1、高压共轨系统动态特性测试装置的开发第 1 期(总第 113 期)2004 年 2 月现代车用动力M0DERNVEHICI 正 P0RNo.1(serialNo.113)Feb.2Oo4文章编号:16715446(2004)01 001804高压共轨系统动态特性测试装置的开发睾王晓东,李绍安,程刚(无锡威孚集团有限公司,江苏无锡 214031)摘要:在高压共轨系统开发过程中,为了完成部件测试和性能分析 ,针对高压共轨系统的特点,采用 Pc 微机加 A/D 卡和 I/O 卡开发了喷油器和电磁阀动态响应特性测试装置,并将其运用到自行开发的喷油器测试工作和国外样机标定分析工作中,系统结构模块化,软件修
2、改灵活,可以很方便的适用于不同类型的共轨系统.关键词:共轨系统;电磁阀;测试中图分类号:TK427 文献标识码:B高压共轨系统是内燃机行业 2l 世纪的开发热点,它通过控制喷油器高速电磁阀实现喷射的开始和终止,消除了压力波动引起的异常喷射和高速大油量时过高喷射压力引起的泵油机构损坏,能够在不同工况下都以比较高的喷射压力实现稳定可控喷射,使柴油机燃烧良好,性能改善,排放的有害成分减少.还可以给电磁阀多次通电实现预喷射和后喷射,降低柴油机噪声,改善冷起动性能和排放.在高压共轨系统喷油器和高速电磁阀的开发中,如何准确地进行动态响应特性测试以分析喷油器和电磁阀的响应特性还是个难题,目前国内还没有这样的
3、测试装置,也没有完全掌握其中的关键技术.美国西南研究院开发的 RPECS 系统可以进行这方面的测试,但要先提供喷油器,电磁阀的结构和参数才能定做,在开发初期难以确定,开发中难以改变,也难以适用于不同的共轨系统.因此开发共轨系统的动态特性测试装置十分必要.1 开发思路以喷油泵实验台为高压共轨系统的安装和驱动基座,在喷油器和电磁阀上加装电磁阀升程传感器,电流传感器等,以微机为控制和数据采集中心构成高压共轨动态测试装置,如图 1.接口箱(见图 2)采用 l9 时 (1 时等于 25.4mm)标准机箱,集中布置 I/O 板接口电路,A/D板接口电路,凸轮转角信号处理电路,轨压传感器信号处理电路,调压脉
4、冲驱动电路,喷射脉冲调制及喷油器高速电磁阀驱动电路和 24V 一 110V 升压模块等.微机控制和数据采集软件具有以下功能(参见图 3):?具备模拟驱动共轨系统运行于各种运行工况的能力,将喷油控制和调压控制设计成两个完全独立,同时运行的事件环,分别由两个定时器来指挥,二者相互独立.?具备多参数多循环连续测试能办,研究在稳定工况下部件各参数的循环变动情况和系统的过渡性能,也是 ECU 控制算法研究的前提条件.?便利的人机交互机制 ,能够实时显示共轨系统运行的各种状态信息,也能通过开发平台的人机交互界面,对共轨系统进行实时操作,并对各控制参数进行实时修改.收稿日期:20031112江苏省科技攻关项
5、目:项目编号为 BQgSOO8.作者介:王晓东(1966 一),男,广东汕头人,无锡威孚公司技术中心主任,高级工程师,主要从事燃油喷射系统技术开发.2O04 年第 1 期王晓东,等:高压共轨系统动态特性测试装置的开发 l9图 1 高压共轨动态测试系统框图喷油定时控制喷油控制图 2 接口箱照片主控横块委 IIIl 橐 flll 耋图 3 软件功能框图喷油过程参数修改参数采样参数程序运行参数?能对采集到的数据进行即时处理,以便指导下一步的工作.?硬件结构简单 ,可靠性高和功能易扩展 .2 解决的主要问题2.1 硬件要求以微机控制和数据采集为核心,加装 AC1050型 A/D 卡和 HY6220 型
6、 I/0 卡进行系统控制和数据采集.外购 AC1050 型 A/D 卡的主要技术参数如下:?A/D 输入通道 :l6 路输入,可设置为自动通道扫描,定时触发;?A/D 转换速率 :l2 位 1MHz 的芯片,采集 4个通道时的实际采样速率达 1/6MHz;?A/D 测量精度 :0.2%;?板上 RAM:128KB.外购 HY6220 型 I/O 卡含有 4 片 8253 可编程定时计数器,共 l2 个 l6 位定时计数器通道,每个定时计数通道既可独立工作也可灵活地级联.板上还可以接人中断申请信号,向 PC 申请中断,实现中断触发功能 J.2.2 编制微机控制和数据采集软件采用 TurboC 语
7、言编写,主要由中断服务程序和主程序两部分组成.中断服务程序响应凸轮转角的脉冲信号,发出控制信号并进行参数测量.主程序主要负责人机交互接口和数据处理分析,主要包括控制参数修改和运行控制,如图 4.操作结果以中间变量的形式存放于公共数据区,由主程序实时显示.采用主程序和中断服务程序相现代车用动力 2004 年第 l 期图 4 软件操作界面之一结合的策略,有效地实现了测试系统所要求的实时控制,数据测量,参数显示和系统调试等多任务的同时进行,大大提高了测试系统的性能.在软件开发中主要解决 3 个问题:?AD 采样和数据传输 :选择 AID 卡工作于DMA 方式,在执行控制指令之前,先执行一条启动 AI
