CN103512617B - 智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，包括上位机、下位机、数据采集卡；下位机包括霍尔传感器和数据记录器，霍尔传感器通过信号线与数据记录器连接；数据记录器通过CAN总线通讯网络连接上位机；数据采集卡通过信号线连接到上位机。本发明能够实现自动测量并准确获得柴油机每一工作循环电控执行器工作过程中的动作时刻、动作持续时间和相位、燃油喷射量、电控执行器驱动波形等，用于控制系统控制策略分析。连线少，组件体积小、重量轻，适用于实船环境的便携式测量。

Description

智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统。

背景技术

大功率智能化船用低速柴油机智能化控制系统技术含量高，是多学科综合的高技术产品。低速机电控系统的控制策略主要包括燃油喷射、排气阀启闭、空气起动系统的详细控制策略，其中准确地获得柴油机每一工作循环电控执行器工作过程中的动作时刻、动作持续时间和相位、燃油喷射量、电控执行器驱动电压与电流波形等是分析控制系统控制策略的一种非常有效的方法。

现有的对智能化低速机电控执行器的动作时间及相位进行测量的方法有以下两种：一、采用示波器等简单的通用测量仪器设备进行手动测量；二、利用低速机自带的运行监控软件监测低速机运行过程中的部分参数。

第一种利用示波器的测量方法，只能获得电控执行器的驱动电压波形。由于智能化低速机的角度相位基准采用绝对值编码器，并且采用基于SSI（ServerSideInclude）接口的差分线传输角度值数据，示波器等通用测量设备对此无能为力，无法获取电控执行器的动作时刻及角度相位，因此无法实现自动测量，不仅测量效率低下，而且无法获取足够多的试验数据。

第二种利用低速机自带的监控软件进行测量的方法，由于其监控软件的主要功能是监控船用低速主机的运行状态，受其通用性的用途及总线网络通讯速率的影响，提供的数据是一段工作时间内的平均值，无法提供并详细记录每一工作循环每个电控执行器的动作时刻及角度相位信息，无法记录并显示柴油机变工况过程中控制系统的具体调节过程，无法为分析控制系统控制策略提供详尽的试验数据。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种智能化低速机电控执行器的测量装置，能够自动测试记录用于控制系统控制策略分析所需的成组试验数据。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，能够自动测量并准确获得柴油机每一工作循环电控执行器工作过程中的动作时刻、动作持续时间和相位、燃油喷射量、电控执行器驱动波形等，用于控制系统进行控制策略分析。

为实现上述目的，本发明提供了一种智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，包括上位机、下位机、数据采集卡和CAN总线通讯网络；下位机包括霍尔传感器和数据记录器，霍尔传感器通过信号线与数据记录器连接；数据记录器通过CAN总线通讯网络连接上位机；CAN总线采用CCP协议进行通讯；数据采集卡通过信号线连接到上位机。

CAN（ControllerAreaNetwork）是指控制器局域网络；CCP（CANCalibrationProtocol）是一种基于CAN总线的ECU（ElectronicControlUnit）标定协议。

进一步地，上位机内设置有试验数据实时存储模块、试验数据实时显示模块、历史试验数据条件查询模块、试验数据曲线绘制模块、电磁阀驱动电流波形显示模块、轨压调节测试模块。

进一步地，试验数据实时存储模块、试验数据实时显示模块、历史试验数据条件查询模块、试验数据曲线绘制模块、电磁阀驱动电流波形显示模块、轨压调节测试模块通过信号线分别连接CAN总线通讯网络。

进一步地，霍尔传感器非接触采集电控执行器在每一工作循环过程中的动作时刻、开启角度相位、关闭角度相位、动作持续角度、动作持续时间的试验数据，并将动作时刻、开启角度相位、关闭角度相位、动作持续角度、动作持续时间的试验数据记录于数据记录器上。

进一步地，数据记录器设置有高速同步串行口，高速同步串行口对记录于数据记录器上的试验数据进行绝对值编码器表征的角度相位的解析，并对试验数据进行计算分析。

进一步地，数据采集卡包括第一数据采集卡，第一数据采集卡通过信号线与电磁阀驱动电流波形显示模块连接；电磁阀驱动电流波形显示模块用于显示来自第一数据采集卡的电磁阀驱动电流试验数据，试验数据包括柴油机的控制电磁阀的驱动电流波形、空气起动阀的驱动电流波形、公用空气起动阀的驱动电流波形和排气阀的驱动电流波形。

进一步地，数据采集卡还包括第二数据采集卡，第二数据采集卡通过信号线于轨压调节测试模块连接；轨压调节测试模块用于显示来自第二数据采集卡的轨压调节试验数据，试验数据包括燃油轨压信号、燃油轨压调节控制信号、伺服油轨压信号和伺服油轨压调节控制信号。

