发动机综合测控系统

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电涡流测功机的工作原理主要可以概括为以下三点[[44-46],}1}电涡流的形成:当直流电通过励磁线圈时，感应子、涡流环等部件周围产生了闭合的磁通线。由于感应子的周围分布有均匀的齿槽和空气间隙，因而此磁通线疏密相间。当感应子被原动机带动着旋转时，气隙内的磁通随之发生周期性变化，在涡流环孔壁表面及一定深度范围内便感生出涡流电势，从而形成了电涡流。(2)摆动部件的偏转:该电涡流所形成的磁场又与气隙磁场相互作用，产生了制动转矩，从而使摆动部件转动，带动与摆动部件相连的力臂，并通过力传感器检测和输出，达到测量扭矩的目的。在励磁磁场中，当感应子转动时，电涡流受到的磁场力的方向与感应子转动的方向相同，同时在涡流环对应的齿槽上又受到方向与感应子转动方向相反的力。由于磁场力大于齿槽所受力，因而涡流环所受合力方向与感应子转动方向相同，从而使摆动部件向感应子转动方向偏转。(3)制动转矩的测量:摆动部件在随着感应子转动的同时，也对感应子产生制动转矩，使得感应子能够以一定的速度稳定转动。通过压力传感器采集测力臂上的压力信号，经过后续的数据计算处理，可以测得制动转矩的大小。由上述测功机的工作原理可以知道，通过改变测功机励磁电流的大小即可实现测功机吸收转矩的控制。

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上图中，中央控制器输出的PWM2控制信号，经过TIL117光祸隔离，输入到LM311比较器中。这里的TIL117主要起了隔离电压波动信号，保护主控电路免受信号干扰的作用。LM311反向输入端接收光祸隔离器输出的SV高电平信号，输出规则稳定的方波脉冲信号。此脉冲信号又经过R32电阻反馈到比较器的正向输入端，构成滞回电压比较器，能够对输入的脉冲信号进行整形调节。其中R33,R41为分压电阻，R35为限流电阻。当中央控制输出的PWM2为高电平时，TIL,117导通并输出高电平，比较器输出低电平，从而使晶体管Q1截止，晶体管Q2导通，晶体管Q3处于工作状态，向励磁绕组输出励磁电流;反之若PWM2为低电平，则励磁绕组中没有励磁电流通过。因此通过改变PWM2信号周期内高电平的时间(即控制其占空比)，就可以达到控制励磁电流，进而改变测功机输出负载的目的，实现发动机的各种工况模拟。

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本文设计的发动机综合测控系统，主要采集的参数包括温度(环境温度、机油温度、冷却水温度、排气温度)、压力(机油压力、大气压力、进排气压力)，发动机的转速转矩以及测功机励磁电流等。由于各个传感器的原理和性能的差异，采集得到的各物理量模拟信号无法直接输出到中央控制器中。信号调理电路的作用就是采用滤波、放大等方式对各模拟量进行统一标准的转换，之后通过STM32芯片的AD转换模块，将采样得到的数据在中央控制器中作进一步的计算、保存和显示等处理。

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温度是发动机测控系统的重要参数之一。系统内各部分的温度值，如机油温度、冷却水温度、排气温度等等，均在某一方面表征了发动机的运行状态。因此精确、高效的温度测量是发动机测控系统正常稳定运行的重要保障。在发动机测试过程中，系统时刻保持对上述各温度值的采集和监控，一旦发现温度出现异常状况，将采取相应的紧急措施，如报警、停机等，以确保测试人员的安全。温度传感器是最常用的温度测量装置。其通过自身某一物理参数随被测物体温度的变化而改变的特性对被测物体的温度进行测量。常见的物理变化特性有电阻、电容、光学特性和热力学特性等等。根据实际温度值变化的范围以及可能达到的最高值，需要选取不同的温度传感器以满足要求。在发动机测控系统中，排气温度通常较高，因此本文选用K型热电偶对其进行测量。K型热电偶是工业过程控制中最为常见的一种热电偶。其主要材料为镍铬一镍硅合金，适合测量氧化性或者中性的物质，一般能够长期测量1000摄氏度的高温，短期测温可以高达1200摄氏度。同时K型热电偶还具有较为宽的测温量程，良好的热电动势直线性，较强的抗氧化性和较高的稳定性，能够胜任复杂恶劣的环境测温任务。其工作原理是基于热电效应，即当作为材料的两个导体的结合点存在温差时，回路中就会产生热电势。通过测量热电势的大小就可以得到物体的温度值。系统中其他需要检测的温度值，如机油温度，冷却温度及环境温度等，由于变化范围较小且改变过程较为缓慢，本文采用铂热电阻式温度传感器Pt100进行测量。电阻式温度传感器的工作原理是通过其半导体材料的电阻值随着被测物体温度变化而改变的特性对物体温度进行测量。铂热电阻具有精度高、稳定性好、可靠性高等特点[[47]。在实际测试过程中，机油温度一般不高于1500C，冷却水温度不高于1000C，而环境温度通常为0-1000C，因此Pt100的一2000C至5000C的测温量程完全可以满足系统的需求。图4.17为本文所设计的温度调理电路，其中放大器选用AD8221AR。其具有低电压失调、低失调漂移、低增益漂移、高增益精度和高共模抑制比等特性，能够较好地抑制宽带干扰和线性谐波，极大程度上降低了电路的滤波要求。

