CN105573289A - 一种用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，利用FPGA构建DDS结构，实现频率和相位可调的任意时序信号的输出功能，模拟产生柴油机的曲轴传感器信号、上止点传感器信号、下止点传感器信号、注油器阀位置传感器信号和排气阀位置传感器信号，并捕捉注油器控制信号、排气阀控制信号和喷油器控制信号的曲轴角度，传递给柴油机电控系统硬件在环测试系统；所述时序发生装置包括FPGA、存储芯片、高速A\D转换器、高速D\A转换器、信号调理电路和功率信号采集模块，FPGA通过柴油机模型提供的转速信号，计算出曲轴角度信号，存储芯片中预置有波形表。本发明能够方便准确地实现对柴油机所有典型信号的模拟，并进行控制信号的采集，适用于大功率低速柴油机电控系统硬件的在环仿真测试。

Description

一种用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置
技术领域
本发明涉及柴油机的模拟仿真测试装置，具体涉及一种用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，属于柴油机技术领域。
背景技术
波形发生器广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验领域。随着数字电子技术的不断发展，不仅要求波形发生器能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形。目前任意波形发生器主要采用FPGA按照DDS的基本原理和结构实现。
目前任意波形发生器的重要应用之一是用于模拟汽车发动机的所有典型信号，以实现对车辆发动机控制器硬件的在环仿真测试。但是船舶用大功率低速柴油机测试用的时序发生装置至今是一个空白，其原因在于该装置在技术上有较高的开发难度。大功率低速柴油机时序发生装置不同于汽车发动机时序发生装置，大功率低速柴油机通常为二冲程柴油机，其具有转速低、测量精度要求高，不通过缺齿或凸轮轴判断曲轴位置，排气阀由电液伺服装置驱动，注油器由注油器阀进行控制等特点，因此大功率低速柴油机时序发生装置需要解决的难点包括：如何保证模拟的曲轴角度信号与柴油机上下止点信号严格对应；由于惯性等原因，电液伺服控制排气阀在收到控制信号后，往往会延迟一段时间才发生动作，所以需要妥善处理排气阀位置信号与排气阀控制信号之间的关系；注油器阀与排气阀的信号存在有类似问题。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的不足，提供一种用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，模拟产生柴油机的所有典型信号，并捕捉控制信号的曲轴角度，用于大功率低速柴油机电控系统硬件的在环仿真测试。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，其特征在于：所述时序发生装置利用FPGA构建DDS结构，实现频率和相位可调的任意时序信号的输出功能，模拟产生大功率低速柴油机的曲轴传感器信号、上止点传感器信号、下止点传感器信号、注油器阀位置传感器信号和排气阀位置传感器信号，并捕捉注油器控制信号、排气阀控制信号和喷油器控制信号的曲轴角度，然后传递给大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统；所述时序发生装置包括FPGA、存储芯片、高速A\D转换器、高速D\A转换器、信号调理电路和功率信号采集模块，所述FPGA通过所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型提供的转速信号，计算出作为柴油机时序信号基础的曲轴角度信号，所述存储芯片中预置有波形表。
进一步地，所述的FPGA根据所述曲轴角度信号查询所述存储芯片中相应的波形表，将该波形表对应的电压值发送给所述高速D\A转换器，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述曲轴传感器信号、所述上止点传感器信号或所述下止点传感器信号。
进一步地，所述的大功率低速柴油机电控系统发出的注油器控制信号通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述注油器控制信号的曲轴角度，查询所述存储芯片中的波形表，将该波形表对应的电压值发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述注油器阀位置传感器信号，并将注油器控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
进一步地，所述的大功率低速柴油机电控系统发出的排气阀控制信号通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述排气阀控制信号的曲轴角度，查询所述存储芯片中的波形表，将该波形表对应的电压值发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述排气阀位置传感器信号，并将排气阀控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
进一步地，所述的大功率低速柴油机电控系统发出的喷油器控制信号通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述喷油器控制信号的曲轴角度，并将该喷油器控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
进一步地，所述的波形表包括曲轴信号波形表、曲轴上止点信号波形表、曲轴下止点信号波形表、注油器阀位置波形表和排气阀位置波形表，该波形表根据所述大功率低速柴油机电控系统的测试需要随时进行修改，快速生成测试所需要的波形信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是，能够方便准确地实现曲轴传感器、上止点位置传感器、下止点位置传感器、注油器阀位置传感器、排气阀位置传感器等各种信号的模拟，并进行喷油控制信号、排气阀控制信号、注油器控制信号的采集。此外，存储芯片中波形表可以根据柴油机电控系统测试需要随时进行修改，从而快速生成仿真测试所需要的传感器波形信号。
