【文章內(nèi)容簡介】 高速電磁閥的研究、泵油量的控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開發(fā)、泄漏問題、各學(xué)科分工合作等還不怎么成熟和完善 [6]。目前相關(guān)企業(yè)正在致力于做一些共軌電控及其標(biāo)定系統(tǒng)研制開發(fā)、零部件的優(yōu)化調(diào)整、燃油特性分析和燃油系統(tǒng)的模擬計(jì)算等方面工作。 柴油機(jī)電控技術(shù)與汽油機(jī)電控技術(shù)有許多相似之處，整個(gè)系統(tǒng)都是由傳感器、電控單 元和執(zhí)行器三部分組成。在電控噴射方面柴油機(jī)與汽油機(jī)的主要差別長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 是，汽油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)只是控制空燃比 (汽油與空氣的比例 )，柴油機(jī)的電控噴射系統(tǒng)則是通過控制噴油時(shí)間來調(diào)節(jié)輸出油量的大小，且柴油機(jī)噴油控制是由發(fā)動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速和加速踏板位置 (油門、供油拉桿位置 )來決定的。柴油機(jī)電控技術(shù)有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：一是柴油噴射電控執(zhí)行器復(fù)雜，二是柴油電控噴射系統(tǒng)的多樣化。 柴油機(jī)的燃油噴射具有高壓、 高頻、脈動(dòng)等特點(diǎn)，其噴射壓力為汽油噴射的幾百倍，上千倍，要求有很好的可靠性和耐久性，而且柴油噴射對(duì)噴射正時(shí)的精度要求很高，相對(duì)于上死點(diǎn)的角度為止要求很準(zhǔn)確沒這就導(dǎo)致了柴油噴射的執(zhí)行器復(fù)雜得多。從控制對(duì)象看，從機(jī)械控制時(shí)機(jī)械調(diào)速器控制噴油量，機(jī)械式提前器控制噴射正時(shí)，到電子控制時(shí)，不僅控制噴油量，噴射正時(shí)，而且控制噴射速率，噴射壓力所感應(yīng)的工況由單一的轉(zhuǎn)速工況發(fā)展到感應(yīng)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和環(huán)境條件，這樣勢(shì)必帶來了控制復(fù)雜性。因此柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵是執(zhí)行器，也即是電控柴油及噴射機(jī)構(gòu)，各個(gè)國家都在致力于開發(fā)研制 各種類型的電控柴油機(jī)噴射機(jī)構(gòu)，以尋求最佳方案，這也是柴油機(jī)電控技術(shù)的難點(diǎn)所在。 論文研究的主要內(nèi)容 本文主要研究對(duì)執(zhí)行器的控制問題。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行器作為控制機(jī)構(gòu)，具有一定的時(shí)變性和非線性，控制效果將直接影響對(duì)齒條位置的控制。采用閉環(huán)控制有效的對(duì)齒條位置進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制的精度和準(zhǔn)確性。由于 PID 控制算法簡單，運(yùn)算量少，具有較強(qiáng)的魯棒性以及較高的控制精度，特別是穩(wěn)態(tài)精度高，具有很廣泛地適應(yīng)性。而且 PID 調(diào)節(jié)器是一種應(yīng)用十分廣泛而且成熟的工程控制方法。對(duì)已知的定常性受控對(duì)象，只要確定好響應(yīng)的參數(shù)，便 可以很好地發(fā)揮其調(diào)節(jié)作用，使控制對(duì)象輸出在期望值上。 所以本系統(tǒng)采用 PID 控制 ， 即簡單，又能達(dá)到控制精度要求。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第二章 方案論證 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)采用單片機(jī)對(duì)柴油機(jī)噴油泵 (BOSCH 噴油泵 )進(jìn)行控制，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油泵內(nèi)齒條位置的準(zhǔn)確控制，從而實(shí)現(xiàn)噴油量的準(zhǔn)確控制，完成軟硬件設(shè)計(jì)，主要技術(shù)指標(biāo)： 。 （齒條位移大于 1mm），響應(yīng)時(shí)間小于 40ms。 （齒條位移小于 ） ， 響應(yīng)時(shí)間小于 40ms。 機(jī)控制器通過 CAN 總線（控制器局域網(wǎng)）通信（該部分可選做）。 系統(tǒng)方案論證 近年來，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油系統(tǒng)電子控制采用使的發(fā)動(dòng)機(jī)突破傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)節(jié)的弱點(diǎn)，進(jìn)一步提高了噴油系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)能力。采用電子控制式當(dāng)前柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要方向。 