缸內(nèi)直噴航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)ECU 平臺(tái)設(shè)計(jì)*

于 兵 ，邊文超，張?zhí)旌?，?偉

(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，南京210016)

航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)因具有重量輕、尺寸小、油耗率低、低速時(shí)推力大、生產(chǎn)及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于低速、中高空無(wú)人機(jī)［1］。隨著對(duì)無(wú)人機(jī)性能及續(xù)航能力的要求不斷提高，其搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)必須具有較高的功重比與較低的油耗，普通活塞發(fā)動(dòng)機(jī)將難以滿足這些要求［2］。缸內(nèi)直噴式(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)的燃燒效率明顯高于進(jìn)氣道噴射(PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)［3-4］，部分負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性提高約30%［5，8］。GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)能夠擴(kuò)大稀燃極限，降低缸內(nèi)最高燃燒溫度［6-7］，兼有柴油機(jī)熱效率高和汽油機(jī)升功率大的特點(diǎn)［8］，對(duì)其開(kāi)展相關(guān)的研究工作具有較大的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。在GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)中，其良好的混合氣調(diào)節(jié)和精確而恰當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火時(shí)刻的匹配對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能至關(guān)重要［9］，但研究噴射策略和點(diǎn)火策略的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)出一套行之有效的控制方案［10］需要對(duì)大量的試驗(yàn)進(jìn)行分析和總結(jié)。國(guó)內(nèi)對(duì)GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)的研究起步比較晚，所以GDI 發(fā)動(dòng)機(jī)還沒(méi)有應(yīng)用到無(wú)人機(jī)上，電控系統(tǒng)的控制策略亟待大量的試驗(yàn)驗(yàn)證而掌握。為了了解和掌握噴油、噴氣和點(diǎn)火各項(xiàng)參數(shù)對(duì)缸內(nèi)直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，本文設(shè)計(jì)了基于DSP［11］的缸內(nèi)直噴ECU［12］試驗(yàn)平臺(tái)。此試驗(yàn)平臺(tái)靈活性很強(qiáng)，能夠在一個(gè)周期內(nèi)的任意時(shí)刻控制噴油、噴氣和點(diǎn)火，以及任意調(diào)整噴油噴氣脈寬和點(diǎn)火線圈通電時(shí)間，并應(yīng)用在某型航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)系統(tǒng)上。

1 系統(tǒng)功能需求

本文所設(shè)計(jì)的ECU 針對(duì)某型四缸四沖程航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)雙點(diǎn)火結(jié)構(gòu)以及將發(fā)動(dòng)機(jī)從化油器改造為缸內(nèi)直噴控制的情況，設(shè)計(jì)了以TMS320F28335為核心處理器的缸內(nèi)直噴ECU，其功能模塊如圖1所示。該電子控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)［13］、判缸信號(hào)、上止點(diǎn)信號(hào)、節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)、冷卻液溫度信號(hào)、缸頭溫度信號(hào)、排氣溫度信號(hào)。根據(jù)對(duì)以上信號(hào)的分析處理能夠有效控制四路噴油閥、四路噴氣閥和八路點(diǎn)火線圈，并能夠?qū)z測(cè)到的信號(hào)、實(shí)際噴油噴氣脈寬以及點(diǎn)火初始時(shí)刻通過(guò)通信模塊發(fā)送到上位機(jī)。ECU 能夠接收上位機(jī)發(fā)送的噴油噴氣正時(shí)、脈寬和點(diǎn)火初始時(shí)刻的調(diào)整參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)地監(jiān)控和調(diào)試航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。

