CN102032065A - 基于fpga的柴油机电喷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于FPGA的柴油机电喷控制方法，CPU预先将控制PWM信号所需参数分配到指定地址，计算出柴油机转速、曲轴位置参数和喷油参数后，传递给FPGA，FPGA根据地址进行数据解码；参考柴油机转速、曲轴相位参数，通过PWM信号控制喷油。可以在FPGA容量允许范围内，实现任意数量PWM通道扩展，同时极大减轻了CPU负荷，提高了系统实时性。

Description

基于FPGA的柴油机电喷控制方法

技术领域

本发明涉及发动机控制技术，尤其涉及一种基于FPGA的柴油机电喷控制方法。

背景技术

内燃机是现代工业、运输业的动力之源，同时也制造了大量的尾气污染。目前，国内外提高柴油机动力性、经济性要求的同时，更加严格限制柴油机尾气排放。这就要求，能够全程各工况，柔性、精确控制柴油机，因此柴油机电喷控制器已经成为柴油机的重要部件。

电喷控制器柴油机喷油进行柔性精确控制，主要通过控制器其输出的PWM信号，进而控制喷油电磁阀实现。微控制器(CPU)是电喷控制器的核心，通常CPU所能提供的PWM通道数量有限，这就限制了其能控制柴油机气缸数量，同时对电喷控制阀控制的实时性受到CPU代码的顺序执行特性与中断优先级限制，很难提高。

目前，(汽)车用柴油机是柴油机电喷控制器应用最广泛的领域。通常车用柴油机气缸数量较少(一般为4、6缸)，常用CPU提供的PWM通道能够满足其对于控制气缸数量、实时性等方面的需求，可以直接使用。

然而，对于机车、船用大缸径、多缸柴油机而言，常用CPU提供的PWM通道数量有限，PWM通道数量限制了其能控制柴油机气缸数量，同时对多个喷油电磁阀控制的实时性很难提高。因此，必须实现电喷控制器PWM通道数量的扩展，才能完成多缸柴油机电喷控制任务。

传统的电喷控制器设计方法是选用PWM通道数量、速度、资源特别强大，足以满足电喷控制需求的CPU，这给电喷控制器的设计带来了一定的困难。其主要原因就是满足需求的高性能CPU难以选择，且成本较高。

随着嵌入式技术的不断发展，已经出现了一些技术可以解决上述问题。例如采用模拟PWM通道技术、PWM通道复用技术、多CPU同步技术，他们各有特点，又有各自的不足。

采用模拟PWM通道技术，通过CPU的通用I/O、配合定时器模拟出PWM通道。该方法需要使用的通用I/O和定时器，需要极高性能的CPU支持，通常使用外部总线时钟，实时性较差，精确性不足，难以满足电喷控制器对于时钟精确性的要求，只能用于低速、实时性要求不高的产品。

PWM通道复用技术，在电路设计上采用控制信号复用形式，使用CPU通用I/O控制同一时刻的通道选择，通过通道选择将PWM信号输出到指定的通道上。采用该方法可以在一定程度上满足电喷控制器的需求，但是在硬件、软件的设计上比较复杂，同时对于多缸(例如16缸)柴油机电喷控制器，仍然难以满足PWM通道数量和实时性的需求。

多CPU同步技术，采用多CPU并行设计方法或多控制单元并行工作方法，通过增加CPU的数量扩展PWM通道的数量。该技术需要用软件协调多CPU同步工作，硬件上也增加了复杂程度，提高了成本，同样该方法对于多缸柴油机仍有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术之不足，提供一种简便、可靠、高效率、低成本、实现PWM通道扩展、满足实时性需求的基于FPGA的柴油机电喷控制方法。

本发明的目的是这样现的：一种基于FPGA的柴油机电喷控制方法其特征在于采取下述步骤：

A.CPU预先将控制PWM信号所需参数分配到指定地址；

B.CPU通过检测柴油机转速、凸轮轴信号，计算出柴油机转速、曲轴位置参数；

C.CPU依据柴油机转速、曲轴位置参数，转速设定值参数，计算下一个喷油通道、喷油时刻、喷油时刻修正参数、启喷持续时间，启喷PWM脉宽参数，喷油持续期、维持PWM脉宽参数；