單片機(jī)作為柴油機(jī)電子控制單元的核心，它具有體積小、集成度高、可靠性好、功耗低和實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于獨(dú)立控制場(chǎng)合。單片機(jī)技術(shù)推動(dòng)了發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，隨著電子控制單元中單片機(jī)從 4 位向 16 位發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)控制項(xiàng) 目也從簡單的噴油反饋控制發(fā)展到整機(jī)的 智能 控制，由于電子控制單元中單片機(jī)的功能和可靠性直接影響電控系統(tǒng)的性能，因此，選用功能較強(qiáng)的單片機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng) 具有 高性能的重要保證。 單片機(jī)的選擇論證 由于柴油機(jī)的電控系統(tǒng)的工作環(huán)境比較惡劣，不僅有柴油機(jī)工作時(shí)猛烈的振動(dòng)，還有高溫及電磁干擾及油污灰塵等的侵蝕，此外，柴油機(jī)的控制單元要求體積小、可靠性高、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元單片機(jī)的選擇上，必須考慮其具體使用環(huán)境和柴油機(jī)噴油控制的實(shí)時(shí)性，一般品種的單片機(jī)很難勝任。 ATMEL 公司的 8 位單 片機(jī)是國際主流機(jī)型之一，具有功能齊全、可靠性高、品種多、性能價(jià)格比高的特點(diǎn)，在家電、儀器儀表及 智能 控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，美國通用汽車公司， Caterpillar 公司等在其電控柴油 機(jī) 中都已采用該種單片機(jī)，取得明顯的效果。 ATMEL 系列 8 位單片機(jī)在汽車控制方面已成為一長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)選用的 AT89C51 單片機(jī)為 ATMEL 公司 80 年代末生產(chǎn)的增強(qiáng)微控制器，它采用 ? 高速 CMOS 技術(shù)制造，是目前最強(qiáng)的 8 位單片機(jī)，其主要特點(diǎn)如下： a． 低功耗、高速度； b． 有用戶可以 自行選擇的 4 種方式 ； c． 有豐富的 I/O 口，可簡化系統(tǒng)端口擴(kuò)展，從而提高系統(tǒng)的可靠性； d． 具有較強(qiáng)的定時(shí)器、脈沖累加器功能； e． 有 8 位 8 通道的 A/D 轉(zhuǎn)換； f． 有方便的串行通訊接口 SCI 和串行外設(shè)接口 SPI； g． 可靠性好、有計(jì)算機(jī)操作正常檢測(cè)系統(tǒng)和時(shí)鐘檢測(cè)系統(tǒng)； h． 有較強(qiáng)的指令系統(tǒng)，便于軟件編制； i． 具有 256 字節(jié)的片內(nèi) RAM 和 2K 字節(jié)的片內(nèi) 2E PROM。用戶可以根據(jù)需 要靈活定位； j． 采用普林斯頓的統(tǒng)一尋址方式，方便編制，簡化指令系統(tǒng) ； k． 單片機(jī)引腳功能介紹： 40 個(gè)引腳按引腳功能大致可 以分為 4 個(gè)種類：電 源、時(shí)鐘、控制和 I/O 引腳。 圖 21 單片機(jī)引腳圖 1． 電源。 （ 1） VCC芯片電源，接 +5V。 （ 2） VSS接地端。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 注；用萬用表測(cè)試單片機(jī)引腳電流一般為 0V或者 5V，這是標(biāo)準(zhǔn)的 TTL 電平，但是有時(shí)候在單片機(jī)程序正在工作時(shí)候測(cè)試結(jié)果并不是這個(gè)值而是介于0V~5V 之間，其實(shí)這只是萬用表反應(yīng)沒這么快而已，在某一個(gè)瞬間單片機(jī)引腳電流還是保持在 0V或者 5V的。 2． 時(shí)鐘。 XTAL XTAL2晶體震蕩電路反相輸入端和輸出端； 3． 控制線?？刂凭€共有 4 根： （ 1） ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編 程脈沖。 ① ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的 8 位地址； ② PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，在引腳輸入編程脈沖。 （ 2） PSEN：外 ROM 讀選通信號(hào)。 （ 3） RST/VPN：復(fù)位 /備用電源。 ① RST（ Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端； ② VPD 功能：在 Vcc 掉電情況下，接備用電源。 （ 4） EA/Vpp：內(nèi)外 ROM 選擇 /片內(nèi) EPROM 編程電源。 ① EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端； ② Vpp 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 4． I/O 線。 5． 89C51 共有 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個(gè)引腳。 