该参数的值与有效供油行程的大小相对应。软件就是通过
操作者调节或 PID 自动调节参数 PCV_Close_Angle 的大小来实现共轨压力的控
制,如图 3-3 所示。
PCV_Close_Angle
数据采集模块采集当前共轨压力值
软件根据发动机工况计算所需共轨压力
比较偏差
PI D算法
控制 PCV阀关闭控制共轨压力
图3-3 共轨压力控制逻辑图
高压油泵中驱动两个柱塞的凸轮相错 90º安装,油泵凸轮轴旋转一圈向共轨
供油 4次,这样有利于抑制喷油带来的共轨压力波动。在高压油泵的泵体上安装
有电感式或霍尔式传感器,该传感器与凸轮轴上的相位分度圆盘相对应,圆盘上
每隔 90º有一缺口分别对应一个凸轮顶点,但在某两个缺口之间,还多了一个缺
口用来判别相位,因此凸轮轴每转一圈,该传感器发出 5个信号,如图 3-4 所示,
称之为同步信号。同步信号既是控制 PCV 阀工作的时间基准,也是控制各缸喷油
定时的时间基准,还用来判断发动机各缸的发火顺序,这些作用的实现都依赖于
第二章 电控开发系统的硬件设计
14
同步信号作为外中断源的地位和相应的中断服务函数。
图3-4 油泵凸轮与相位分度圆盘结构示意图及同步信号
软件通过相邻压油行程上止点间隔(180°油泵凸轮轴角度)、PCV 阀关闭延
迟时间和PCV阀关闭角计算出PCV阀控制信号的定时。PCV阀关闭延迟时间是PCV
阀的重要特性参数,必须测出来,可以采用测 PCV 阀工作电流特性曲线的方法完
成。如图 3-5 所示,为测定的高压油泵 PCV 阀的工作电流特性。PCV 阀控制脉冲
宽度取定值,可以略小于或等于 PCV 阀关闭延迟时间。
3.1.2 燃油喷射控制原理
电控喷油器是高压共轨电控喷油系统中最关键和最复杂的部件,它根据电控
系统发出的控制信号,通过控制电磁阀的开启和关闭,将共轨中的高压燃油以最
佳的喷油定时、喷油量和喷油率喷入柴油机的燃烧室。
图 3-6 所示为电控喷油器的结构示意图。主要构件包括,高速响应电磁铁、
平衡控制阀、控制量孔块、液压活塞、针阀顶杆,以及与传统喷油器相似的喷油
嘴等。
其工作过程是:在电磁铁通电之前,与电磁铁衔铁相连的平衡控制阀处于关
闭状态,通过进油节流孔进入控制室的高压燃油作用在液压活塞顶面,同时高压
燃油也作用在压力室以及针阀座面处的喷油嘴针阀上,但是由于液压活塞顶面面
积大于喷油嘴针阀承压面积,加之针阀弹簧的作用力,使得喷嘴针阀不能抬起,
喷油器不喷油。
在电磁铁通电之后,在电磁力的作用下衔铁带动平衡控制阀迅速开启,控制
图3-5 PCV阀电流特性
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
-1
0
1
2
3
4
5
PC
V阀
电
流
(
A)
时间 ms
-1
0
1
2
3
4
PCV阀关闭延迟时间:4.2ms
控
制
脉
冲
(
V)
脉宽 7.8ms
第二章 电控开发系统的硬件设计
15
室通过出油孔与回油口连通,而高压共轨与控制室之间是通过进油节流孔相连,
从控制阀泄掉的油来不及补充,使控制室内压力下降,液压活塞上行,针阀抬起,
开始喷油。
电磁铁断电后,在弹簧力的作用下,平衡控制阀关闭,作用于液压活塞顶面
的压力增大,推动液压活塞下行,喷嘴针阀落座,停止喷油。
通过调节喷油器控制脉冲的宽度来控制电磁铁通电时间的长短,可以控制喷
油持续时间,在喷射压力一定的情况下,喷油量与喷油持续时间成正比。喷油定
时的控制是通过改变发出喷油器控制脉冲的时刻来控制电磁阀通电时刻实现的。
喷油器有两个特性参数,在调
节喷油控制脉冲宽度和计算喷油定
时时必须考虑。如图 3-7 所示,一
个是电磁响应开启时间 Tieo,指喷油
控制信号发出到平衡阀在衔铁带动
下开启的间隔时间。该参数必须测
定,一般借助衔铁升程传感器来完
成。在喷油控制脉冲调制时,应该
使主控脉冲宽度略大于 Tieo(参考图
