小型二冲程航空汽油电喷发动机电控系统的设计.pdf

小型二冲程航空汽油电喷发动机电控系统的设计张丁根,但永平,刘冲(中原工学院电子信息学院,河南 郑州 )摘要:针对小型二冲程发动机的电控系统进行开发研究,以S K E A Z 微处理器为控制核心,采用小型发动机控制芯片MC ,完成了发动机电控系统的硬件和软件设计.软件系统以曲轴位置传感器为核心,E C U分析处理传感器采集的数据并制定控制策略,控制发动机喷油点火.半物理仿真试验表明该E C U控制系统可根据外部传感器信号,准确控制发动机喷油点火,控制策略有效可行.关键词:二冲程发动机;电控系统;传感器;喷油点火中图分类号:T P D O I:/j c n k i d g j s D e s i g no fE l e c t r o n i cC o n t r o l S y s t e mf o rS m a l lT w oS t r o k eA e r oG a s o l i n eE l e c t r oI n j e c t i o nE n g i n eZ HAN GD i n g g e n,D ANY o n g p i n g,L I UC h o n g(S c h o o l o fE l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n,Z h o n g y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:F o r t h ed e v e l o p m e n t o f t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e mo f s m a l l t w o s t r o k e e n g i n e s,t h eS K E A Z m i c r o p r o c e s s o r i su s e da s t h ec o n t r o l c o r e,a n d t h eMC s m a l l e n g i n e c o n t r o l c h i p i su s e d t oc o m p l e t e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h ee n g i n ee l e c t r o n i cc o n t r o l s y s t e m T h es o f t w a r es y s t e mu s e s t h ec r a n k s h a f tp o s i t i o ns e n s o ra s t h ec o r e,a n dt h eE C Ua n a l y z e sa n dp r o c e s s e s t h ed a t a c o l l e c t e db y t h e s e n s o r a n dd e v e l o p s a c o n t r o l s t r a t e g y t o c o n t r o l t h e e n g i n e i n j e c t i o na n d i g n i t i o n T h e s e m i p h y s i c a l s i m u l a t i o ns h o w s t h a t t h eE C Uc o n t r o l s y s t e mc a na c c u r a t e l yc o n t r o l t h e e n g i n e i n j e c t i o na n d i g n i t i o na c c o r d i n gt ot h ee x t e r n a l s e n s o rs i g n a l sa n dt h a t t h ec o n t r o l s t r a t e g y i se f f e c t i v ea n df e a s i b l e K e yw o r d s:t w o s t r o k ee n g i n e;e l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m;s e n s o r s;f u e l i n j e c t i o na n d i g n i t i o n收稿日期:作者简介:张丁根(),硕士研究生,研究方向为电子系统设计与自动化装置;但永平(),副教授,硕士研究生导师,研究方向为嵌入式系统及其应用,纺织检测仪器与控制以及高性能计算的F P G A实现;刘冲(),硕士研究生,研究方向为电子系统设计与自动化装置.引言随着 中国制造 的实施,国家工业和信息化部装备工业司提出“大力发展航空发动机并鼓励在发动机领域不断提升自主创新设计水平和系统集成能力”.小型二冲程航空汽油发动机的优点在于其使用维护方便、体积小、结构简单、比重量轻、升功率高等 ,在无人机等小型航空飞行器上有着非常广泛的应用.