发动机综合测控系统

只看该作者 · 2019-8-3 09:26

发动机综合测控系统
发动机被喻为汽车的心脏，对汽车的性能有着决定性的影响。除了从结构设计、制造工艺和电子控制等方面对其进行改进优化外，有关性能及可靠性的测试工作也对发动机的性能起到了至关重要的作用。发动机测试系统是对发动机的各类性能及可靠性进行测试的主要手段。本研究在实验室现有的软硬件条件基础上，设计了一套以STM32芯片为核心，基于参数自整定模糊PID控制算法的发动机综合测控系统。首先，本文针对当前国外关于发动机测试的相关研究现状作了详细的介绍，对目前国内各研究机构及高校的研究成果进行了对比和列举，并在此基础上阐述了本研究所做工作的内容和意义。其次，本文对系统的物理设备组成及相应的工业要求做了初步介绍，对系统需要实现的测试项目、相关的测试参数、相应的控制参数以及需要达到的测试标准进行了细致的说明;将系统物理结构简化为测功机、发动机及其联动装置的组合体，并对此进行了数学建模分析;在综合分析各类先进控制算法优缺点的基础上，完成了参数自整定模糊PID控制器的设计，并应用MATLAB软件进行仿真检验。然后，本文完成了测控系统中央控制器的硬件电路设计，包括系统供电电路、STM32芯片的外围功能电路、油门执行器驱动电路与电涡流测功机驱动电路以及温度、压力、转速、转矩等性能参数的采集调理电路，并对系统硬件可靠性设计方面所做的工作进行了较为详细的归纳总结。

只看该作者 · 2019-8-3 09:31

AVL的产品多以测功机为基础，针对不同测试项目，通过将软硬件子系统相互组合的方式搭建成相应的发动机测控系统。同时AVL公司产品还向用户提供自定义功能和多种数据处理功能，基本能满足用户在发动机测试项目上的所有要求。AVLPUMAOPEN系统[f6l是AVL公司最新的试验台控制和数据采集管理系统，是一个集成度很高的测试平台，能够集成绝大部分的发动机测试设备，包括排放系统、燃烧分析系统、ECU应用及优化工具以及各类辅助测试设备等。为了更好的实现各种综合性能的测试，该系统采用实时控制的方式对试验台架、辅助优化系统等进行统筹控制。图1.1为该系统提供的功能模块。

只看该作者 · 2019-8-3 09:32

   (1>系统总体设计。深入分析系统的功能原理，对其物理结构组成进行设计;综合掌握
STM32芯片的性能特点;明确系统需要实现的测试项目、相关的采集参数和相应的控制系数，
规定需要达到的测试标准。
   (2)控制算法设计。对系统的主体结构进行数学建模分析;综合了解各类先进控制算法
的优缺点，完成参数自整定模糊PID控制器的设计，并通过MATLAB软件进行仿真检验。
   (3)硬件电路设计。主要完成测控系统中央控制器的硬件电路设计，包括系统供电电路;
STM32芯片的外围功能电路，如时钟与复位电路、通信接口电路和仿真接口电路等;油门执
行器驱动电路与电涡流测功机驱动电路;温度、压力、转速、转矩等主要信号的传感器选择，
以及相应的信号采集调理电路。
   (4)下位机软件系统设计。主要完成测控系统中央控制器的软件功能实现，包括主程序
的流程设计，算法控制器的逻辑实现，PWM子程序、ADC子程序以及通信子程序的功能设
置和相关函数调用。
   (5)上位机人机界面设计。选用北京昆仑通态公司的TPC系列触控屏，基于MCGS嵌
入式组态软件完成上位机人机交互界面的制作。

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发动机试验在整个发动机制造过程的前中后期都扮演了十分重要的角色，对产品的质量、性能、使用寿命都有着举足轻重的作用。无论是新产品的设计开发，还是现有产品的改造升级，都离不开试验环节的检验。发动机试验是验证发动机设计思想是否正确，确认设计意图能否实现，以及产品质量性能是否符合要求的重要保证。本章将从测控系统的物理组成结构以及相关测试项目和测试标准等方面对其进行详细的介绍说明。

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发动机综合测控系统是发动机试验的主要手段之一，其按照不同的试验类型和实际要求，通过控制相应的设备、仪器等装置，对发动机进行多种特性试验，采集并反馈相关的转速转矩、进排气温度、进排气压力、机油温度、机油压力、冷却水温度等数据。整个系统主要由中央控制器、试验台架、测功机以及辅助系统组成，具体结构如图2.1所示。

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中央控制器以STM32F103VCT6芯片为核心，包括了STM32的外围功能电路，与上位机的通信电路，信号采集调理电路以及相关硬件的驱动电路。其结构原理如图2.2所示。

