CN101634251A - 一种基于工控机的内燃机电控开发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工控机的内燃机电控开发系统，包括有：人机交互系统，用于显示发动机的各种状态信息，调节发动机的各项控制参数，以及选择发动机的运行模式；信息采集处理及存储系统，用于采集发动机的各种模拟量和开关量信息，并处理成数字量和进行存储；发动机控制系统，用于根据从人机交互系统和信息采集处理及存储系统处所获得的发动机的各种模拟量和开关量信息，获知发动机的工作状态，并实时控制发动机的运行。本发明提供的内燃机电控开发系统能够为电控单元的开发前期阶段提供参数支持，能够灵活、方便控制内燃机的运行，采集发动机相关运行参数，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

一种基于工控机的内燃机电控开发系统

技术领域

本发明涉及内燃机电子控制技术领域，特别是涉及一种基于工控机的高压共轨柴油机电控开发系统。

背景技术

内燃机作为一种动力机械，将燃料燃烧而产生的热能转化为机械能。目前内燃机广泛应用在工农业、交通运输、国防及人民日常生活中。

当前在经济发展过程中，我国的能源消耗过大，环境污染也比较严重，国家非常重视控制和减轻因能源消耗所带来的环境污染。因此能源危机和环境污染对柴油机这一主要的移动式动力装置提出了更高的经济性和排放指标，要求对内燃机进行更加精确、灵活的控制。

内燃机的电控单元(ECU)能够实现对内燃机的喷油量、喷油定时、喷射压力、喷油模式、EGR率等各种参数进行全工况范围内的最优控制。

当前，鉴于内燃机中的各控制参数柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳控制参数，从而优化内燃机综合性能，因此人们越来越重视内燃机的电控单元ECU的开发，内燃机的电控单元ECU开发主要包括硬件设计、控制策略及软件开发、控制参数标定及电控发动机性能优化三个阶段。

目前，现有的内燃机ECU存在硬件结构比较复杂的问题，且控制策略开发以及参数标定周期很长、成本投入很大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于工控机的内燃机电控开发系统，该电控开发系统能够为电控单元ECU的开发前期阶段提供参数支持，能够灵活、方便控制内燃机的运行，采集发动机相关运行参数，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种基于工控机的内燃机电控开发系统，包括有人机交互系统、信息采集处理及存储系统和发动机控制系统，其中：

人机交互系统，用于显示发动机的各种状态信息，调节发动机的各项控制参数，以及选择发动机的运行模式；

信息采集处理及存储系统，用于采集发动机的各种模拟量和开关量信息，并处理成数字量和进行存储；

发动机控制系统，分别与人机交互系统、信息采集处理及存储系统相连接，用于根据从人机交互系统和信息采集处理及存储系统处所获得的发动机的各种模拟量和开关量信息，获知发动机的工作状态，并实时控制发动机的运行。

优选地，所述人机交互系统根据预调节或者在线调节的方式来调节发动机的各项控制参数。

优选地，所述信息采集处理及存储系统中包括有数据采集卡，用于完成发动机各种模拟量和开关量信息的采集。

优选地，所述信息采集处理及存储系统中包括有扩充内存规范EMS模块，该模块用于扩展系统能够访问的内存数量。

优选地，发动机控制系统包括有：管理单元和执行单元，其中，

所述管理单元，用于根据发动机的各种模拟量和开关量信息来判断发动机的工作状态，并根据发动机的不同状态和用户的指令来向执行单元发出控制指令和控制参数；

执行单元，用于根据管理单元所发送的控制指令和控制参数，控制定时计数板发出控制信号，实时完成对各种电控执行器的控制。

优选地，所述基于工控机的电控开发系统可对发动机的各个工况进行控制，，所述发动机的各个工况包括有预起动工况、起动工况、怠速工况、稳定工况和限速工况。

优选地，所述执行单元中包含有中断模块，该中断模块用于根据外部的中断请求，暂时中断当前控制指令和控制参数对发动机的控制，转去执行中断请求所要求的对发送机的控制操作。

优选地，所述执行单元中还包括有喷油定时处理模块，用于根据管理单元所发送的控制指令和控制参数，定时控制发动机进行喷油。

优选地，所述执行单元中还包括有共轨油压控制模块，用于根据管理单元所发送的控制指令和控制参数，控制发动机的共轨油压。

优选地，所述电控开发系统的运行模式包括：发动机MAP模式、优化标定模式以及油泵控制模式。

优选地，所述电控开发系统的优化标定模式能够在优化标定模式下进行喷油策略的灵活调制，实现包括单次喷射、预喷射和主喷射、主喷射和后喷射、预喷射和主喷射和后喷射、多脉冲喷射在内的多种喷油模式，其喷油次数最高为8次，且每次喷射喷油定时可控。