總體方案如圖1 所示，所設(shè)計(jì)的缸內(nèi)直噴ECU可分為5 個(gè)模塊:電源模塊、正時(shí)模塊、控制量及修正模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和通信模塊。其中，正時(shí)模塊通過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)、判缸信號(hào)和上止點(diǎn)信號(hào)以及內(nèi)部功能模塊協(xié)同工作來(lái)確定活塞發(fā)動(dòng)機(jī)0 ～720°工作周期間任一點(diǎn)，精確到0.5°。控制量及修正模塊通過(guò)節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)等確定當(dāng)前供油量，并通過(guò)冷卻液溫度信號(hào)、缸頭溫度信號(hào)和排氣溫度信號(hào)等修正該供油量。驅(qū)動(dòng)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)輸出精確調(diào)整的控制量，包含4 路噴油電路、4 路噴氣電路和8 路點(diǎn)火電路。通信模塊為ECU 和上位機(jī)交換參數(shù)及健康狀態(tài)的接口。

圖1 基于DSP 的缸內(nèi)直噴ECU 功能結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 三級(jí)電源模塊設(shè)計(jì)

高質(zhì)量的電源是ECU 穩(wěn)定工作的前提和保證。DSP 處理器、通信模塊、正時(shí)模塊、修正模塊等需要不同電平的低壓電源，而車載電源的電平為12 V，所以電源模塊需要將12 V 轉(zhuǎn)化為不同幅值的電源。由于電源模塊的構(gòu)成較為復(fù)雜，因此本文將其分為三級(jí)設(shè)計(jì)，電源模塊結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 電源模塊結(jié)構(gòu)框圖

首先，一級(jí)子模塊實(shí)現(xiàn)濾波、降壓和穩(wěn)壓的功能。該子模塊以車載電源作為輸入。在回路中串聯(lián)二極管1N5404 和可恢復(fù)保險(xiǎn)絲預(yù)防電路正負(fù)極接反和因回路電流過(guò)大燒壞芯片，并聯(lián)箝位二極管處理高能量脈沖和靜電等問(wèn)題，串聯(lián)接入EMI 濾波器電路抑制共模噪聲和串模噪聲，采用LM2576HV-ADJ 開(kāi)關(guān)電源芯片將12 V 降為穩(wěn)定的6 V 電源。其次，二級(jí)子模塊通過(guò)兩路可調(diào)線性電源芯片LP3966ES-ADJ 將電源分為模擬部分電源和數(shù)字部分電源并將電壓穩(wěn)定到5 V。2 部分相互隔離，避免干擾。最后，三級(jí)子模塊將5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 和1.9 V 為DSP 處理器及外圍接口等低壓模塊供電。

2.2 正時(shí)模塊設(shè)計(jì)

正時(shí)模塊是缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確控制的前提。合理的噴射和點(diǎn)火正時(shí)保證了發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)，有助于提高燃燒質(zhì)量，增大輸出功率。噴射和點(diǎn)火的正時(shí)是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)動(dòng)作的先后順序及最優(yōu)燃燒理論確定的。正時(shí)模塊的功能是精確定位燃油噴射和點(diǎn)火的期望時(shí)刻，就是在發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸上找到與之相對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。本文利用相對(duì)于旋轉(zhuǎn)曲軸靜止的一個(gè)固定點(diǎn)作為原點(diǎn)，以此原點(diǎn)進(jìn)行前后偏移，從而定位噴射和點(diǎn)火正時(shí)時(shí)刻。由于目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)較為老舊，自身不能產(chǎn)生固定點(diǎn)信號(hào)，改造時(shí)在曲軸末端安裝了碼盤(pán)。碼盤(pán)共有60 個(gè)齒，其中一個(gè)齒的齒槽較深，用其作為產(chǎn)生固定點(diǎn)信號(hào)的裝置，如圖3 為所示。