2-4);另一个是总的喷油响应延时,指喷油控制信号发出到针阀抬起开始喷油的
1. 压力室
2. 针阀
3. 油嘴腔
4. 针阀弹簧
5. 顶杆
6. 液压活塞
7. 回油口
8. 控制室
9. 控制室进油孔
10. 控制室出油孔
11. 电磁铁及平衡控制阀
4
5
6
8
2
9
10
11
3
7
1
图 3-6 电控喷油器结构示意图
图 3-7 喷油器喷油控制过程
第二章 电控开发系统的硬件设计
16
间隔时间,它等于电磁响应开启时间 Tieo与液力响应开启时间 Tiho之和,该参数
值的测量是利用喷油规律仪来完成的。
3.2 电控开发系统软件结构与功能设计
电控开发系统的软件从功能上大致可以分为三个部分:人机交互系统,信息
采集、处理及存储系统和发动机控制系统,如图 3-8 所示。
人机交互系统主要完成各种信息的显示,以及各参数的调节;信息采集、处
理及存储系统的主要工作是操作数据采集卡采集共轨压力、喷油规律等信息,并
处理成数字量,还可以将相关信息存储到计算机。
发动机控制系统是整个软件的核心部分,这个部分可以从层次上分为两个单
元。直接操作定时器硬件发出喷油器、PCV 阀控制信号的底层驱动软件是发动机
控制系统的执行单元。而管理单元是发动机控制系统的上层单元,主要工作是判
断发动机工作状态,根据发动机不同状态的控制策略和操作者意图发出喷油系统
等执行机构的控制指令和控制参数。执行单元按照这些指令和参数准确指挥相关
硬件发出控制信号,完成发动机的实时控制。
电控开发系统软件
发动机控制系统人机交互系统 信息采集、处理及存储系统
信
息
显
示
框
模
块
操
作
按
钮
模
块
信
息
输
入
处
理
模
块
文
字
显
示
模
块
声
音
提
示
模
块
图
形
处
理
模
块
操
作
菜
单
模
块
外
中
断
1
服
务
模
块
发
动
机
转
速
计
算
模
块
发
动
机
工
况
判
断
及
控
制
决
策
模
块
发
动
机
工
作
时
序
判
断
模
块
外
中
断
2
服
务
模
块
内
中
断
服
务
模
块
共
轨
压
力
控
制
模
块
喷
油
定
时
处
理
模
块
喷
油
控
制
模
块
数
据
采
集
卡
操
作
模
块
信
息
处
理
模
块
EMS
应
用
模
块
喷
油
模
式
处
理
模
块
定
时
器
硬
件
初
始
化
模
块
定时器操作单元----底层驱动软件
图3-8 电控开发系统软件结构化设计图
DOS 操作系统运算速度高,中断响应快,而且提供了丰富的功能函数供直接
调用,方便进行实时处理系统的软件开发。C语言的执行效率和对硬件的操作能
第二章 电控开发系统的硬件设计
17
力几乎接近汇编语言,但与后者相比更加容易编写和维护。因此电控开发系统软
件采用 C语言,基于 DOS 操作系统平台进行开发。
整个软件采用结构化程序设计方法,依据“自顶向下、逐步细化、模块化设
计”原则完成程序编写,各系统以及各系统中的子功能单位均以分立模块的形式
存在,各分立模块之间仅通过少量的参数传递产生联系,软件结构清晰、层次分
明。出现问题或者需要扩展功能时,只需修改或增加相关模块即可,软件中其它
部分不受任何影响,确保了电控开发系统易扩充、易维护的优点。
3.2.1 人机交互系统设计
电控开发系统用于电控柴油机控制策略研究以及控制参数优化非常方便,其
中一个重要因素就是电控开发系统具有良好的人机交互性。一方面,开发系统能
把各种发动机状态信息、当前的控制参数以数字、文字或者图形方式直观的显示
出来;另一方面,通过提前设置或在线调节的方式,操作者能够非常方便地实时
改变控制策略、修改控制参数。
软件初始化时,输入外部文件中
各参数的值进行参数初始化
键盘操作调节参数值
外部参数文件
显示模块实时显示参数更改值
键盘响应函数运算更新参数值 控制系统按新参数值实施控制