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STM32F103VCT6芯片使用高性能的32位ARMCortex-M3内核，工作的最高频率可达72MHz，内置256k字节的高速闪存和48k字节的SRAM;3个16通道的12位模数转换器，采样频率可达1MHZ，具有双采样和保持功能;8个定时器，可以输出总计30路PWM控制信号;12个通信接口，具有丰富的通讯功能选择。上位机选用北京昆仑通态公司的TPC系列触控屏，主要实现实时数据的显示与保存、前端数据的处理与控制，并通过MCGS组态软件完成人机界面的按键、数字、图表等内容设计。

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试验台架是测功机、发动机以及相关联动部件的安装场所。由于发动机在进行性能测试时会产生较大的振动，试验台架安装基础的设计好坏，对整个测试结果的质量将产生很大的影响【16]。试验台架的设计有如下几个要求:}1}台架基础需要有足够的重量，以保证试验台架的振动降到最低限度。由经验得出，每千瓦额定功率所需要的台架基础重量一般为40-120千克。(2)台架底座和其上的结构部件材料必须有足够的刚性，以避免试验台架在强烈振动下产生挠性变形。同时还应该注意结构部件的谐振频率不能与发动机运转时产生的振动频率相同。(3)台架基础附近应该采用有效的隔离手段以减少振动能量的向外传递。通常采取的办法为在混凝土基础下面垫一层黄沙，或是在其四周开凿出隔离沟。更有效的措施是在基础下方设置橡胶减震器，但在成本方面则要高出许多。

只看该作者 · 2019-8-3 09:54

测功机是发动机综合测控系统的重要组成设备。在发动机试验过程中，它能够吸收发动机做出的功，通过调节发动机的转速以及工作载荷的大小，使发动机运行在各个模拟工况下，同时测量发动机在不同设定运行状态下的转矩、功率等性能参数。当前，在发动机测试领域应用较为普遍的是吸能式测功机。由于其测功机外壳通过轴承支撑在支架上，工作时在外力作用下能够来回转动，因而也被称为摇摆式测功机。这类测功机按照功率传递介质的不同，通常可以分为电力测功机，水力测功机和电涡流测功机等

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(1>电力测功机电力测功机是利用转子与定子间的磁通作为介质来传递功率。根据所使用电机的不同可以分为直流电力测功机和交流电力测功机【‘“]。它们与电机最大的不同是将定子外壳制成了摇摆式结构。电力测功机技术起步较早，发展至今己较为成熟。其既能拖动发动机运转，也可以作为负载运转，应用范围较广，但结构复杂，惯性大，价格昂贵。

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(2)水力测功机水力测功机的外壳制成摇摆式，内腔流水，由发动机带动转轴搅动水，使水获得动能再依靠摩擦力将力传给外壳，最后通过装有精密拉压力传感器的载荷单元来平衡外壳上获得的力。水力测功机传递动能的大小一般由腔内的水量决定。水在动能传递过程中要产生热量，所以水要不停流动，以便将热能带走。因而水力测功机的机械结构较为复杂，噪音较大，且稳定性、经济性都较差，己逐渐被内燃机测试领域所淘汰。

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(3)电涡流测功机电涡流测功机利用涡流损耗的原理，将被测功率产生的电涡流变成热能，再通过循环水吸收热量，达到吸收发动机功率的目的。电涡流测功机具有机械装置简单，控制与操作容易，惯性低、测量精度和稳定性高等特点，同时兼有较宽的输入转速范围和功率范围，较好的低速制动性能，较小的功率消耗，并且价格较为低廉，使用维护方便，在自动控制领域拥有很高的使用率。其具体组成如图2.3所示。

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图中，1为感应子，2为转动轴，3为联轴器，4为励磁线圈，5为冷却器，6为空隙，7为出水管道，8为油杯，9为测速齿轮，10为轴承座，11为进水管道，12为支撑环，13为外环，14为管道。

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电涡流测功机的结构大体上可以分为三个部分:旋动部件(感应子)、摆动部件(电枢和励磁绕组)以及测量装置[}20}。感应子安装在转动轴上，其外观与普通的齿轮相似。励磁绕组上电后，其周围会感生出磁场。磁感应线从感应子与转动轴铁芯间的空隙中穿过，形成一个闭合的曲线。当感应子和转动轴一起旋转时，两者间隙中的磁通会随之开始周期性的变化，进而于涡流环孔壁表面及一定深度范围内感应出电动势，形成电涡流。同时该电涡流又会感生出新的磁场。两个磁场相互作用便产生了制动扭矩，使摆动部件转动，带动与摆动部件相连的力臂，并通过力传感器感应得到，从而完成转矩的检测。此外，转速的检测一般使用磁电式转速传感器[fall。其具有结构简单、安全可靠、测量精度高、测速范围广的优点。