进一步地，第一数据采集卡和第二数据采集卡为输入±60V直流信号的USB接口的数据采集卡。

其中，USB（UniversalSerialBus）是指通用串行总线。

进一步地，试验数据实时存储模块用于实时存储柴油机的电控执行器在每个工作循环中的开启角度、关闭角度、喷油持续角度、喷油持续时间。

优选地，电控执行器包括喷油器、空气起动阀和公用空气起动阀。

进一步地，上位机为计算机。

在本发明的较佳实施方式中，一种智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，包括上位机、下位机和数据采集卡；其中，下位机包括霍尔传感器和数据记录器，霍尔传感器通过信号线与数据记录器连接；数据记录器通过CAN总线通讯网络连接上位机。霍尔传感器非接触采集电控执行器在每一工作循环过程中的，并将动作时刻、开启角度相位、关闭角度相位、动作持续角度、动作持续时间的试验数据记录于数据记录器上。数据记录器设置有高速同步串行口，对记录于数据记录器上的试验数据进行绝对值编码器表征的角度相位的解析，并对试验数据进行计算分析。所得试验数据通过CAN总线通讯网络连接上位机，并通过上位机内设置的试验数据实时存储模块、试验数据实时显示模块进行实时存储和显示。数据采集卡包括第一数据采集卡和第二数据采集卡，第一数据采集卡通过信号线与电磁阀驱动电流波形显示模块连接；用于显示柴油机的各个电控执行器的驱动电流波形；第二数据采集卡通过信号线与轨压调节测试模块连接，用于绘制轨压的变化曲线。

由此可见，本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够详细记录每一工作循环每个电控执行器的动作时刻及角度相位，能够读入绝对值编码器表征的角度相位，将记录的数据和当时发动机的工况数据以及用于修正的传感器信息数据关联起来，一并记录在数据库内；能够进行不同时间、不同地点获得的相同工况试验数据的自动合并分析；用于实现自动测试记录用于控制系统控制策略分析所需的成组试验数据。另外，能够观察电控执行器的驱动电压波形、驱动电流波形，将控制信号和被控对象数据同时以曲线的形式关联显示在同一观察窗内。

2、本发明使用微控制器的高速同步串行口及差分电平信号转换电路，能够实现智能化船用低速机独特的绝对值编码器表征的角度相位的读取与解码工作。

3、本发明采用CAN总线网络传输试验数据，减少了测量系统连线的复杂程度；采用CCP协议进行通讯，有利于上位机向下位机主动请求所需试验数据。

4、本发明大量使用霍尔传感器等非接触传感器与电控执行器非接触连接，在对控制系统工作过程影响非常小或不影响柴油机正常运行的条件下，获取电控执行器的动作信号等信息。

5、本发明能够实现自动测量并准确获得柴油机每一工作循环电控执行器工作过程中的动作时刻、动作持续时间和相位、燃油喷射量、电控执行器驱动波形等，能够借助数据库方便地分析整理试验数据。

6、本发明使用数据库管理测试获得的试验数据，能够方便地定义不同查询条件查询历史试验数据，自动合并相同工况下的试验数据。

7、本发明能够关联显示如轨压曲线、轨压调节信号曲线以便于分析控制系统工作过程。

8、本发明连线少，组件体积小、重量轻，适用于实船环境的便携式测量。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，包括上位机1、下位机2、数据采集卡和CAN总线通讯网络。上位机为计算机。下位机2包括霍尔传感器和数据记录器，霍尔传感器通过信号线与数据记录器连接；数据记录器通过CAN总线通讯网络连接上位机1。数据采集卡通过信号线连接到上位机1。

下位机2的霍尔传感器为非接触传感器，可用于非接触采集电控执行器3在每一工作循环过程中的动作时刻、开启角度相位、关闭角度相位、动作持续角度、动作持续时间的试验数据，并将上述动作时刻、开启角度相位、关闭角度相位、动作持续角度、动作持续时间的试验数据以及当时发动机的工况数据、用于修正的传感器信息数据等通过信号线传输并记录于数据记录器上。本发明的霍尔传感器可实现在对控制系统的工作过程影响非常小的条件下获取所需信息。

下位机2的数据记录器设置有微控制器和角标信号解码模块，微控制器包括高速同步串行口及差分电平信号转换电路，对记录于数据记录器上的试验数据进行绝对值编码器表征的角度相位的读取和解析工作，并对试验数据进行计算分析，整理成CAN报文。角标信号解码模块获取角标信号作为时间基准，保证霍尔传感器获得的电控执行器的动作信号与角标信号时间与相位上同步。

