发动机电控的柔性开发系统研究

发动机电控的柔性开发系统研究

张书杰

广西玉柴机器股份有限公司 广西玉林市537000

摘要：电控是解决发动机排放、燃料经济性及动力性问题的重要手段。基于此，本文重点论述了发动机电控的柔性开发系统。

关键词：发动机；电控；柔性开发系统

发动机电控系统主要由传感器、电控单元(ECU)、执行器组成。电控开发系统通过实时采集发动机运行参数及显示电控单元的控制参数来可视化电控系统的工作过程，完成电控系统软硬件的调试和匹配，实现控制参数的在线修改，达到按预定目标与约束条件优化电控系统的目的。

一、发动机概述

发动机是一种能把其它形式的能转化为机械能的机器，包括如内燃机(往复活塞式发动机)、外燃机(斯特林发动机、蒸汽机等)、喷气发动机、电动机等。发动机既适用于动力发生装置，也可指包括动力装置的整个机器。其最早诞生在英国，所以发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。

二、电控柔性开发系统原理

发动机电控开发系统的研究包括系统硬件参数标定及优化技术的研究。当前，德国SCHENCK公司、奥地利AVL公司在发动机标定技术方面处于领先地位，其使用分层标定控制系统，最底层是用于测量相关参数的发动机、测功机和周边设备；第二层是测量控制装置，负责底层设备的数据测量、参数设定及控制，主要由高性能单片机承担；最高层是自动优化系统，由PC机完成，承担测试数据的优化处理。测量控制系统和ECU采用CAN或K-Line总线，与自动优化系统的连接采用专用ASAP3接口，两者都属于串行通信网络，但传输速率高于RS232，抗干扰能力强。

本文所研究的开发系统是一个三层结构，数据缓冲智能接口板(通信控制器)负责上层优化系统与下层控制器和传感器间数据缓冲及通信，是开发系统的核心。通过EISA总线与PC机连接，并通过串行通信与下层通信；控制器及传感器由单片机控制，实现智能测控。开发系统和发动机测试台是一个有机的整体，测试过程根据一定的优化算法控制。

该系统具有以下功能：①设置自动优化标定的优化目标；②实现发动机运行参数及ECU控制参数的实时采集和显示，监测发动机运行状态；③在线修改ECU中的控制参数，而不影响发动机的正常运转，以便发动机能根据修改后的控制数据(喷射和点火提前角的MAP图等)运行；④发动机可通过计算机控制加载及调节节气门，实现不同工况的负载调整及控制。

三、系统硬件组成

开发系统的硬件组成为：高性能PC机是开发系统顶层，负责数据处理及优化。

中间层是一个带有89C52单片机与64K随机存储器(RAM)的智能监控接口板，专门负责数据缓冲、处理、通信；智能监控接口板还包括16路数字量输入及输出，用作PC机的外设。智能监控接口板实际上是插入计算机中且包括上述功能的接口卡。

作为底层，有ECU、油耗测量系统、排放仪接口、测功机测控及其他相关参数测试设备。为减少上两层主机工作量，均自带单片机，能实时接收上两层传输的数据，完成其测量及控制功能。PC机与电控开发监控板间有较多的数据交换，因此，64K RAM采用共享方式，PC机可分时使用它作为外存及单片机的内存使用，避免了PC机和底层间耗时的串行通信，实现了数据的并行交换，减少了通信占用主机CPU的时间，使主机能专注于数据处理及系统优化，实现良好的实时响应。电控监控板上的单片机作为主机，与下位机串行通信，负责下位机各单片机的扫描数据采集及控制命令输出，起到通讯和控制作用。它与下位机间采用了相当于RS-232C的串行通信规范，并在此基础上自定义了数据格式及命令，以提高其通信效率。若系统进一步扩展，现场总线结构(如CAN总线)将具有更高的通信速率。

上位机先将存储在硬盘中的MAP和加载的初始数据调入共享RAM中，并将共享RAM中的数据发送到下位机，下位机(第三层子系统)根据相关数据及命令工作，完成各种参数的采集控制，并将采集的数据发送到共享RAM中。在运行中，PC机不断从共享RAM中读入数据，优化参数，然后将相关数据写入共享RAM中，实现在线修改扩展(共享)RAM中的数据，并实现优化标定。同时，优化的MAP图存储在硬盘中，用于控制电控单元MAP。