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辅助系统主要包括油耗测量装置、各类温度监控装置以及排风排气冷却安全设备等。油耗指发动机的单位有效燃料消耗量，用于评定发动机的工作效率以及燃油经济性，一般通过油耗仪进行测量。在发动机测试过程中，测功机吸收发动机的输出功率，将其全部转化成热能损耗，同时发动机的长时间运行也会导致其内冷却水、燃油、空气的温度逐渐增高，因此基于保证发动机测试稳定性和可靠性的要求，必须提供专门的水温油温气温控制装置以及冷却排风装置。此外，考虑到发动机运行时会排放出大量的高温有毒气体，为了确保试验场所内的空气安全，还需要安装相关的排气系统。

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发动机综合测控系统主要实现的功能可以分为控制、采集、显示、监控，具体如下:(1>通过对控制参数的设定，实现发动机负荷和油门的自动控制，使发动机在各个工况下正常工作，为发动机试验创造符合要求的条件。(2>精确快速采集发动机在各个设定工况下稳定工作的性能数据，主要有冷却水温度、机油温度、进排气温度等温度参数，进排气压力等压力参数和转速、转矩参数等。(3)将实时采集到的运行参数以数字或图像曲线的形式通过人机界面显示。(4)在整个测试过程中，实时监控发动机的运行状态，当出现超速，冷却水、机油以及进排气温度过高，机油压力与进排气压力过低等异常情况时，及时启动报警与保护功能，并在必要时采取自动停机。

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发动机综合测控系统主要在不同的工况负荷下，对发动机的动力性、可靠性和排放性能进行测试，以确定发动机在特定环境下的工作性能参数，为设计、改进、生产提供数据依据。发动机性能测试的主要项目包含:功率测定试验、负荷特性试验、速度特性试验、万有特性试验以及其他性能试验等【8]0}1}功率测定实验。该试验测定发动机的主要性能指标包括最大功率，相应的最大转速、最大转矩及最低燃油消耗率等参数，评定了发动机全负荷下的动力性能。(2)负荷特性试验。该试验测定发动机在转速保持不变的前提下，不同负荷所对应的功率、转矩以及燃油消耗量等数据，评定了发动机工作效率以及燃油经济性。(3)速度特性试验该试验测定发动机在稳定运行中，当负荷保持不变时，其转矩、功率、比耗油等性能参数与转速之间的对应关系，评定了发动机的动力性和经济性。(4)万有特性试验。

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只看该作者 · 2019-8-3 10:00

油门执行器与发动机直接相连，是整个发动机测控系统中的重要环节。它将中央控制器给出的电信能转化为机械能，达到对发动机进行调控的目的。由于油门执行器经常工作在高温高振动的环境下，其可靠性和准确性对整个发动机速度控制有着非常直接的影响。按照执行电器性质的不同，油门执行器主要可以分为:电磁式执行器、电液式执行器、电机式执行器以及气动式执行器。电磁式油门执行器主要通过比例电磁铁的电磁力驱动使油门位置发生改变，并依靠弹簧的回力复位，具有结构简单、控制方便，响应速度快的优点。但由于元器件间的摩擦损耗较大，系统的动态性能受到了影响。电液式油门执行器主要由数字控制式液压缸组成，通过电磁阀调节进出油的流量形成不同程度的液压力，从而驱动活塞作进程运动，而回程运动主要依靠回位弹簧的动力。它的优点是控制精度高，响应速度快，功率消耗较低，缺点在于结构较为复杂，且由于动力源为液体，因而受环境温度影响较大。气动式油门执行器是通过调节执行器气缸内的气压大小来控制气动活塞的运动，达到控制油门开度的目的。但由于对发动机等工作装置的冲击力较大，严重影响了设备的使用寿命。本文采用的是电机式油门执行器，执行部件选用两相式步进电机，通过将电脉冲信号转化为对应的角位移或线位移来实现油门位置的移动。步进电机的环境抗干扰性较强，基本不受温度、压力、振动等因素的影响，且其步距角和转速仅与脉冲信号的频率相关，不会随电压波动和负载的变化而变化，具有较强的可靠性和稳定性。步进电机的驱动电路按照电机线圈中电流的方向不同可以分为单极性驱动电路和双极性驱动电路。单极性是指电机线圈中电流的方向是固定的。其驱动电路需要使用四个功率管驱动电机的两组相位。双极性是指步进电机线圈中电流的方向不是固定不变的，时而朝某一方向流动，时而向相反方向流动。其驱动电路需要使用2组8个功率管驱动电机的两组相位[[43]0单极性驱动电路的结构较为简单，但在输出力矩和稳定性方面要弱于双极性驱动电路。综合考虑后，本文决定采用双极性全桥驱动电路对油门执行器的二相步进电机进行驱动。驱动芯片选用LM5109，下图为A相全桥驱动电路左半部分。

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