P3 口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出的控制信號(hào)（屬控制總線） [7]。 傳感器選擇論證 車用柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)噴油泵的電控，其中噴油量的準(zhǔn)確控制是核心問題，而噴油量的準(zhǔn)確控制又是通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油控制系統(tǒng)的齒條位移傳感器電控單元（ ECU）和齒條位移執(zhí)行器等 構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，要進(jìn)行有效的控制，就要求傳感器檢測(cè)的當(dāng)前齒條的位置信號(hào)準(zhǔn)確無誤，因此對(duì)于齒條位移檢測(cè)所應(yīng)用的傳感器的選擇尤為重要。 噴油泵電控的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)控制由位移傳感器來監(jiān)視，并反饋到電子控制單元進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控位移傳感器的測(cè)量精度反應(yīng)速度，輸出噪聲，工作穩(wěn)定性等指標(biāo)直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的控制精度及控制品質(zhì)，所以要慎重應(yīng)用。 采用位移傳感器能使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油系統(tǒng)反饋的位移信號(hào)準(zhǔn)確度高，使整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)提供了有效的偏移量，整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。 位移傳感器的工作特性：位移傳感器又稱為線性傳感器，它 分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，超聲波位移傳感器，霍爾式位長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 移傳感器。 電感式位移傳感器是一種金屬感應(yīng)的線性器件，接通電源后，在開關(guān)的感應(yīng)面將產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近此感應(yīng)面時(shí)，金屬中則產(chǎn)生渦流而洗去了振蕩器的能量，使振蕩器輸出幅度線性衰減，然后根據(jù)衰減量的變化來完成 無接觸 檢測(cè)物體的目的。電感式位移傳感器具有無滑動(dòng)觸點(diǎn)，工作時(shí)不受灰塵等非金屬因素的影響，并且低功耗，長壽命，可使用在各種惡劣條件下，位移傳感器主要應(yīng)用在自動(dòng)化裝備生產(chǎn)線對(duì)模擬量的智能控制。 磁致伸縮線性位移傳感器 的工作原理：在工作時(shí)，由電子倉內(nèi)的電子電路產(chǎn)生一起起始脈沖，此起始脈沖在波導(dǎo)絲中傳輸時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了一沿波導(dǎo)絲方向前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)這個(gè)磁場(chǎng)與磁環(huán)或浮球中的永久磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，使波導(dǎo)絲發(fā)生扭動(dòng)，這一扭動(dòng)被安裝在電子倉內(nèi)的拾能機(jī)構(gòu)所感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖，通過電子電路計(jì)算出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間差，即可精確測(cè)出被測(cè)的位移和液位。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于要求測(cè)量精度使用環(huán)境較惡劣的位移和液位測(cè)量系統(tǒng)中。具有精度高、重復(fù)性穩(wěn)定可靠、非接觸式測(cè)量、壽命長、安裝方 便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。它的輸出信號(hào)是一個(gè)真正的絕 對(duì)位置輸出，而不是比例的或需要再放大處理的信號(hào)，所以不存在信號(hào)漂移或變值的情況，因此不必像其它液位傳感器一樣需要定期重標(biāo)和維護(hù)。正是因?yàn)樗妮敵鲂盘?hào)為絕對(duì)值，所以即使電源中斷重新接通也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)接收構(gòu)成問題，更無須重新歸回零位，與其它液位變送器或液位計(jì)相比有明顯的優(yōu)勢(shì)。它可廣泛的應(yīng)用于石化工、制藥、食品、飲料等行業(yè)，對(duì)各種液罐的液位進(jìn)行計(jì)量和控制。作為位移傳感器，它不但可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的直線位移，而且還可同時(shí)給出運(yùn)動(dòng)物體的速度模擬信號(hào)。 電渦流傳感器是由 DJ 型前置放大器的電渦流探頭組合構(gòu)成，它使一種趨近式傳 感器系統(tǒng)。