D.将上述参数通过外部总线传递给FPGA；

E.FPGA通过检测柴油机转速、凸轮轴信号，计算出柴油机转速、曲轴相位参数，进行精确曲轴相位同步；

F.监测外部总线，当有数据通过总线写入FPGA端口后，FPGA根据地址进行数据解码；

G.参考柴油机转速、曲轴相位参数，在指定启喷时刻，通过内部定时器进行计时，并进行启喷时刻修正；

H.开启内部计时，进入启喷模式，通过PWM信号控制电磁阀开启，并在指定时刻，结束启喷控制

I.开启内部计时，进入维持模式，通过PWM信号维持电磁阀开启，并在达到喷油持续期时结束维持控制。

采用本发明的方案，可以在FPGA容量允许范围内，实现任意数量PWM通道扩展，同时极大减轻了CPU负荷，提高了系统实时性。

附图说明

图1为本发明实施例的硬件原理框图；

图2为本发明实施例的CPU控制流程框图；

图3为本发明实施例的FPGA控制流程框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1。本实施例的柴油机电喷控制器PWM通道扩展模块包括：CPU、FPGA、信号采集接口、驱动电路、PWM输出接口。选择具有外部总线的CPU，作为电喷控制器核心。CPU的外部总线包括地址总线、控制总线、数据总线，连接到FPGA。信号采集接口连接到CPU和FPGA的对应输入端口。FPGA的各PWM信号输出端口与对应的PWM驱动电路相连。各PWM驱动电路将电磁阀驱动信号输出致对应PWM输出接口。

参看图2，说明CPU的软件流程。CPU上电开始后，首先进入框1.1初始化。进入框1.2分配各PWM通道参数地址。进入框1.3检测柴油机转速信号。进入框1.4检测凸轮轴信号，计算出柴油机转速、曲轴相位参数。进入框1.5检测设定转速。进入框1.6计算电喷参数，计算需发出信号的PWM通道序号及参数，(参数包括启喷时刻及修正值、启喷PWM脉宽、启喷PWM持续时间、电喷维持PWM脉宽、电喷维持PWM持续时间)。进入框1.7向指定地址写入上述PWM控制参数。进入框1.8判断是否成功，是：正常结束本次控制过程，返回框1.3；否则，进入框1.9累加并记录错误次数。进入框1.10判断是否达到预定错误次数，是，进入框1.11退出；否则，返回框1.3。

参看图3，说明FPGA的软件流程。首先进入框2.0，检测柴油机转速、凸轮轴信号，计算出柴油机转速、曲轴位置信息。进入框2.1判断是否检测收到的总线数据，否：进入框2.13，退出本次，是：进入框2.2。进入框2.2依据总线数据计算工作通道及各参数，参数包括启喷时刻及修正值、启喷PWM脉宽、启喷PWM持续时间、电喷维持PWM脉宽、电喷维持PWM持续时间)。进入框2.3设定为启喷模式。进入框2.4设定启喷模式PWM参数、定时参数。进入框2.5在指定时刻，即(喷油时刻+喷油时刻修正参数值)，启动启喷定时器。进入框2.6输出启喷PWM信号。进入框2.7判断是否到达启喷定时时间，否：返回框2.6，是：进入框2.8。进入框2.8设定为维持模式。进入框2.9设定维持模式PWM参数、定时参数。进入框2.10启动维持定时器。进入框2.11输出维持PWM信号。进入框2.12判断是否到达维持定时时间，否：返回框2.11，是：进入框2.13，正常结束本次控制过程。进入框2.13，结束本次PWM控制过程，返回框2.0。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种基于FPGA的柴油机电喷控制方法，其特征在于采取下述步骤：

A.CPU预先将控制PWM信号所需参数分配到指定地址；

B.CPU通过检测柴油机转速、凸轮轴信号，计算出柴油机转速、曲轴位置参数；

C.CPU依据柴油机转速、曲轴位置参数，转速设定值参数，计算下一个喷油通道、喷油时刻、喷油时刻修正参数、启喷持续时间，启喷PWM脉宽参数，喷油持续期、维持PWM脉宽参数；

D.将上述参数通过外部总线传递给FPGA；

E.FPGA通过检测柴油机转速、凸轮轴信号，计算出柴油机转速、曲轴相位参数，进行精确曲轴相位同步；

F.监测外部总线，当有数据通过总线写入FPGA端口后，FPGA根据地址进行数据解码；

G.参考柴油机转速、曲轴相位参数，在指定启喷时刻，通过内部定时器进行计时，并进行启喷时刻修正；

H.开启内部计时，进入启喷模式，通过PWM信号控制电磁阀开启，并在指定时刻，结束启喷控制

I.开启内部计时，进入维持模式，通过PWM信号维持电磁阀开启，并在达到喷油持续期时结束维持控制。

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