由此，本发明通过霍尔传感器和数据记录器实现获取每一工作循环每个电控执行器的动作时刻及角度相位，能够读入绝对值编码器表征的角度相位，将记录的数据和当时发动机的工况数据以及用于修正的传感器信息数据关联起来，一并记录在数据库内；进行不同时间、不同地点获得的相同工况试验数据的自动合并分析；用于实现自动测试记录用于控制系统控制策略分析所需的成组试验数据。上述动机的工况数据以及用于修正的传感器信息数据的获取为智能化低速机的现有技术，在此不再赘述。

进一步，数据记录器将CAN报文格式的试验数据通过CAN总线通讯网络连接到上位机（如PC机）。本发明的CAN总线能够高速有效地传输试验数据并减少试验系统连线。此外，CAN总线采用CCP协议进行通讯，以利于上位机主动向下位机请求关心的试验数据。其中，CAN（ControllerAreaNetwork）是指控制器局域网络；CCP（CANCalibrationProtocol）是一种基于CAN总线的ECU（ElectronicControlUnit）标定协议。

数据采集卡包括第一数据采集卡4和第二数据采集卡5。其中，第一数据采集卡4通过信号线与电磁阀驱动电流波形显示模块连接，第二数据采集卡5通过信号线与轨压调节测试模块连接。

上位机1内设置有试验数据实时存储模块、试验数据实时显示模块、历史试验数据条件查询模块、试验数据曲线绘制模块、电磁阀驱动电流波形显示模块、轨压调节测试模块。试验数据实时存储模块、试验数据实时显示模块、历史试验数据条件查询模块、试验数据曲线绘制模块、电磁阀驱动电流波形显示模块、轨压调节测试模块通过信号线分别连接CAN总线通讯网络。

试验数据实时存储模块用于实时存储柴油机（包括9缸27个喷油器、9个空气启动阀、2个公用空气启动阀）在每个工作循环中的各喷油器的开启角度、关闭角度、喷油持续角度、喷油持续时间；每个排气阀的开启角度、关闭角度、排气持续角度、排气持续时间；每个空气启动阀的开启角度、关闭角度、充气持续角度、充气持续时间；第一燃油泵调节阀控制信号的信号量大小（采3个点）、第二燃油泵调节阀控制信号的信号量大小（采3个点）、第一伺服油泵调节阀控制信号的信号占空比、第二伺服油泵调节阀控制信号的信号占空比、第三伺服油泵调节阀控制信号的占空比；本工作循环（两路备份）的进气压力、车钟信号量大小、燃油轨压、伺服油轨压、柴油机平均转速、每缸的喷油量、盘车装置脱离表征信号；本工作循环的当前时间。以上数据由下位机的数据记录器计算完成后，通过CAN总线上传给上位机，上位机按每个工作循环成组存储以上数据以方便历史数据查询。下位机在开始传输下一个工作循环的相关数据前，给上位机发送新工作循环数据开始传输的触发信号；试验数据存入ACCESS数据库软件中。

试验数据实时显示模块用于显示数据实时存储模块中存储的所有数据，数据显示每30秒更新一次，显示柴油机当前工作循环前上一个工作循环的成组数据。由于软件界面要显示的数据较多，可以分屏显示，在各分屏间方便地实现屏幕切换。

历史试验数据条件查询模块用于按试验时间段查询数据，可以按转速和喷油量大小两个条件查询，或者按轨压和喷射持续角度两个条件查询。查询结果为完整的一个工作循环的成组数据，按时间排序。

试验数据曲线绘制模块用于根据按试验时间段查询出的成组试验数据组，以试验时间为横坐标，分别或同时绘制任意一缸（可选择缸号）的转速变化曲线、轨压变化曲线、轨压控制信号变化曲线，喷油提前角变化曲线、喷油量变化曲线、排气阀开启角度变化曲线、排气阀关闭角度变化曲线、进气温度变化曲线、进气压力变化曲线。

电磁阀驱动电流波形显示模块用于显示来自第一数据采集卡4（16路）的电动执行器6驱动电流试验数据，该试验数据包括柴油机第一缸3个喷油器的控制电磁阀（共6个）、1个空气启动阀、2个公用空气启动阀、2个排气阀控制电磁阀共11路的驱动电流波形，各路之间可以方便切换。对用户感兴趣的波形可以变成静态显示，并存储该波形的相关数据。第一数据采集卡为NI-USB系列的多功能数据采集设备，电磁阀驱动电流波形显示模块通过USB传输信号线连接第一数据采集卡。