圖3 碼盤(pán)示意圖

由于發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)周期內(nèi)曲軸旋轉(zhuǎn)兩圈，產(chǎn)生兩個(gè)固定點(diǎn)信號(hào)，因此還需要一個(gè)輔助信號(hào)將其中的一個(gè)固定點(diǎn)信號(hào)判定為偏移原點(diǎn)。在本文設(shè)計(jì)中1缸進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)時(shí)觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)(稱為判缸信號(hào))，此判缸信號(hào)在發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)周期中是唯一的，在時(shí)序上出現(xiàn)在判缸信號(hào)后面的固定點(diǎn)信號(hào)也是唯一的。在每個(gè)周期中，此固定點(diǎn)與一缸上止點(diǎn)之間存在固定的且最小的曲軸轉(zhuǎn)角，所以將此固定點(diǎn)信號(hào)稱為偽上止點(diǎn)信號(hào)，將偽上止點(diǎn)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻定義為偏移原點(diǎn)。圖4、圖5 分別為正時(shí)模塊時(shí)序圖和偏移原點(diǎn)確定流程圖。

圖4 正時(shí)模塊時(shí)序圖

圖5 正時(shí)時(shí)刻確定流程圖

轉(zhuǎn)速信號(hào)采集系統(tǒng)由碼盤(pán)的60 個(gè)齒與光電傳感器組成。曲軸每旋轉(zhuǎn)一圈，光電傳感器產(chǎn)生60 個(gè)脈沖信號(hào)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，能夠計(jì)算出曲軸轉(zhuǎn)速。光電傳感器每產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)表示曲軸轉(zhuǎn)過(guò)6°，在偏移原點(diǎn)處開(kāi)始對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖的計(jì)數(shù)就能夠找到曲軸上分度值為6 的其他所有點(diǎn)，從而為大體確定了噴射和點(diǎn)火時(shí)刻，驅(qū)動(dòng)模塊中將介紹在此時(shí)刻的基礎(chǔ)上進(jìn)行小度數(shù)偏移，從而確定具體的噴射和點(diǎn)火時(shí)刻。

2.3 控制量及修正模塊設(shè)計(jì)

控制量通常采用PID 算法進(jìn)行計(jì)算確定。由于PID 算法適合在控制對(duì)象參數(shù)變化范圍小的情況下對(duì)控制量進(jìn)行修正而發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)變化范圍大，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)具有非線性的特性，致使PID 算法不能滿足控制發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。鑒于以上分析，本文采用了MAP 圖查詢確定控制量的方案?？刂屏恐饕赊D(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置決定，并根據(jù)進(jìn)氣溫度、排氣溫度、冷卻液溫度等因素進(jìn)行修正?？刂屏靠梢杂孟旅娴年P(guān)系式來(lái)描述，控制量與各信號(hào)的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 控制量與各信號(hào)關(guān)系圖

節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)由隨節(jié)氣門(mén)轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)的電位計(jì)采集。電位計(jì)輸出的電壓幅值變化范圍為0 ～5 V，而DSP 芯片的I/O 輸入電壓范圍為0 ～3 V，因此應(yīng)采取分壓措施。在分壓電路前應(yīng)加入電壓跟隨器，使輸入阻抗變?yōu)闊o(wú)窮大，隔離了信號(hào)采集電路和分壓電路之間的影響。DSP 內(nèi)部集成了12 位帶流水線的ADC模塊，理論上節(jié)氣門(mén)位置的測(cè)量精度可達(dá)到0.024，但由于工作環(huán)境惡劣，現(xiàn)場(chǎng)干擾大，再加上發(fā)動(dòng)機(jī)控制不需要高精度的位置數(shù)據(jù)，所以經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后測(cè)量精度取為0.1。其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖7 所示。