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在发动机综合测控系统中，压力值也是表征发动机性能一个重要参数。本节所讨论的压力信号调理电路，主要针对机油压力、进排气压力以及大气压力。机油压力的大小直接决定了机油对发动机润滑作用的强弱，间接反应出发动机内部存在的某些问题。如机油压力过低，可能的原因有机油储量过低导致润滑量不足，机油过稠导致机油泵无法正常工作或是机油过稀导致零部件间隙漏油。进排气压力与大气压力都对发动机的运行状态产生影响。大气压力随着海拔的升高而降低，导致进入发动机的空气质量流量减少。因此为了保证空气与燃油的充分混合，需要根据大气压力值设定不同的喷油量，即通过大气压力的测量得到相关的修正依据。压力测量主要采用力传感器，即将力学信号转化为电信号的传感器，常见的有压阻式传感器、应变式传感器、振动筒式传感器、电感式传感器、电容式传感器等等。本文设计的压力信号调理电路选用压阻式压力传感器。其工作原理与电阻式温度传感器类似，即通过半导体材料在收到外力后发生形变从而导致其阻值发生变化的特性，对施加于其上的压力进行测量。应变式压力传感器的测压量程较宽且输出线性良好，具有精度高、可靠性强的优点，能够稳定工作在复杂恶劣的环境中[[48]0本文选用24PCDFAGD传感器完成发动机各项压力参数的测量。该传感器具有全不锈钢结构，采用先进的硅隔离技术与数字补偿技术，全范围进行温度补偿和线性矫正，稳定可靠J陛突出。图4.18为本文所设计的压力信号调理电路，其中运算放大器采用OP07。这是一款低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器，具有非常低的输入失调电压和极为优秀的线性稳定性。电阻R1,R2用于确定运放的放大倍数，R3和C4对输出的信号进行滤波。

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在发动机综合测控系统中，转速是一项非常重要的检测参数。发动机的转速，即是发动机曲轴的旋转速率，对其的精确测量主要有以下几点作用:(1>对发动机的输出功率进行测定。(2>为发动机在正常工况下运行的可靠性和稳定性判断提供依据。(3)通过对发动机启、停车期间瞬时速率的测定，判别发动机某些零部件是否存在故障。由此可知，转速的采集和调理是所有调理电路中极为关键的一个部分。常见的测速传感器依工作形式的差别，大体上可以分为三种:磁电式转速传感器、光电式转速传感器和霍尔转速传感器[[49]。其中光电式转速传感器的工作原理是利用光电效应，将速度的变化转化为光通量的变化，再通过光电转换元件将光通量的变化转化为电信号的变化，具有结构紧凑、测量精度高、误差小的优点，但对工作环境的适应性较差，不能够长时间高强度工作。霍尔转速传感器是由霍尔效应原理研制而成，输出信号为方波脉冲，比较适合于数字控制系统。它具有较好的抗干扰性，且输出电压信号稳定，对于低转速测量亦能保持较高的精度，可以实现零速传感，但结构较为复杂，且价格昂贵，增大了测试系统的成本支出。磁电式转速传感器的基本工作原理与电磁感应相关。其安装于固定点上，与被测轴上的安装的旋转齿轮正面相对，两者间存在极小的气隙。齿轮是由磁性材料制成，当其随着被测轴旋转而引起气隙改变时，将会使得磁路中磁通量发生变化，进而在传感器感应线圈的两侧感生出感应电动势，输出脉冲电压信号。每转过一个齿槽便会输出一个电脉冲信号。磁电式转速传感器具有结构简单、制造成本低的优点，同时无需从外部接入专用电源，简化了系统的电路设计，虽然由于门限值的设定导致低转速测量失准，但综合考虑成本因素和实验室可控检测条件后，本文决定使用安徽科航公司的KH4300磁电式转速传感器对转速进行测量。该传感器的最高工作温度可达2000C，能够适应测量环境的温度要求。图4.19为本文设计的转速信号调理电路。传感器输出的脉冲信号经过调理电路前端的稳压、滤波处理后，送入由LM324组成的比较电路整形为平稳标准的矩形波，以便于控制芯片的识别和处理。