由以上本发明提供的技术方案可见，本发明与现有技术相比，本发明提供的一种基于工控机的内燃机电控开发系统，该电控开发系统能够为电控单元ECU的开发前期阶段提供参数支持，能够灵活、方便控制内燃机的运行，采集发动机相关运行参数，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于工控机的内燃机电控开发系统实施对高压共轨柴油机控制的结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于工控机的内燃机电控开发系统对高压共轨柴油机实施例的结构示意图；

图3为内燃机电控开发系统对高压共轨柴油机实施例的控制流程图；

图4为喷油定时的确定示意图；

图5为本发明系统实施6次喷射时所采集的控制信号和喷油器电磁阀电流示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式以对高压共轨柴油机的控制为例对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明提供的一种基于工控机的内燃机电控开发系统对高压共轨柴油机实施控制的结构示意图。

参见图1，提供了一种基于工控机的内燃机电控开发系统对高压共轨柴油机控制的实施方式，该系统能够完成对高压共轨柴油机的实时控制、数据采集和人机对话管理等多项任务的实时调度，该系统包括有人机交互系统101、信息采集处理及存储系统102和发动机控制系统103，其中：

人机交互系统101，用于显示发动机的各种状态信息，调节发动机的各项控制参数，以及选择发动机的运行模式；

本发明的电控开发系统具有良好的人机交互性。一方面，通过该人机交互系统能把各种发动机状态信息、当前的控制参数以数字、文字或者图形方式直观的显示出来；另一方面，通过预调节或者在线调节的方式，用户可以方便地调节发动机的各项控制参数。

为了实现调节发动机的各项控制参数，本发明采用两种参数调节机制，其中一种为在线调节方式，即诸如喷油量、喷油定时，油量计量单元控制信号的占空比等需要根据发动机运行要求而改变的参数，只是采用在线调节方式，用户可以通过键盘进行的调节操作。由于调节而对发动机的各个控制参数所做的修改不做任何记录；

另一种为预调节方式，借助存储在计算机中的参数文件，系统启动后，首先利用存储在文件中的参数值对特定的参数进行初始化。在确定这些控制参数的优化值后，将修改后的值存入外部参数文件，下次系统启动时直接按优化修改后的值工作，也可以直接对外部参数文件进行输入操作。

在本发明中，所述电控开发系统定义了三种运行模式：分别为发动机MAP模式、优化标定模式以及油泵控制模式。

所述发动机MAP模式是指将整个发动机的运行工况用扭矩-转速平面表示，由转速-油门踏板位置-指示扭矩MAP，确定不同转速下的指示扭矩的大小，再根据转速-指示扭矩-喷油量MAP，完成喷油量计算。喷油量确定后根据转速-喷油量-喷射时刻MAP确定喷射时刻，根据转速-喷油量-共轨压力MAP确定共轨压力，进而确定高压油泵油量计量单元的占空比或者高压油泵PCV阀的控制脉宽和作用时刻；共轨压力确定后根据喷油量-共轨压力-喷油脉宽确定喷油器控制脉冲宽度。对于EGR阀、VVT等其他执行器件也是在确定扭矩后，根据相应的MAP图确定的。然后将这些计算的控制参数通过相应的控制字控制硬件发出相应的信号，驱动执行器件。

所述发动机的优化标定模式是指在发动机的全工况内，操作者可以选择单次主喷射、预喷射和主喷射、主喷射和后喷射、预喷射和主喷射和后喷射或多次喷射等多种喷油策略、喷油压力、喷射定时、EGR率、VVT定时等各参数，进行发动机各个工况的优化标定试验，用来完成ECU前期的参数和MAP标定。系统最多可以实现8次喷射，实现多种喷油模式的灵活组合，为发动机试验提供了方便。如图5所示，为系统实施6次喷射时所采集的控制信号和喷油器电磁阀电流。

所述油泵控制模式是指为了标定各种喷油策略的喷油规律，要在油泵试验台上进行喷油器的标定试验，此时电控开发系统根据油泵的转速模拟发动机运行，在定时的时侯不再调用角标中断，直接触发内中断控制定时，完成喷油规律的标定试验，用以指导发动机标定试验。