由于其長期工作可靠性好，靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，采用非接觸測(cè)量，響應(yīng)速度快，耐高溫，能在油、汽、水等惡劣環(huán)境下長期連續(xù)工作，檢測(cè)不受油污、蒸汽等介質(zhì)的影響，已廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、鋼鐵、航空航天等大中型企業(yè)，對(duì)各種旋轉(zhuǎn)型機(jī)械的軸位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、漲差、偏心、油膜厚度等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)，為精密診斷系統(tǒng)提供了全息動(dòng)態(tài)特性，有效地對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。電渦流位移傳感器系統(tǒng)主要包括探頭、延伸電纜（可選）、前置器和附件。線性范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、抗干擾能力強(qiáng)。電渦流傳感器是以高頻電渦流效應(yīng)為原理的非接觸 式位移傳感器。前置器內(nèi)產(chǎn)生的高頻電流從振蕩器流入探頭線圈中，線圈就產(chǎn)生了一個(gè)高頻電磁場(chǎng)。當(dāng) 被 側(cè)金屬的表面靠近該線圈時(shí)，由于高頻電磁場(chǎng)的作用，在金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，即電渦流。該電流產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，方向與線圈磁場(chǎng)相反，這二個(gè)磁場(chǎng)相互疊加就改變了原線圈的阻抗。所以探頭與被測(cè)金屬表面距離的變化可通過探頭線圈阻抗的變化來測(cè)量。前長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 置器根據(jù)探頭線圈的阻抗變化輸出一個(gè)與距離成正比的直流電壓 [8]。 目前。全球的傳感器市場(chǎng)在不斷創(chuàng)新的變化中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢(shì)。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提 高，各國將競(jìng)相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場(chǎng)，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。 由于 BOSCH 直列式噴油泵 6DE2 柴油機(jī)內(nèi)部自帶電感式傳感器，所以本系統(tǒng)采用的是電感式傳感器。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 車用柴油機(jī)電控技術(shù)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)噴油泵的電控，其中噴油量的準(zhǔn)確控制是核心問題，而噴油量的準(zhǔn)確控制又是通過柴油發(fā)動(dòng)機(jī)電控噴油控制系統(tǒng) 的齒條位移傳感器、電控單元（ ECU）和齒條位移執(zhí)行器等構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，要進(jìn)行有效的控制，就要求傳感器檢測(cè)的當(dāng)前齒條的位置信號(hào)準(zhǔn)確無誤，因此對(duì)于齒條唯一檢測(cè)所應(yīng)用的傳感器的選擇和 AD 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)尤為重要。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 31 柴油機(jī)位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)以 BOSCH 直列式噴油泵 6DE2 柴油機(jī)為對(duì)象，噴油泵噴油量的大小通過噴油泵齒條位移運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。 圖 32 為齒條位移示意圖，噴油泵體內(nèi)的泵油元件是噴油泵、柱塞和套筒組成。噴油泵體的上不是吸油腔，吸油腔通過 2 個(gè)小進(jìn)油孔與壓油腔相連。當(dāng)柱塞向上移動(dòng)蓋過吸油腔的進(jìn)油孔時(shí)，噴油泵即開始供油；當(dāng)柱塞的斜坡形控制邊緣與進(jìn)油孔相 遇時(shí)，更停止供油。位于柱塞之上的壓油腔經(jīng)柱塞上的垂直槽與吸油腔相通，于是供油終點(diǎn)以及所供的油量隨著油泵柱塞的移動(dòng)而產(chǎn)生變化?？傊?，每個(gè)柱塞位置所對(duì)應(yīng)的噴油量同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩有一定的比例關(guān)系，與螺旋線成一定角度即對(duì)應(yīng)一定的噴油量。噴油泵內(nèi)柱塞的旋轉(zhuǎn)是通過齒條的位移實(shí)現(xiàn)的。 系統(tǒng)中推動(dòng)齒條運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器采用的是德國 BOSCH 公司的電磁式執(zhí)行器。