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干扰源的含义主要包括两个方面:扰动的来源以及传播的途径[[50]。由于本文所设系统内部硬件结构的融合性较为复杂，且工作地点的环境通常比较恶劣，经分析得出可能存在的干扰源大致有以下几点:}1}电路板设计不当导致的干扰问题。比如地线阻抗过高引起器件间的祸合干扰;平行布线间距过窄引起线路末端产生反射噪声;各种元器件布局不合理引起的电磁干扰、信号波动;散热通风不畅引起的元器件抗干扰性降低等等。(2)强电冲击干扰。由于频繁的信号电平转换而引起的极大冲击电流，以及步进电机、电动阀门等设备的驱动电路存在的过电压都会对系统的稳定运行造成干扰，不仅影响了自身电路的正常工作，还会对其他的电路产生危害。(3)系统工作环境恶劣导致设备非正常振动。外力的大幅度振动作用可能对设备内部的元器件产生破坏，引起元器件功能失效或者接触失灵等情况。同时环境中存在的强烈噪音也会干扰设备的正常运行。(4)电源干扰。由电源带来的干扰在工业控制过程中几乎随处可见，而其中很大一部分都是由电源祸合造成的。此外，因电压波动带来的高能尖刺脉冲也会对系统的可靠性造成极大的破坏，严重的将导致死机。

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通过硬件手段对干扰进行抵制和消除的措施大体上可以分为[[52]:合理的电路板布局规划以及良好的走线方式;加入屏蔽和隔离措施，阻断信号干扰的回流;加入电路的滤波处理和电容旁路引导，降低电源干扰对系统的破坏能力。(1}电路板抗干扰处理为了避免因线路布局对信号处理等功能造成影响，电路板在设计时应参照如下规则:1}元器件的选型在保证性能要求的基础上，以低功耗者优先，即可减少线路间的电磁场干扰作用亦能降低整体电路板的热消耗。2)电源线与地线应采用粗线，并尽量不要相隔太远，且保持与信号线相同走向。同时对模拟地线和数字地线作分割处理。元器件之间应多使用短信号线连接，多使用45度角走线，加大信号线间距，以减小传输过程中可能存在的相互干扰。对于高频数字信号和时钟信号，应与其他信号分布在不同区域，同时尽量靠近地线或使用地线包围。3)对电路板区域进行合理划，将强干扰源部分和高产热部分与其他元器件间分开排布，且不同元器件之间保持一定距离，留足散热空间。(2)隔离信号量的输入输出通道也为干扰的入侵和传播提供途径。隔离是最经济的阻隔干扰传播的方式之一，它在抑制尖刺脉冲干扰、噪声干扰以及公共阻抗造成的混合干扰上有非常好的效果。常见的隔离手段有:隔离变压器、隔离放大器以及光电藕合器。

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对于步进电机的驱动电路，为了避免H桥电路的上下功率管同时导通，需要在PWM信号中添加一定的死区时间，使其两侧的功率管工作时存在微小的延迟，实现异步打开和闭合。设置捕获/比较模式寄存器TIM1CCMR的CC1E和CC1NE位可以对输出信号插入死区。以TIM1CH1和TIM1CH1N两通道输出的PWM信号为例，假设均为高电平有效，则当插入死区后，CH1输出信号与原信号相同，其上升沿相对于原信号存在一定的延迟;CH1N输出信号与原信号相反，其下降沿相对于原信号存在一定的延迟。通过刹车和死区寄存器TIM1BDTR中的DTG位可以设置死区的延迟时间。本系统中油「1驱动电路的死区设置为3}so