软件结束运行时,将参数修改后
的值存入外部参数文件
机制1
机制2
图3-9 人机交互系统参数调节机制
为了适应电控柴油机控制参数的标定工作,软件采用两种参数调节机制,如
图 3-9 所示:一种是诸如喷油量、喷油定时等需要根据发动机运行要求而随时改
变的参数,只是采用在线调节方式,软件根据操作者通过键盘进行的调节操作计
算出参数修改后的值,用于显示和控制。软件结束时,对各参数所做的修改不做
任何记录;另一种机制借助存储在计算机中的参数文件,软件系统启动后,首先
利用存储在文件中的参数值对特定的参数进行初始化。根据实验确定这些参数的
优化值后,软件会自动将修改后的值存入外部参数文件。下次系统启动时直接按
优化修改后的值工作,也可以通过软件直接对外部参数文件进行输入操作,如图
3-10 所示软件人机交互界面。这种机制主要用于诸如特定工况的设定喷油量、
喷射压力,PCV 控制脉宽,发动机最高转速此类需要通过实验标定出最佳值或不
需要经常修改的参数。
第二章 电控开发系统的硬件设计
18
图3-10 开发系统人机交互界面
3.2.2 信息采集、处理及存储系统设计
电控开发系统利用 AC1820A 数据采集卡的多通道多循环采样功能,完成各种
模拟量和开关量信息的采集。AC1820A 提供 16 路单端输入和 12 位 AD 转换,AD
转换速度最快为 1000KHz,支持 1~16 路波形信号的采集,板上带 128K 字 RAM,
可以扩充到 512K 字。其主要性能指标如下[40]:
(1)16 路单端输入。输入范围 5V、10V 或-5V-+5V(开关选择,采样精度不
同),输入建立时间小于 1微秒。
(2) 输入通道自动扫描,可以通过程序控制从任意通道开始到任意通道结
束,输入采用 DB25(孔)插座。
(3)12 位 1000KHz AD(AD7472),分辨率 12 位,系统精度 0.2%,峰值噪音
小于±2LSB,多通道时每通道的采样速度:1000K/通道数量。
(4)输入最大耐压±12V ,输入阻抗大于 100MΩ。
信息采集、处理及存储系统的一项主要任务就是对采集卡AC1820A进行操作,
包括设置采样通道数、起始通道、结束通道、采样周期、采样长度、启动方式等
参数,软件运行后自动启动采样并定期将采样结果转移到用户数组,最后将采样
数据处理成数字量,供开发系统软件使用。
由于开发系统软件基于 DOS 操作系统开发,系统管理的基本内存限于 640KB,
不能满足软件访问及存储数据的要求。为了避开 DOS 内存限制,开发系统使用“扩
充内存规范(EMS)”来保证软件能够访问更大数量的内存。软件中由 EMS 应用模
块实现这部分功能,主要包括以下步骤:计算机中 EMS 状态检测,扩充内存页分
配及句柄获取,逻辑页到物理页的映射,扩充内存页的读写操作,释放句柄所有
扩充内存页[41]。
第二章 电控开发系统的硬件设计
19
3.3 发动机控制系统软件设计
发动机控制系统直接控制高压共轨柴油机运行,是整个电控开发系统的“灵
魂”。油泵同步信号、发动机转速信号(角标信号)和共轨压力信号等信息是发
动机控制系统工作的基础,用于产生喷油器、PCV 阀控制信号的定时器硬件是其
指挥的执行者,高压共轨柴油机的整个控制流程如图 3-11 所示。
控制 PCV阀工作
计算当前缸主喷射喷油脉宽、喷油提前角
计算主喷射脉冲参数
判断发动机工况
预起动
起动
怠速
变速
超速
参数计算:目标轨压, PCV关闭角
不允许喷油
参数计算:目标轨压, PCV关闭角,
喷油模式,主喷喷油量、喷油定时
超速保护:PCV阀、喷油器停止工作
PCV_Close_Angle
ta, tz, t m
参数计算:目标轨压, PCV关闭角,
喷油模式,主喷喷油量、喷油定时
参数计算:目标轨压, PCV关闭角,
喷油模式,主喷喷油量、喷油定时
根据喷油模式计算当前缸辅喷射喷油脉宽、