溫度信號(hào)由B 級(jí)T 型熱電偶采集，熱電偶的測(cè)量精度在350 ℃以內(nèi)為0.2 ℃，試驗(yàn)中需要測(cè)量的溫度都在200 ℃以內(nèi)，因此滿足了測(cè)量精度及量程。熱電偶輸出電壓為毫伏級(jí)，因此需要對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行放大。本文設(shè)計(jì)了基于LM358 集成運(yùn)算放大器的溫度信號(hào)調(diào)理電路。為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)高帶來(lái)的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大。溫度傳感器與調(diào)理電路前端的電阻組成傳感器測(cè)量電橋。為了保證電橋輸出電壓信號(hào)的穩(wěn)定性，電橋的輸入電壓通過(guò)TI 公司的TL431 穩(wěn)壓芯片穩(wěn)至2.5 V。從電橋獲取的差分信號(hào)通過(guò)兩級(jí)運(yùn)放放大后輸入TMS320F28335的A/D 管腳。當(dāng)溫度上升時(shí)，溫度傳感器阻值變大，輸入放大電路的差分信號(hào)變大，放大電路的輸出電壓也相應(yīng)升高。ADC 模塊將放大的電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再根據(jù)T 型熱電偶的分度表和校正表計(jì)算出溫度值。其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖8 所示。

圖7 節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)調(diào)理電路

圖8 溫度信號(hào)調(diào)理電路

MAP 圖查詢是根據(jù)輸入的轉(zhuǎn)速大小和節(jié)氣門(mén)位置通過(guò)二維查詢法找到對(duì)應(yīng)的控制量。復(fù)雜的二維查詢法占用TMS320F28335 處理器時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致處理器在規(guī)定的一個(gè)循環(huán)周期(20 ms)內(nèi)完不成任務(wù)。本文采用了一種簡(jiǎn)單的二維插值法，既保證了查詢數(shù)據(jù)的精確性又節(jié)省了查詢時(shí)間。假設(shè)當(dāng)前輸入的轉(zhuǎn)速為N、節(jié)氣門(mén)位置為P，經(jīng)過(guò)比較判斷N 位于MAP 圖表橫坐標(biāo)中Nx和Ny之間，P 位于MAP 圖表縱坐標(biāo)中Px和Py之間，坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)MAP圖中的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)MAP 圖中數(shù)據(jù)

將二維插值轉(zhuǎn)化為三次簡(jiǎn)單的一維插值，經(jīng)過(guò)計(jì)算即可得到所查詢的數(shù)據(jù)。

S(N，P)即為所查詢的數(shù)據(jù)，式中:，η=，S(N，Px)為坐標(biāo)(N，Px)所查詢的數(shù)值，S(N，Py)為坐標(biāo)(N，Py)所查詢的數(shù)值，S(N，P)為坐標(biāo)(N，P)所查詢的數(shù)值，即當(dāng)前轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門(mén)位置所對(duì)應(yīng)的基本控制量。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊是發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 的重要組成部分。根據(jù)控制對(duì)象的不同，驅(qū)動(dòng)模塊分為噴射和點(diǎn)火兩個(gè)模塊。在噴射模塊中，為了解決缸內(nèi)直噴需要較高燃油壓力的問(wèn)題，采用了夾氣噴射的方案——在噴射過(guò)程中高壓空氣尾隨燃油噴出，空氣從四周將燃油罩住，在空氣對(duì)燃油微粒的沖擊下使燃油得到較好的霧化。在點(diǎn)火模塊中，為了增大點(diǎn)火能量，采用了雙火花塞結(jié)構(gòu)。噴射模塊和點(diǎn)火模塊均由DSP處理器內(nèi)置的PWM 模塊提供信號(hào)源。在PWM 模塊的初始化函數(shù)中，通過(guò)設(shè)置時(shí)間基準(zhǔn)控制寄存器TBCTL 的HSPCLKDIV 位和CLKDIV 位將PWM 模塊時(shí)鐘配置為1.17 MHz，使得PWM 模塊占空比的控制精度為0.85 μs。