信息采集处理及存储系统102，用于采集发动机的各种模拟量和开关量信息，并处理成数字量和进行存储；

具体实现上，信息采集处理及存储系统102包括有数据采集卡，利用数据采集卡的多通道多循环采样功能，完成发动机的共轨压力、喷油规律等各种模拟量和开关量信息的采集。

需要说明的是，本发明基于DOS操作系统而开发，鉴于DOS系统管理的基本内存限于640KB，不能满足用户访问及存储数据的要求。为了避开DOS内存限制，本发明的信息采集处理及存储系统102中包括有扩充内存规范(EMS)模块，通过使用该扩充内存规范(EMS)模块来保证系统运行时能够访问更大数量的内存。EMS应用模块用于实现扩充系统能够访问的内存数量的功能，主要包括以下操作步骤：计算机EMS状态检测，扩充内存页分配及句柄获取，逻辑页到物理页的映射，扩充内存页的读写操作，释放句柄所有扩充内存页。

需要说明的是，扩展内存规范EMS定义了扩充内存的组织和行为。EMS可将容量高达32MB的扩充内存划分为许多16KB大小的页，这被称为逻辑页；并在CPU可直接王文的物理空间中划出一块64KB的连续区，被称为页帧；页帧也可划分为4个16KB的页，被成为物理页，将其编号为0，1，2，3。

发动机控制系统103，分别与人机交互系统101、信息采集处理及存储系统102相连接，用于根据从人机交互系统101和信息采集处理及存储系统102处所获得的发动机的各种模拟量和开关量信息，获知发动机的工作状态，并实时控制发动机的运行，其具体的整个控制流程如图3所示。

参见图2，发动机控制系统103包括有：管理单元1031和执行单元1032，其中，

所述管理单元1031是发动机控制系统的上层单元，用于根据发动机的各种模拟量和开关量信息来判断发动机的工作状态，并根据发动机的不同状态和用户的指令来向执行单元1032发出控制指令和控制参数；

执行单元1032，用于根据管理单元1031所发送的控制指令和控制参数，控制定时计数板(如定时卡PS2401)发出控制信号，实时完成对各种电控执行器(如喷油器和油泵计量单元以及其他诸如可变气门正时VVT、废气再循环EGR阀等)的控制。

在本发明中，需要说明的是，管理单元1031根据发动机同步信号、角标信号、油门踏板位置传感器信号和共轨压力信号等信息来获知发动机的工作状态。

在本发明中，需要说明的是，发动机同步信号又称气缸识别信号，是安装于凸轮轴上的气缸识别传感器发出的信号，用于确定发动机各缸的上止点；角标信号是安装在与发动机曲轴同轴的转速传感器发出的，它的作用是实时判断曲轴的瞬态位置、计算发动机的转速，与气缸识别传感器结合满足电控开发系统计算喷油定时及其他电控执行器定时的需要；油门踏板位置传感器信号是由油门踏板位置传感器发出的，油门踏板的位置的大小反映了柴油机负荷的大小，当获取油门踏板位置传感器信号后，传到电控单元与计算转速确定发动机的运行工况，才能够读取相应的Map计算喷油量、喷油定时、喷油压力以及其他电控执行器的控制参数；共轨压力传感器信号是安装在共轨传感器发出，为了精确控制共轨油压，当高压油泵产生的高压燃油被送入共轨后，由设置在共轨上的油压传感器测定共轨中的实际燃油压力，为电控系统提供反馈信息，由电控单元对高压油泵实施反馈控制，使油压稳定在目标值。

在本发明中，整个发动机的运行工况可以用扭矩-转速平面表示，由转速-油门踏板位置-指示扭矩MAP，确定不同转速下的指示扭矩的大小，再根据转速-指示扭矩-喷油量MAP，完成喷油量计算。喷油量确定后根据转速-喷油量-喷射时刻MAP确定喷射时刻，根据转速-喷油量-共轨压力MAP确定共轨压力，进而确定高压油泵油量计量单元的占空比或者高压油泵PCV阀的控制脉宽和作用时刻；共轨压力确定后根据喷油量-共轨压力-喷油脉宽确定喷油器控制脉冲宽度。对于EGR阀、VVT等其他执行器件也是在确定扭矩后，根据相应的MAP确定的。然后将这些计算的控制参数通过相应的控制字控制硬件发出相应的信号，驱动执行器件。