喷油提前角,以及本次喷油延迟角
定时/计数卡初始化
中断服务初始化
外中断服务函数执行 计算油泵转速
判断多齿位置
计算本循环内发动机平均转速
判断此次同步是否为多齿
允许控制喷油器及 PCV阀工作
外中断源(同步信号)中断请求
不允许喷油及 PCV阀工作
确定 PCV阀、各缸喷油器的工作顺序
是
否
第二章 电控开发系统的硬件设计
20
图3-11 高压共轨柴油机控制流程图
3.3.1 发动机控制系统中断机制
发动机控制系统完成电控开发系统软件的发动机实时控制任务,其实现得益
于中断技术的应用。所谓中断,就是当 CPU 正常运行程序时,由于内部事件或外
部请求,引起 CPU 暂时中止正在运行的程序,转去执行请求中断的外设(或内部
事件)的中断服务程序,中断服务结束后再返回被中止的程序,这一过程称为中
断。中断过程分为中断请求、中断判优、中断响应、中断服务和中断返回五个步
骤。外设及其接口的中断请求分为边沿请求和电平请求,识别中断请求信号由低
到高或由高到低的跳变是边沿触发的请求,识别中断请求信号为高电平或低电平
是电平触发的请求。不同系统中断请求的方式是不同的,在应用中断技术时必须
调查清楚。电控开发系统的中断机制由工控机内 ISA 总线的中断控制线实现,其
中断请求方式为上升沿有效。
内中断服务函数执行
打开对应缸喷油信号通道
输出合成主喷射信号所需的各种脉冲信号
完毕
根据喷油模式输出辅喷射脉冲
发动机工况及共轨油压是否允许喷油
是
否
计算发动机喷油定时、角标计数参数
内中断请求
外中断2服务函数执行
外中断源(角标信号)中断请求
角标减1计数
利用最后三个角标信号计算发动机转速
余角转换成时间,延时发出内中断信号
第二章 电控开发系统的硬件设计
21
从前面论述得知,控制发动机运行只是电控开发系统软件的一部分工作,除
此之外软件还提供人机交互服务和信息采集、存储等服务。为了实现信息显示的
不断更新和信息输入的随时性,CPU 必须保持对软件人机交互系统的执行,因此
对于发动机控制,采用中断服务的方式来完成。
电控开发系统硬件中的 PS-2401 定时计数卡,提供了 3 个通道分别与 PC 机
ISA 总线中 IRQ3、IRQ4、IRQ5 三根中断控制线相连,通过这三个通道可以使 PC
机产生相应的中断,IRQ3、IRQ4、IRQ5 中断优先级依次降低。如图 3-11 所示,
油泵同步信号和发动机角标信号都是外中断源,油泵同步信号请求 CPU 执行中断
号 IRQ4 对应的服务函数,角标信号请求 CPU 执行中断号 IRQ5 对应的服务函数。
由于油泵同步信号与发动机工作时序相对应,同步信号中断服务函数执行
时,就可以建立起 PCV 阀控制、喷油控制的时间基准,并完成喷油定时计算等一
系列工作,由于 IRQ5 优先级别低,即使这个过程由角标信号发出中断请求,CPU
也不响应。同步信号中断服务函数完成喷油定时计算后,再允许中断 IRQ5 的请
求。之后,角标信号进入一次,IRQ5 对应的外中断 2 服务函数执行一次,完成
喷油定时控制,随后操作定时器发出上升沿信号到 IRQ3 对应的通道作为软件中
断(内中断)源。中断号 IRQ3 与内中断服务函数对应,响应内中断请求,完成
喷油控制。采用这种中断技术,满足了电控开发系统软件实时多任务处理的需求。
3.3.2 发动机工况判断及控制策略
软件根据操作指令、起动标志和发动机转速等,来判断发动机的运行工况,
包括预起动、起动、怠速、运行和限速等。
起动时发动机转速很低,气缸充气量较少,而且缸内压力和温度较低,导致
燃料雾化较差。此时喷入的柴油容易在燃烧室壁上形成油膜,难以充分燃烧,造
成起动过程中十分明显的黑烟排放,这是普通柴油机难以解决的一个问题。
在高压共轨柴油机中,可以通过实验确定起动时最佳的起喷转速条件、喷射
压力、喷油定时和喷油量,达到减少冒烟的目的。在起动过程中,发动机转速低