由于噴射模塊分噴油和噴氣兩部分，噴油和噴氣兩個(gè)動(dòng)作之間需要一定的時(shí)間間隔，因此需要兩路同步PWM 信號(hào)。TMS320F28335 芯片每個(gè)PWM 通道分為EPWMxA 和EPWMxB 雙輸出的構(gòu)造并且兩路輸出時(shí)間基準(zhǔn)相同，這一特點(diǎn)恰好滿足噴射模塊的需求。PWM 模塊根據(jù)時(shí)基計(jì)數(shù)器和當(dāng)前計(jì)數(shù)值與比較寄存器中數(shù)值的關(guān)系改變占空比，使其等于控制量的大小。PWM 模塊除了設(shè)定噴射和點(diǎn)火信號(hào)占空比外，還可以將噴射和點(diǎn)火時(shí)刻的分辨率提高為0.5°。由前文可知正時(shí)模塊可以確定以偏移原點(diǎn)為起點(diǎn)，分辨率為6°的曲軸轉(zhuǎn)角，從而可以找到離噴射時(shí)刻最近的曲軸轉(zhuǎn)角點(diǎn)，將此轉(zhuǎn)角命名為噴射角度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)噴射角度時(shí)，啟動(dòng)PWM 模塊，先根據(jù)具體噴射時(shí)刻與噴射角度的差值α(α＜6°)計(jì)算出延時(shí)所需要的時(shí)基計(jì)數(shù)寄存器TBCTR 計(jì)數(shù)值，然后根據(jù)當(dāng)前的噴射參數(shù)配置時(shí)基周期寄存器TBPRD，最后根據(jù)噴油時(shí)刻配置計(jì)數(shù)比較A 寄存器CMPA，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到比較A 寄存器的數(shù)值時(shí)，此時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角恰好是噴油時(shí)刻。同理，根據(jù)噴氣時(shí)刻及噴油噴氣之間的間隔配置計(jì)數(shù)比較B 寄存器CMPB。假設(shè)噴油脈寬為T(mén)oms、噴氣脈寬為T(mén)ams 以及兩者之間間隔為T(mén)dms。設(shè)置周期寄存器TBPRD 為1 200×(To+Ta+Td)，比較A 寄存器CMPA 為1 200×To，比較B 寄存器CMPB 為1 200×(To+Td)。1 200 是根據(jù)在PWM 模塊的時(shí)鐘頻率下每計(jì)數(shù)1 200 次為1 ms 計(jì)算而來(lái)。圖9 為噴射模塊PWM 配置圖。

點(diǎn)火模塊的作用是給點(diǎn)火線圈的初級(jí)線圈充電，一共需要8 路PWM 信號(hào)。點(diǎn)火時(shí)刻的確定是先由正時(shí)模塊確定大體的曲軸角度(此曲軸角度命名為點(diǎn)火角度)，再由PWM 的時(shí)基計(jì)數(shù)寄存器確定具體的點(diǎn)火時(shí)刻。圖10 為點(diǎn)火模塊PWM 配置圖。

圖9 噴射模塊PWM 配置圖

噴油和噴射驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)始和結(jié)束是通過(guò)控制高速開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)的。該驅(qū)動(dòng)電路使用VISHAY 公司的SUB75P03-07 場(chǎng)效應(yīng)管作為驅(qū)動(dòng)芯片。點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路需要瞬態(tài)電流大、響應(yīng)快，方能產(chǎn)生較大的點(diǎn)火能量。本驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中采用ST 公司的GD18N40LZ 絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)作為驅(qū)動(dòng)元件。圖11 為噴射和點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖10 點(diǎn)火模塊PWM 配置圖

圖11 噴射和點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.5 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。測(cè)試人員通過(guò)上位機(jī)界面將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)參數(shù)、噴射參數(shù)及點(diǎn)火參數(shù)通過(guò)通信模塊發(fā)送給下位機(jī)。由于每個(gè)氣缸對(duì)應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特性并不是完全相同，因此各缸的噴射參數(shù)和點(diǎn)火參數(shù)分別設(shè)置。下位機(jī)通過(guò)通信模塊將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)位置、進(jìn)氣溫度、排氣溫度等狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)，供測(cè)試人員監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)。為了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，數(shù)據(jù)發(fā)送前，在數(shù)據(jù)包加入校驗(yàn)碼，上位機(jī)或下位機(jī)每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，先驗(yàn)證校驗(yàn)碼，如果正確則取出數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，如果錯(cuò)誤則丟棄數(shù)據(jù)包。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證分實(shí)物在回路仿真試驗(yàn)驗(yàn)證和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)物在回路仿真試驗(yàn)通過(guò)模型發(fā)動(dòng)機(jī)模擬真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)電子控制器進(jìn)行驗(yàn)證，大大降低了直接基于該電子控制器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試車所面臨的風(fēng)險(xiǎn)。臺(tái)架試驗(yàn)中控制器根據(jù)傳感器采集的各種信號(hào)和測(cè)試人員配置的噴射點(diǎn)火參數(shù)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)，使其在特定工作點(diǎn)的性能達(dá)到最優(yōu)。