8、D 的指令,进行特定时间长度的连续高速数据采样,这样在 CPU 发出控制指令时,A/D 卡已经开始同步采样.利用计算机的 DMA(直接存储器存取)能力,由计算机的 DMA 控制器把采集的数据从板上 RAM 区存入计算机内存【l】.?调压和喷油两个进程的并行问题:高压共轨系统通过控制喷油器电磁阀实现喷射的开始和终止,通过控制供油泵电磁阀实现不同的喷射压力.因此,高压共轨系统调压和喷射是两个彼此独立,分别进行的过程,在该软件中必须用两个独立的中断环.在软件开发和调试中,通过读 HY6220卡中断源代码一辨别中断归属一执行相应中断服务程序这样的方法,解决了两个中断环的并行,并采用 AID 转换期间屏
9、蔽调压中断的方法避免了中断冲突.?动态参数的多循环采集 ,存储,回放和后处理:进行电磁阀响应特性实验,喷油器控制特性实验,喷油规律实验以及供油,调压特性实验,必须对动态参数进行多循环采集,存储,回放和后处理.显然,常规内存无法实现,直接写到硬盘上又不方便.本软件在 DMA 传送结束时引发 IRQ10中断,在中断服务程序中把采集到的数据按照每个循环 1 个扩充页的方式存放于 PC 机的扩充内存(EMS),因此可以进行 200 个循环的连续采样,存储和回放,对于研究喷油过程中的变动是极为有利的,而且也便于控制算法的研究.2.3 接口电路的开发本系统 I/O 板接口电路,A/D 板接口电路,凸轮转角
10、信号处理电路,轨压传感器信号处理电路,调压脉冲驱动电路,喷射脉冲调制及喷油器高速电磁阀驱动电路等模块,主要难点是:?喷射脉冲调制电路 :驱动喷油器电磁阀的信号为激励脉冲和 PWM 波的叠加,本装置采用 I/O 卡上的 8253 芯片定时通道产生 PWM 波和脉冲波,然后通过 I/O 板接口电路调制到需要的波形,如图 5.时钟信号图 5 喷射脉冲调制电路2OO4 年第 1 期王晓东.等:高压共轨系统动态特性测试装置的开发 2l?喷油器高速电磁阀驱动电路:驱动喷油器上的高速电磁阀需要高电压(100V),大电流以加快电磁阀的响应速度,采用 TY55N20E 型 VMOS管作为放大元件;采用光电耦合器
11、隔离驱动电路和脉冲调制电路;采用续流二极管反接来消除反电动势的影响;采用电容充电储能来消除瞬间大电流对电源的影响.110V 电压来自外购的 4NICTx220 型升压模块,输人电压 24V,输出电压110V,输出电流 2A.?凸轮转角传感器信号处理电路:本装置采用正弦波过零点触发的 Sehmitt 触发器,避免了矩形脉冲沿的变化.以处理得到的矩形脉冲上升沿触发计算机中断请求,在计算机中断服务程序中读取 I/O 板上计数器值以计算转速和凸轮转角.2.4 传感器的选型和信号调理电路?电磁阀升程传感器 :采用无锡传感器厂生产的 TDZ 一 1L 型电感式位移传感器,量程 02naln,精度 1%,载
12、波频率 10kHz,输出电压 05V.高速电磁阀的升程仅 0.2nffn,输出信号的电压偏小,设计了可调放大比例,可调偏置电压的放大电路.?共轨压力传感器 :采用中国空气动力中心生产的 MZ 型应变式压力传感器,量程 0150MPa,精度 0.3%,输出电压 030mV,用放大电路放大到 05V.?电流传感器 :采用霍尔式 KT100A/P 型电流传感器,量程 100A,输出电流 0100mA,外接5OQ 电阻使输出信号为 05V.?喷油速率传感器 :采用法国 EFS 公司生产的EMIlI 型单次喷射仪 ,单循环喷油量的量程 06OOnaln,精度 0.1%.3 应用效果使用该测试系统进行了高
13、压共轨系统的部件试验:对所开发的共轨喷油器进行了动态特性试验和参数优化,高速电磁周的响应时间0.4ms,喷油器控制特性和喷油规律达到了设计要求4】.试验结果见图 6.对购买到的国外高压共轨系统样机进行了控制试验,弄清了 ECDU2 系统的控制逻辑和控时问 fins图 6 试验结果曲线制数据,为分析国外样机的特点和跟踪开发奠定了基础.4 结论?本装置利用计算机为控制和数据采集核心,通过加装 A/D,I/O 卡和白行编制程序解决了共轨系统开发中的测试难题.通过对本系统的开发,掌握了共轨系统的控制原理和主要的控制参数,为开发共轨 ECU 奠定了基础.?通过开发各种电路 ,摸清了共轨系统的传感器型号调
14、理电路,喷油器电磁阀驱动电路等关键模块,并通过实验优化了电路参数和电磁阀参数,为进一步开发共轨喷油器奠定了基础.?本系统完全采用国内的元件,自主开发了电路和软件,具有自己的知识产权,也便于根据不同的测试对象修改电路和程序,适用范围广泛,应用灵活,提高了国内开发高压共轨系统过程中的测试水平.参考文献:1刘乐善.微型计算机接口技术及应用z.武汉:华中理工大学出版社,1999.2AC105012 位高速 A/D 板使用手册z.北京:双诺测控技术公司,1999.3FlY 一 6220 定时/计数板使用手册z.北京:华远自动化系统有限公司,1997.4林铁坚,汪洋 ,苏万华,等.高压共轨喷油器设计参数对性能影响的研究J.内燃机,2001,(4):289294./老羞器冰嚣掣曩餐 %/稚索耀