于 250rpm 或共轨压力低于 40MPa 时,定义为预起动工况,控制不喷油。同时根
据起动工况的最佳喷射压力值设定目标共轨油压,软件通过 PID 算法调节共轨油
压达到目标值(参见图 3-3)。当发动机转速高于 250rpm 且共轨油压达到目标值
后,软件进入起动工况,按起动喷油定时、起动喷油量实施喷油控制。通过这种
优化,高压共轨柴油机起动时间只需 2~5s,几乎看不到冒黑烟现象。
怠速工况最佳的喷射压力和喷油定时也需要通过实验来确定,怠速目标转速
可以预先设定,也可以根据实验需要随时调节,软件根据操作者指令进入怠速工
第二章 电控开发系统的硬件设计
22
况,控制共轨油压达到怠速喷射压力,喷油量由怠速 PID 算法计算得出,以控制
发动机稳定在怠速转速。
在运行工况,操作者可以任意调节喷射压力、喷油定时和喷油量,如果发动
机转速超过最高值或者出现其它异常情况,软件迅速进入限速工况,自动减少喷
油量和共轨油压,控制发动机停机。
在起动、怠速和运行工况,操作者可以选择单次主喷射、预喷射、后喷射或
多次喷射等多种喷油模式。根据第一章中的论述,电控柴油机应该根据工况选择
不同的喷油模式。在以后实验优化的基础上,软件可以根据发动机运行工况,自
动选择进入相应的喷油模式。
3.3.3 怠速 PID 算法
怠速 PID 算法用来自动调节怠速工况发动机的喷油量,其基础是怠速目标转
速和当前实际转速的偏差。软件中采用了增量式数字 PID 算法,取得了较为理想
的怠速稳定控制效果:
( ) ( ) ( )u kT u kT u kT TΔ = − −
)]2()(2)([)()]()([ TkTeTkTekTeKkTeKTkTekTeK dip −+−−++−−=
公式中:
e(kT):第 k次采样所获得的偏差;
T:控制周期,每个发动机循环实施一次怠速喷油量 PID 调节;
Kp:比例系数,Ki:积分系数,Kd:微分系数。
增量式 PID 具有如下几个优点:
1)增量式算法的输出量只与三个采样值有关,计算有误差或精度不足时,
对控制量的影响较小;
2)增量式算法可使积分饱和现象得到改善,超调量减小,过渡时间短,提
高系统动态性能。
3)当控制系统需手动与自动切换时,增量式易于实现无冲击切换[42][43]。
3.3.4 喷油模式控制
软件可以控制高压共轨柴油机在 6种喷油模式下工作:1)Ma:主喷射;2)
Pi-Ma:1 次预喷射+主喷射;3)Pi-Pi-Ma:2 次预喷射+主喷射;4)Pi-Pi-Pi-Ma:
3 次预喷射+主喷射;5)Pi-Ma-Po:1 次预喷射+主喷射+后喷射;6)Pi-Pi-Ma-Po:
2 次预喷射+主喷射+后喷射。软件中将主喷射之外的喷射定义为“辅喷射”。
发动机运行时,喷油模式可以随时切换。为了防止切换过程中,喷油模式相
第二章 电控开发系统的硬件设计
23
关参数调节不当造成不利结果,设计了一种保护机制,如图 3-12 所示。发动机
在某种喷油模式下运行时,软件人机交互系统显示当前喷油模式的信息,操作者
能够调节当前喷油模式的参数。操作者切换喷油模式时,软件先保存原喷油模式
的参数,发动机按原喷油模式及其参数运行。同时,软件进入喷油模式预设机制,
提示操作者预设的喷油模式,并显示其相关参数。在此机制下操作者调节参数时,
调节的是预设模式的相关参数,对原喷油模式(即当前发动机工作的喷油模式)
没有影响。操作者将所有参数设定妥当后,确认切换喷油模式,发动机随即按新
设定的喷油模式及参数运行,同时软件人机交互系统从喷油模式预设机制中返
回。
喷油模式预设完毕,确认喷油模式
喷油模式设置
喷油模式信息显示
喷油模式参数调节
发动机喷油控制 喷油模式预设
原喷油模式参数保护
主喷射控制模块
辅喷射1控制模块
辅喷射2控制模块
辅喷射3控制模块
图3-12 喷油模式控制机制