轨压调节测试模块用于显示来自第二数据采集卡5（16路）的燃油轨压7和伺服油压8的调节试验数据，并且以时间为单位绘制轨压变化曲线、轨压调节信号变化曲线，对用户感兴趣的波形可以变成静态显示，并以文件格式存储该波形的相关数据。第二数据采集卡为NI-USB系列的多功能数据采集设备，轨压调节测试模块通过USB传输信号线连接第二数据采集卡。

第一数据采集卡4和第二数据采集卡5为可输入±60V直流信号的USB接口的数据采集卡，用于电磁阀驱动电流信号或驱动电压信号的采集，以及燃油轨压信号、燃油轨压调节控制信号、伺服油轨压信号、伺服油轨压调节控制信号的采集。

可见，本发明能够详细记录每一工作循环每个电控执行器的动作时刻及角度相位，能够读入绝对值编码器表征的角度相位，将记录的数据和当时发动机的工况数据以及用于修正的传感器信息数据关联起来，一并记录在数据库内；能够进行不同时间、不同地点获得的相同工况试验数据的自动合并分析；用于实现自动测试记录用于控制系统控制策略分析所需的成组试验数据。另外，能够观察电控执行器的驱动电压波形、驱动电流波形，将控制信号和被控对象数据同时以曲线的形式关联显示在同一观察窗内。

此外，本发明能够实现自动测量并准确获得柴油机每一工作循环电控执行器工作过程中的动作时刻、动作持续时间和相位、燃油喷射量、电控执行器驱动波形等，能够借助数据库方便地分析整理试验数据。进一步，本发明通过使用数据库管理测试获得的试验数据，能够方便地定义不同查询条件查询历史试验数据，自动合并相同工况下的试验数据。本发明还能够关联显示如轨压曲线、轨压调节信号曲线以便于分析控制系统工作过程。

本发明连线少，组件体积小、重量轻，适用于5～9缸低速柴油机智能化控制系统的测量分析以及实船环境的便携式测量。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其特征在于，包括上位机、下位机、数据采集卡和CAN总线通讯网络；

所述下位机包括霍尔传感器和数据记录器，所述霍尔传感器通过信号线与数据记录器连接；

所述霍尔传感器非接触采集电控执行器在每一工作循环过程中的动作时刻、开启角度相位、关闭角度相位、动作持续角度、动作持续时间的试验数据，并将所述动作时刻、开启角度相位、关闭角度相位、动作持续角度、动作持续时间的试验数据记录于所述数据记录器上；

所述数据记录器设置有高速同步串行口，所述高速同步串行口对记录于所述数据记录器上的所述试验数据进行绝对值编码器表征的角度相位的解析，并对所述试验数据进行计算分析；

所述数据记录器通过CAN总线通讯网络连接上位机；

所述CAN总线通讯网络采用CCP协议进行通讯；

所述数据采集卡通过信号线连接到上位机。

2.如权利要求1所述的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其中，所述上位机内设置有试验数据实时存储模块、试验数据实时显示模块、历史试验数据条件查询模块、试验数据曲线绘制模块、电磁阀驱动电流波形显示模块和轨压调节测试模块。

3.如权利要求2所述的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其中，所述试验数据实时存储模块、所述试验数据实时显示模块、所述历史试验数据条件查询模块、所述试验数据曲线绘制模块、所述电磁阀驱动电流波形显示模块、所述轨压调节测试模块通过信号线分别连接所述CAN总线通讯网络。

4.如权利要求2所述的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其中，所述数据采集卡包括第一数据采集卡，所述第一数据采集卡通过信号线与所述电磁阀驱动电流波形显示模块连接；所述电磁阀驱动电流波形显示模块用于显示来自第一数据采集卡的电磁阀驱动电流试验数据，所述电磁阀驱动电流试验数据包括柴油机的控制电磁阀的驱动电流波形、空气起动阀的驱动电流波形、公用空气起动阀的驱动电流波形和排气阀的驱动电流波形。

5.如权利要求4所述的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其中，所述数据采集卡还包括第二数据采集卡，所述第二数据采集卡通过信号线与所述轨压调节测试模块连接；所述轨压调节测试模块用于显示来自第二数据采集卡的轨压调节试验数据，所述轨压调节试验数据包括燃油轨压信号、燃油轨压调节控制信号、伺服油轨压信号和伺服油轨压调节控制信号。

6.如权利要求5所述的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其中，所述第一数据采集卡和所述第二数据采集卡为输入±60V直流信号的USB接口的数据采集卡。

7.如权利要求2所述的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其中，所述试验数据实时存储模块用于实时存储柴油机的电控执行器在每个工作循环中的开启角度、关闭角度、喷油持续角度、喷油持续时间。

8.如权利要求7所述的智能化低速机电控执行器的动作时间及相位测量系统，其中，所述电控执行器包括喷油器、空气起动阀和公用空气起动阀。