3.1 實(shí)物在回路仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)物在回路仿真試驗(yàn)中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)模型僅以數(shù)字量的形式輸出發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)和接收控制信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)與實(shí)際中的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)不相符，無(wú)法反饋給控制器及接收控制器信號(hào)。為了構(gòu)造一個(gè)航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)在真實(shí)工作環(huán)境下的仿真試驗(yàn)環(huán)境，利用接口模擬器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型和控制器之間的信號(hào)進(jìn)行匹配和轉(zhuǎn)換。接口模擬器將發(fā)動(dòng)機(jī)模型產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速信號(hào)、判缸信號(hào)、上止點(diǎn)信號(hào)、節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)及噴射點(diǎn)火參數(shù)提供給控制器并采集控制器輸出的實(shí)際噴射和點(diǎn)火信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控界面。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)模型設(shè)置不同的參數(shù)，檢測(cè)控制器是否能隨調(diào)整參數(shù)的改變而做出相應(yīng)變化。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，控制器皆能根據(jù)輸入信號(hào)和調(diào)整參數(shù)做出判斷，輸出正確的驅(qū)動(dòng)信號(hào)且控制量滿足試驗(yàn)要求。

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)控制方法總體分為冷啟動(dòng)和狀態(tài)調(diào)節(jié)兩個(gè)階段，其控制策略如圖12 所示。冷啟動(dòng)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身溫度低、混合氣霧化效果差等原因，需要較濃的混合氣才能使發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，這時(shí)需要較大噴油噴氣脈寬(20 ms)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于某一特定轉(zhuǎn)速N(800 r/min)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)完成啟動(dòng)任務(wù)，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，這時(shí)要立即減小噴油噴氣脈寬(4 ms)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生“飛車”危險(xiǎn)。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某固定點(diǎn)，在此狀態(tài)下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時(shí)根據(jù)λ 傳感器(安裝在排氣管)采集的空燃比A/F 和測(cè)功機(jī)測(cè)得的功率Pe 和扭矩Tq 進(jìn)行設(shè)置噴油、噴氣和點(diǎn)火的各項(xiàng)參數(shù)。試驗(yàn)中，設(shè)置了若干個(gè)工作點(diǎn)，在每一個(gè)工作點(diǎn)對(duì)噴射及點(diǎn)火參數(shù)進(jìn)行配置，使空燃比穩(wěn)定在較理想的數(shù)值和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出較大的功率和扭矩。記錄每個(gè)工作點(diǎn)配置的參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)繪制MAP圖。圖13 為航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室。

圖13 航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)缸內(nèi)直噴航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了電子控制系統(tǒng)ECU。ECU 依靠TMS320F28335 強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，有效地保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。驅(qū)動(dòng)模塊軟硬件的靈活設(shè)計(jì)使得驅(qū)動(dòng)行為具有實(shí)時(shí)性、精確性和任意可調(diào)性。實(shí)物在回路仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明:基于DSP 的缸內(nèi)直噴電子控制器性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。試驗(yàn)人員能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比、功率及扭矩實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴射和點(diǎn)火的各項(xiàng)參數(shù)，以便于研究噴射規(guī)律和點(diǎn)火策略，更好地掌握缸內(nèi)直噴航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

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