所有与喷油模式有关的控制均根据一个控制字来完成,软件不断检测该控制
字以判断当前的喷油模式,并根据不同的喷油模式进行相关信息显示,参数调节
限定等,以及进行喷油参数计算和喷油控制实施。主喷射及辅喷射控制由 4个独
立的模块完成,每个模块的任务包括计算喷油量、喷射脉宽、喷油定时,以及操
作产生喷油控制信号的定时器,软件根据喷油模式控制字组合调用 4个模块。
喷油模式控制开发完毕后,进行了调制测试。利用示波器和科海 KT100 A/P
型磁平衡式电流传感器,检测了各种喷油模式下喷油器控制信号和喷油器电磁阀
工作电流。各种喷油模式调制的参数设定值见表 3-1,测试结果见图 3-13。各参
数实测结果与设定值一致,验证了各种喷油模式喷油控制的准确性。
表3-1 喷油模式调制参数表
图
号
喷油模式
主喷
定时
主喷
脉宽
预喷 1
定时
预喷 1
脉宽
预喷 2
定时
预喷 2
脉宽
预喷 3/后
喷定时
预喷 3/后
喷脉宽
a Ma 0.71
b Pi-Ma -10 0.71 -50 0.20
c Pi-Pi-Ma -10 0.83 -50 0.20 -30 0.20
d Pi-Pi-Pi-Ma -10 0.83 -50 0.20 -30 0.20 -15 0.20
e Pi-Ma-Po -10 0.83 -50 0.26 5 0.20
f Pi-Pi-Ma-Po -10 0.83 -50 0.20 -30 0.20 5 0.20
* 备注:喷油定时单位:°CA ATDC,喷射脉宽单位:ms
第二章 电控开发系统的硬件设计
24
3.3.5 喷射脉宽控制和各缸喷油一致性修正
喷油控制信号的一个重要参数就是脉冲宽度,从本章前面论述可知,在一定
喷射压力下,喷油量和喷油控制脉冲的宽度成正比。
0 2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
电
流
A
时间 ms
喷油器电流
76A
0 2
0
2
4
6
8
10
12
14
0.71ms电
压
V
控制信号
0.3ms
2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
62.4A
电
流
A
时间 ms
喷油器电流
65.6A
2 4 6 8 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14 0.71ms
电
压
V
控制信号
0.20ms
间隔:6.64ms,39°CA
( b )
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
55.2A56.8A
电
流
A
时间 ms
喷油器电流73.6A
0.20ms
0 2 4 6 8 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
3.34ms,20°CA
电
压
V
控制信号0.20ms
间隔:3.32ms,19.9°CA
0.84ms
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
56A56A60.8A
电
流
A
时间 ms
喷油器电流69.8A
0 2 4 6 8 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14 0.83ms
0.84ms,5°CA2.5ms,15°CA
电
压
V
控制信号
0.20ms
3.32ms,19.9°CA
0.20ms 0.20ms
( c ) ( d )
( f )
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0.83ms
34.4A
53.6A54.4A
电
流
A
时间 ms
喷油器电流70.4A
0.20ms