系统底层分为两部分：ECU和传感器；连接到测功机及发动机的测量和控制单片机组，包括油耗测量、排放测量、测功机测量、加载等。

ECU完成与发动机相关的传感器信号的采集，如转度、节气门位置、进气压力及温度、水温等。在优化标定中，ECU根据PC机优化结果直接控制发动机，并将采集的信息发送到智能监控接口板。

油耗测量采用称重式油耗仪，称重传感器为3kg，精度为0.05%，传感器信号送至#00H单片机系统，信号经两级放大后，经多路模拟开关与AD574转换后，送至单片机处理。然后，处理后的数据通过串行口传输到主机中特定为油耗仪分配的共享RAM中。

#01H单片机系统负责FGA4000型排放仪与智能监控接口板间通信，与排放仪通信必须符合其固有的通信协议，所以使用了两片AT89C52单片机，其中一片通过其串行口连接到排放仪，另一片作为从机连接到智能监控接口板，这两片单片机并行传输数据。

#02H与#03H单片机系统位于同一板上，#02H单片机测量测功机的扭矩及转速，并将其送回共享RAM。#03H单片机完成测功机加载，通过串行通信从主机获取所需加载量参数，并以PWM模式控制电涡流测功机的励磁线圈，以实现负载控制。该方法简单可靠，效果优于可控硅控制。

原理上，该系统能无限扩展，但可预见，如第三层系统的数量进一步增加，第二层和第三层间通信负载太大，这将影响系统的实时响应性能。

四、系统软件设计

在软件方面，一方面是PC机的主要控制程序，实现电控系统整个标定过程的数据处理优化；另一方面，与硬件系统配合编程，以实现每个设备的预定功能及PC机、主单片机和每个单片机系统间的通信。

具体控制软件包括：①PC机自动标定程序，以实现标定过程的程序化、数据处理及优化。②PC机主控程序用于显示及存储发动机和测功机相关参数，实现与监控板主机单片机的数据共享，并在线修改及存储控制参数。③监控板主单片机与ECU和其他从机间的数据传输及数据存储程序，即主机与从机间多机通信中的主机通信程序。④测功机加载单片机系统的两单片机采集转速及扭矩数据，加载测功机程序，以及两者与主机间的通信子程序。⑤油耗测量单片机系统的数据采集程序和与主单片机串行通信子程序。⑥排放测量单片机系统中，单片机与排放仪间串行通信程序及主单片机间串行通讯子程序。每个单片机系统功能相对简单，易于实现。该系统的监控软件也相对简单，无复杂的通信过程，主、从机单片机系统间采用扫描式主从串行数据通信。

五、开发系统的应用

利用该开发系统，对汽油、二冲程发动机、LPG和CNG发动机的电控喷射系统进行了软硬件开发研究，并在部分工况下进行了发动机台架标定试验。该开发系统能在人工辅助监控下实现电控系统软硬件的开发调试及喷油脉宽、点火触发信号提前角(ECU向点火驱动电路发送断电信号时的提前角)的标定。

表1显示了LPG气态喷射期间点火触发信号提前角的一次标定过程的一些数据(在具有L形燃烧室的170F发动机的怠速条件下)，在测试中，根据正常点火提前角(原磁电机点火提前角为15°BT-DC)调整，将发动机转速调整到尽可能接近原机怠速转速，此时，稳定转速略高于原机(燃烧汽油时)，然后只调整点火触发时刻，其他条件保持不变。

表1   点火触发信号提前角一次优化标定过程数据

ECU检测上止点前的位置信号，根据工作条件确定点火触发信号提前角，并给出点火延时与信号。优化标定系统根据预设改变点火延时数，并记录转速及HC、CO、NOx的排放值。1个延时单位时间为25μS，位置信号提前角为52.7°，因此点火提前角计算为：

θig=52.7-m×n×25×10-6×360/60

式中：m为延时数；n为转速。

由此可见,该系统具有较好标定效果。

参考文献：

[1]张云龙.发动机自动化性能试验及标定系统[J].清华大学学报(自然科学版),2016,41(08):25-34.