在本发明中，参见图3，发动机的运行工况(即工作状态)包括有预起动工况、起动工况、怠速工况、运行(稳定工况)工况和限速工况。

其中，在发动机起动的过程中，发动机转速低于250rpm(某一转速)或共轨压力低于40MPa(某一压力值)时，定义为预起动工况，此时，管理单元1031向执行单元1032发出控制发动机不喷油的控制指令，同时根据起动工况的最佳喷射压力值设定目标共轨油压，具体实现上，可通过增量式PID算法调节共轨油压达到目标值。

当发动机转速高于250rpm(预先设定的起动转速)且共轨油压达到目标值后，发动机进入起动工况，按起动喷油定时、起动喷油量实施喷油控制。同时根据起动工况的最佳喷射压力值设定目标共轨油压，具体实现上，可通过增量式PID算法调节共轨油压达到目标值。

怠速工况是指发动机空转时一种工作状况。在发动机运转时，如果完全放松油门踏板，这时发动机就处于怠速状态。发动机怠速时的转速被称为怠速转速，是维持发动机没有做功时正常运转的最低转速。怠速工况最佳的喷射压力和喷油定时也需要通过实验来确定，怠速目标转速可以预先设定，也可以根据实验需要随时调节，发动机根据用户的控制指令进入怠速工况，控制共轨油压达到怠速喷射压力，喷油量由怠速PID算法计算得出，以控制发动机稳定在怠速转速。

运行工况是指发动机的油门踏板和转速都保持在稳定状态。

如果发动机转速超过最高值或者出现其它异常情况，称之为限速工况，此时，本发明的系统需要自动减少喷油量和共轨油压，控制发动机停机。

需要说明的是，在本发明中，当本发明提供的系统运行于发动机MAP模式时才会进行工况判断及相关指令操作，当系统运行在发动机优化标定模式时，系统根据用户的控制来调节设定喷油模式、喷油量、喷油压力、VVT定时、EGR等相关控制参数。

在本发明中，参见图3，为了让执行单元1032根据管理单元1031所发送的控制指令和控制参数，实时完成对各种电控执行器(如喷油器和油泵计量单元以及其他诸如可变气门正时VVT、废气再循环EGR阀等)的控制，该执行单元1032中包含有中断模块，该中断模块用于根据外部的中断请求，暂时中断当前控制指令和控制参数对发动机的控制，转去执行中断请求所要求的对发送机的控制操作。通过该中断模块，可以满足本发明进行实时多任务处理的要求。

在本发明中，外设及其接口的中断请求分为边沿请求和电平请求，识别中断请求信号由低到高或由高到低的跳变是边沿触发的请求，识别中断请求信号为高电平或低电平是电平触发的请求。本发明的电控开发系统的中断模块的运行控制由工控机内ISA总线的中断控制线实现，其中断请求方式为上升沿(即低电平到高电平跳变)有效。

在本发明中，为了通过人机交互系统101和信息采集处理和存储系统103来提供人机交互服务和信息采集、存储等服务，实现信息显示的不断更新和让用户对系统的控制指令信息输入的随时性，发动机控制系统103必须保持对人机交互系统101和信息采集处理和存储系统103的执行，对于发动机控制，需要采用上述中断模块提供中断服务的方式来完成。

在本发明中，为了让执行单元1032根据管理单元1031所发送的控制指令和控制参数，定时控制发动机进行喷油，该执行单元1032中还包含有喷油定时处理模块，用于控制发动机进行定时喷油。

需要说明的是，鉴于油泵同步信号与发动机各缸的压缩上止点相对应，而且相对位置在油泵装上发动机后就确定了，如图4所示，图4中的间隔4所指为油泵同步信号上升沿与下一个发动机角标信号上升沿间隔角度。以压缩上止点前基准角度出现的同步脉冲作为发动机的喷油控制时间基准。实际开始喷油的时刻相对压缩上止点的角度定义为喷油提前角，根据同步脉冲与压缩上止点的间隔、喷油提前角和喷油响应延迟时间，可以计算出发出喷油控制信号的时刻与同步脉冲的间隔角度，定义为喷油定时。