0 2 4 6 8 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
2.52ms,15.1°CA3.34ms,20.1°CA
电
压
V
控制信号
0.20ms
3.32ms,19.9°CA
0.20ms
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
34.4A
58.4A
电
流
A
时间 ms
喷油器电流
65.6A
0 2 4 6 8 10
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
2.55ms,15.3°CA
电
压
V
控制信号0.26ms
间隔:6.65ms,40°CA
0.83ms
0.20ms
( e )
( a )
图3-13 喷油模式调制
第二章 电控开发系统的硬件设计
25
发动机运行工况 喷油量
第1缸喷油器喷油量特性 Map
第2缸喷油器喷油量特性 Map
第3缸喷油器喷油量特性 Map
第4缸喷油器喷油量特性 Map
当前工作缸喷射脉宽
第1缸脉宽修正量
第2缸脉宽修正量
第3缸脉宽修正量
第4缸脉宽修正量
当前做功缸
图3-14 喷射脉宽控制机制
如图 3-14 所示,软件根据发动机工况计算喷油量,同时根据发动机工作时
序判断当前做功的缸,然后查该缸喷油器的喷油量-喷射脉宽特性图(Map)得出喷
射脉宽。喷油器喷油量-喷射脉宽 Map 是利用法国 EFS 公司的单次油量及喷油规
律测量仪标定得来。
由于各缸喷油器固有的不一致性,以及喷油器 Map 标定环境与装发动机后实
际工作环境的差异,从多通道燃烧测试分析仪的测试结果发现存在各缸工作不一
致的问题,如图 3-15(上)所示,图中曲线代表 4 个缸的累计放热量,差异明
显。为此,在软件中增加了各缸喷射脉宽独立修正机制。通过独立调节各缸喷射
脉宽的修正量,使得各缸的工作趋于一致。图 3-15 中下图为修后的效果,可以
看出单个发动机循环中各缸累计放热量的差异明显变小。
利用这种各缸喷射脉宽独立修正机制,将不同喷油量下的喷射脉宽修正值写
入各缸的 Map,就能得到更准确、确保各缸工作一致的新 Map。因此这种机制可
以作为发展在线 Map 生成系统的基础。
图3-15 各缸工作一致性修正效果(上-修正前,下-修正后)
第二章 电控开发系统的硬件设计
26
3.3.6 喷油定时控制
喷油定时控制就是解决什么时刻开始喷油的问题。前面介绍过,油泵同步信
号中 4个均匀间隔的脉冲与发动机各缸的压缩上止点相对应,而且相位相对关系
在油泵装上发动机后就确定了,如图 3-16 所示。以压缩上止点前 176 °CA 出现
的同步脉冲作为该缸的喷油控制时间基准。实际开始喷油的时刻相对压缩上止点
的角度定义为喷油提前角,根据同步脉冲与压缩上止点的间隔、喷油提前角和喷
油响应延迟时间,可以计算出发出喷油控制信号的时刻与同步脉冲的间隔角度,
定义为喷油定时。
压缩上止点
喷油响应延时
角标信号
喷油定时
1 2
3
喷油提前角
Inj_Base_Angle (176° CA)
同步信号
喷油控制信号
图3-16 喷油定时算法
转速信号(角标信号)传感器安装在发动机飞轮壳上与齿圈对应的位置,发
动机每转一圈,产生 126 个角标信号。同步信号中断服务函数计算出喷油定时后,
利用角标信号间隔角度,将喷油定时转换成角标计数值,再允许角标信号中断请
求。角标信号中断服务函数由角标信号请求执行,每次执行时减 1计数。当角标
计数值减为 0时,利用前几个角标信号对应的定时器计数值计算出发动机转速,
由发动机转速将喷油定时的余角(如图 3-16 中角度 3)转换成时间。定时器计
时结束后,发出内中断请求,内中断服务函数执行喷油控制。
软件中还有另一种喷油定时控制机制,不需要角标信号的参与,直接由油泵
同步信号计