此外,无人机因具有垂直起降、悬停、灵活性强等优点,因而在通信中继、抢险救灾、地质勘查、农药喷洒等方面具有很大的应用前景 .动力系统作为无人机的关键组成,其技术水平直接决定了无人机的发展和应用.随着电子技术和控制工程的飞速发展,发动机电控技术逐渐在小型二冲程发动机上应用.我国是世界上最大的无人机制造国,但是受到技术和使用成本的限制,发动机仍然采取国外进口或部分引进国外的技术制造,成为国内航空技术的难点和关键技术之一.目前,国内很多无人机急需国产的小型二冲程航空汽油电喷发动机及电控系统,而国内采用进口的电喷发动机,只对发动机电控系统的喷油系统进行研究,或对采用的二冲程发动机进行改造,然后进行电控系统的研究.完整的国产小型二冲程航空汽油电喷发动机及电控系统的研制成功,将解决我国对国外发动机装置依赖的问题,为我国发动机装置提供技术和保障.电控系统总体设计微控制器是电控系统的核心,发动机电控单元所处的工作环境相当恶劣,所以选用的主控芯片需要具有很高的抗干扰性、耐高温性和高稳定性 .由于发动机的运行控制需要多路传感器信号输入,同时需要多路控制信号输出到 执 行 器,因 此 本 文 选 用N X P系 列 的 微 控 制 器S K E A Z 作为发动机控制系统的核心,选用双缸小型发动 机 控 制 芯 片MC 作 为 驱 动 控 制 芯 片.S K E A Z 主频率高达 MH z,具有多个输出控制I/O口,A D C模块是一个 位模数转换器,具有多达 个通道;MC 驱动控制芯片具有个喷油器驱动器、个继电器驱动器、个可配置的前置驱动器,可直接控制相应I/O口驱动喷油器以及油泵,满足发动机电控系统设计的要求,并且减少了复杂的驱动电路设计,提高了电路的自动控制电工技术准确性和可靠性.小型二冲程航空汽油电喷发动机电控系统结构如图所示.图二冲程航空汽油电喷发动机电控系统框图发动机电控系统由电控单元、执行器以及传感器组成.其中,执行器包括油泵、喷油嘴、火花塞、启动电机以及怠速电机;传感器主要包括温度传感器、节气门位置传感器、进气压力传感器、氧传感器和曲轴位置传感器等.E C U对各外部传感器进行数据采集,主要包括温度、压力、曲轴位置、节气门位置和转速等信号.E C U对采集的数据进行分析处理,输出相应的控制指令驱动各执行器进行工作.电控系统硬件设计 点火驱动电路点火线圈是发动机的主要执行器之一,点火驱动电路如图所示.I G B T模块具有高输入阻抗、低导通压降的图点火驱动电路图优点,非常适合开关电路,这里采用I G B T来控制线圈的通断.C O I L OUT和C O I L OUT分别与点火线圈相连,当I G B T导通时,点火线圈开始充磁,充磁完成后开始点火.怠速电机驱动电路怠速电机是控制怠速的部件,根据发动机温度和负荷大小,改变发动机内空气通道的截面积,使发动机在不同条件下有最佳的怠速.L V MC是一个双通道低饱和电压的正反向电机驱动芯片,适用于 V系统产品.其左端为控制信号输入端,与E C U相连;右端为信号输出端,与怠速电机连接.怠速电机驱动电路如图所示.图怠速电机驱动电路图电控系统软件设计软件设计需要完成信息的采集与处理、工况的判断与综合策略的分析以及对各执行器的控制等.软件总体设计在整个系统的软件设计中,主程序流程如图所示.系统初始化,为各模块正常运行提供保障;A/D信号采集模块,对各传感器的信号进行采集;工况判断模块通过E C U综合分析传感器采集的数据信息,进行工况判断;之后根据转速和节气门开度在MA P图中查询,确定喷油点火参数,若在基本MA P图没有找到当前转速和节气门对应的喷油点火参数,则通过二维线性插值法根据基本MA P图中的数据计算当前喷油点火参数.图主程序流程图 发动机转速测量转速是发动机控制系统中的基本状态和控制参数,正确的曲轴位置信息为喷油提前角、点火提前角等参数提供电工技术自动控制基准,喷油和点火均在转速信号下进行控制,因此准确的转速信号是电控系统的关键.本文采用霍尔式曲轴位置传感器对发动机转速进行测量.转速测量流程如图所示.曲轴位置传感器的转速信号经过脉冲整形电路进入E C U捕捉通道,由F TM模块对其进行分析处理.本文采用测周期的方法测量转速,定时器频率为 MH z,将F TM模块的状态和控制寄存器设置为输入捕捉模式,并将输入捕捉设置为上升沿捕捉.输入捕捉通道一旦接收到脉冲信号上升沿就立刻产生中断,在中断中对曲轴信号进行分析.曲轴位置传感器产生脉冲信号,上升沿被捕捉时进入中断,立即清除标志位,记录此时F TM _C N T的数值为M,清空F TM _C N T计数器寄存器后进行循环.发动机转动一圈的计数值便是M,根据定时器频率便可计算出转速.图转速测量流程图 喷油点火控制策略发动机的控制策略中喷油控制和点火控制十分重要,喷油脉宽和喷油提前角是电控系统中的主要喷油参数.电控系统中采用电感点火方式,点火参数主要为点火充磁脉宽和点火提前角.发动机喷油点火控制示意图如图所示,曲轴位置传感器每隔 产生一个转速信号,在转速信号的基础上对喷油点火进行控制.图发动机喷油点火控制示意图图中,为曲轴位置传感器产生的脉冲信号上升沿对应的曲轴位置与发动机上止点位置信号之间的角度,为 曲轴转角,为喷油提前角,为点火提前角,T为喷油脉宽,T为点火充磁脉宽.其中、T、T是已知量.