在本发明中，转速信号传感器安装在发动机飞轮壳上与齿圈对应的位置，发动机每转一圈，产生60个角标信号(转速信号)。同步信号中断服务函数计算出喷油定时后，利用角标信号间隔角度，将喷油定时转换成角标计数值，再允许角标信号中断请求。角标信号中断服务函数由角标信号请求执行，每次执行减1计数。当角标计数值减为0时，利用前几个角标信号对应的定时器计数值计算出发动机转速，由发动机转速将喷油定时的余角转换成时间。计数器计时结束后，发出内中断请求，内中断服务函数执行喷油及其他执行执行器的控制。

此外，在本发明中，为了让执行单元1032根据管理单元1031所发送的控制指令和控制参数，控制发动机的共轨油压，该执行单元1032中还包含有共轨油压控制模块，用于控制发动机的共轨油压。

具体实现上，本发明对共轨油压的控制是通过控制安装在高压油泵上的油量计量单元来实现的。利用油泵计量单元内电磁阀开启程度的变化从而控制供入共轨的燃油量，从而控制共轨压力，而电磁阀电流的控制是通过控制占空比实现的。

综上所述，本发明提供的一种基于工控机的内燃机电控开发系统，该电控开发系统能够为电控单元ECU的开发前期阶段提供参数支持，能够灵活、方便控制高压共轨柴油机的运行，采集发动机相关运行参数，且造价低廉，适合大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

需要指出的是以上是内燃机电控开发系统对高压共轨柴油机实施控制的实现方式，该开发系统还适用于汽油机，天然气发动机等其他形式燃料发动机的电子控制及控制策略的开发。

本发明提供的一种基于工控机的内燃机电控开发系统是软件系统，其特色是可以进行控制策略的开发。譬如：高压共轨柴油机共轨油压的PID控制策略开发，起动策略的开发、怠速控制策略开发，喷油模式控制策略开发等等，在上面提到的各种工况控制策略，不一定是其中的一种，在本发明系统中还可以尝试多种策略，通过比较结果从而为控制策略开发提供依据，这是本发明系统的特色。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1、一种基于工控机的内燃机电控开发系统，其特征在于，包括有人机交互系统、信息采集处理及存储系统和发动机控制系统，其中：

人机交互系统，用于显示发动机的各种状态信息，调节发动机的各项控制参数，以及选择发动机的运行模式；

信息采集处理及存储系统，用于采集发动机的各种模拟量和开关量信息，并处理成数字量和进行存储；

发动机控制系统，分别与人机交互系统、信息采集处理及存储系统相连接，用于根据从人机交互系统和信息采集处理及存储系统处所获得的发动机的各种模拟量和开关量信息，获知发动机的工作状态，并实时控制发动机的运行。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述人机交互系统根据预调节或者在线调节的方式来调节发动机的各项控制参数。

3、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息采集处理及存储系统中包括有数据采集卡，用于完成发动机各种模拟量和开关量信息的采集。

4、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信息采集处理及存储系统中包括有扩充内存规范EMS模块，该模块用于扩展系统能够访问的内存数量。

5、如权利要求1所述的系统，其特征在于，发动机控制系统包括有：管理单元和执行单元，其中，

所述管理单元，用于根据发动机的各种模拟量和开关量信息来判断发动机的工作状态，并根据发动机的不同状态和用户的指令来向执行单元发出控制指令和控制参数；

执行单元，用于根据管理单元所发送的控制指令和控制参数，控制定时计数板发出控制信号，实时完成对各种电控执行器的控制。

6、如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述基于工控机的电控开发系统可对发动机的各工况进行控制，所述发动机的各工况包括有预起动工况、起动工况、怠速工况、稳定工况和限速工况。

7、如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述执行单元中包含有中断模块，该中断模块用于根据外部的中断请求，暂时中断当前控制指令和控制参数对发动机的控制，转去执行中断请求所要求的对发送机的控制操作。

8、如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述执行单元中还包括有喷油定时处理模块，用于根据管理单元所发送的控制指令和控制参数，定时控制发动机进行喷油。

9、如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述执行单元中还包括有共轨油压控制模块，用于根据管理单元所发送的控制指令和控制参数，控制发动机的共轨油压。

10、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电控开发系统的运行方式包括：发动机MAP模式、优化标定模式以及油泵控制模式。

11、如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电控开发系统能够在优化标定模式下进行喷油策略的灵活调制，实现包括单次喷射、预喷射和主喷射、主喷射和后喷射、预喷射和主喷射和后喷射、多脉冲喷射在内的多种喷油模式，其喷油次数最高为8次，且每次喷射喷油定时可控。

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