根据不同转速和节气门下的喷油提前角、喷油脉宽、点火提前角、点火充磁脉宽对应的角度,可以得到一个周期内从转速上升沿延迟的喷油角度f 和点火充磁角度f.设发动机当前转速为n(r/m i n),则:f ()f (n T)()电控系统半物理仿真试验发动机台架试验周期较长,试验所需成本较高,且如果电控系统不能按照设定程序对发动机进行控制,就会导致发动机无法稳定运行,严重情况可能会危及人身安全,所以在设计完成发动机电控系统E C U后,先对发动机E C U进行半物理仿真试验,对E C U硬件系统和软件系统进行测试,确保电控系统稳定运行.搭建的半物理仿真试验平台框图如图所示.图半物理仿真试验平台框图半物理仿真试验主要由信号发生器、电控系统、执行器、示波器和P C端组成.用信号发生器模拟发动机转速信号,电控系统采集信号,经过综合分析控制执行器工作.用示波器观察、比较输出的喷油脉宽、点火提前角以及转速之间的曲轴位置关系,喷油脉宽,点火充磁脉宽等.在进行半物理仿真试验时选取典型工况进行验证,用信号发生器产生的脉冲信号模拟发动机的转速信号,利用外部传感器电压信号模拟节气门的开度,其他传感器信号默认为一般状态.转速 r/m i n、节气门开度,转速 r/m i n、节气门开度 下,半物理仿真试验结果如图 所示,其中通道均为转速信号.图 r/m i n喷油与转速信号相位图图 r/m i n点火与转速信号相位图图 r/m i n喷油与转速信号相位图图 r/m i n点火与转速信号相位图自动控制电工技术由图可知,通道信号负脉宽为 m s,喷油信号低电平控制,即喷油脉宽为 m s,转速信号上升沿与喷油信号上升沿的相对角度为 ,曲轴位置传感器产生中断信号的位置与上止点位置之间为 角差.已知喷油信号负脉宽为 m s,信号频率为 H z,可得到喷油脉宽在曲轴中的角度为 ,根据喷油信号、转速信号、上止点信号之间的相位关系,得到喷油提前角为 .同理,可得到其他情况下的点火充磁脉宽、点火提前角、喷油脉宽和喷油提前角.设定值与实际仿真试验值见表、表.表转速 r/m i n、节气门开度 时设定值与仿真值对比参数设定值仿真值误差喷油提前角/()喷油脉宽/m s 点火提前角/()点火充磁脉宽/m s 表转速 r/m i n、节气门开度 时设定值与仿真值对比参数设定值仿真值误差喷油提前角/()喷油脉宽/m s 点火提前角/()点火充磁脉宽/m s 由表、表可知,喷油点火参数仿真值与设定值很接近,误差控制在以下,表明设计的发动机电控系统可以准确控制喷油提前角、喷油脉宽、点火提前角及点火充磁脉宽,发动机控制策略准确可行.结语本文设计了小型二冲程发动机的电控系统,并对电控系统进行了半物理仿真试验,试验结果表明该电控系统能够准确控制发动机喷油点火,验证了电控系统设计的有效性,这为后续发动机的台架试验打下了基础.参考文献 徐劲松,黄国勇航空活塞发动机电控硬件的模块化设计与实现J电子测量技术,():黄健,曹占国小型二冲程航空汽油机电控系统研究J小型内燃机与摩托车,():,王世峰某型二冲程航空煤油活塞发动机喷油控制策略的研究D南京:南京航空航天大学,王思奇小型航模二冲程煤油发动机缸内直喷技术研究D南京:南京航空航天大学,戴文正无人直升机自主着舰引导与控制技术研究D南京:南京航空航天大学,刘坤某型号航空汽油活塞发动机总体性能研究D武汉:华中科技大学,王英辉小型二冲程缸内直喷航空重油发动机电控系统开发及试验研究D杭州:浙江大学,王春丰,魏民祥二冲程煤油发动机电控单元的设计与试验研究J测控技术,():陈林林二冲程煤油发动机性能数值模拟与喷油控制研究D南京:南京航空航天大学,(上接第页)正常运行,保证乘坐电梯的人员的人身安全.元器件老化或连接故障的检验方法要改善电梯门回路传输电路的故障情况,必须对一些较陈旧的电子元器件加以更新,同时也必须组建电子元器件质量检查队伍,以强化对电子元器件陈旧状况进行质量检测.器件缺陷的检验方法在大部分时间内,电梯门回路的设备始终处在高强度运行中,很容易由于设备超负荷运行而出现异常.另外,有些元器件很可能在本身制造时就具有了相应的设备缺陷.所以,有必要对电梯门回路的设备缺陷检测手段加以改进.同时,还需要对基层的电梯门回路工作人员进行考察,掌握其安全意识状况,并针对各种状态开展专门的安全技术培训工作,从源头减少隐患的出现.而为了能构建起这样的一种安全检查体系,就必须对现阶段的元器件情况进行多次验证,对某些频频出现问题的元器件加强检验.结语近几年电梯出现故障的概率增大,参与电梯门回路检测工作的维修单位必须各司其职,把控好自身的职责,同时电梯门回路检测技术要求维护单位维修人员认真进行日常维修保养和校验,维护电梯的正常运转,为经济社会发展贡献力量.参考文献 李建军关于电梯门回路检测原理及检验方法研究J科技风,():王超电梯门回路检测功能原理、安全隐患及检验要点的探讨J中国特种设备安全,():谭对平关于电梯门回路检测原理及检验方法J科技创新导报,():陈伟林电梯门回路检测功能分析及检验方法J机电技术,():,刘晓楠电梯门回路检测功能的原理及作用与检验J数字通信世界,():,季敬能电梯门回路检测功能的作用与检验J中国电梯,():蔡思杰电梯门回路检测原理及检验案例分析J机电工程技术,():张志勇浅析电梯门回路检测功能及典型案例J质量技术监督研究,():电工技术自动控制