附图说明
图1是本发明的结构简图。
图2是本发明的原理图。
具体实施方式
本发明利用任意时序发生器的基本原理，模拟低速柴油机的典型信号，如曲轴传感器信号、上下止点传感器信号、注油器阀位置传感器信号、排气阀位置传感器信号，并捕捉注油器、排气阀、喷油器控制信号发生的曲轴角度，达到实现柴油机控制器硬件的在回路仿真测试的目的。
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置做进一步的详细阐述，但不应以此来限制本发明的保护范围。
本发明所述的用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置利用FPGA构建DDS结构，实现频率和相位可调的任意时序信号的输出功能，模拟产生大功率低速柴油机的曲轴传感器信号、上止点传感器信号、下止点传感器信号、注油器阀位置传感器信号和排气阀位置传感器信号，并捕捉注油器控制信号、排气阀控制信号和喷油器控制信号发生的曲轴角度，然后传递给大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统。
请参阅图1，所述时序发生装置包括FPGA、Flash存储芯片、高速A\D转换器、高速D\A转换器、信号调理电路和功率信号采集模块。所述FPGA通过所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型提供的转速信号ne，计算出曲轴角度信号ω，曲轴角度是柴油机时序信号的基础。所述存储芯片中预置有波形表，该波形表包括曲轴信号波形表、曲轴上止点信号波形表、曲轴下止点信号波形表、注油器阀位置波形表和排气阀位置波形表，所述波形表根据所述大功率低速柴油机电控系统的测试需要能够随时进行修改，快速生成测试所需要的波形信号。
请参阅图2，所述的FPGA根据所述曲轴角度信号ω，查询所述存储芯片中的曲轴信号波形表，将该曲轴信号波形表对应的电压值ucrank发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述曲轴传感器信号。
所述的FPGA根据所述曲轴角度信号ω，查询所述存储芯片中的曲轴上止点信号波形表，将该曲轴上止点信号波形表对应的电压值uTDC发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述上止点传感器信号。
所述的FPGA根据所述曲轴角度信号ω，查询所述存储芯片中的曲轴下止点信号波形表，将该曲轴下止点信号波形表对应的电压值uBDC发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述下止点传感器信号。
所述注油器阀位置传感器信号的发生方式不同于所述曲轴传感器信号、上止点传感器信号和下止点传感器信号。其处理过程为，所述的大功率低速柴油机电控系统发出的注油器控制信号(驱动信号)通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述注油器控制信号的曲轴角度，查询所述存储芯片中的注油器阀位置波形表，将该注油器阀位置波形表对应的电压值Ulv_pos发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述注油器阀位置传感器信号，并将注油器控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
所述排气阀位置传感器信号的发生方式与注油器阀位置传感器信号类似。所述的大功率低速柴油机电控系统发出的排气阀控制信号通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述排气阀控制信号的曲轴角度，查询所述存储芯片中的排气阀位置波形表，将该排气阀位置波形表对应的电压值Uex_pos发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述排气阀位置传感器信号，并将排气阀控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
喷油角度的采集方法为，所述的大功率低速柴油机电控系统发出的喷油器控制信号(PWM喷油信号)通过所述功率信号采集模块的采集，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述喷油器控制信号(PWM喷油信号)产生时的曲轴角度，并将该喷油器控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
上述仅为本发明的优选实施例，必须指出的是，所属领域的技术人员凡依本发明申请内容所作的各种等效修改、变化与修正，都应成为本发明专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，其特征在于：所述时序发生装置利用FPGA构建DDS结构，实现频率和相位可调的任意时序信号的输出功能，模拟产生大功率低速柴油机的曲轴传感器信号、上止点传感器信号、下止点传感器信号、注油器阀位置传感器信号和排气阀位置传感器信号，并捕捉注油器控制信号、排气阀控制信号和喷油器控制信号的曲轴角度，然后传递给大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统；所述时序发生装置包括FPGA、存储芯片、高速A\D转换器、高速D\A转换器、信号调理电路和功率信号采集模块，所述FPGA通过所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型提供的转速信号，计算出作为柴油机时序信号基础的曲轴角度信号，所述存储芯片中预置有波形表。
2.根据权利要求1所述的用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，其特征在于：所述的FPGA根据所述曲轴角度信号查询所述存储芯片中相应的波形表，将该波形表对应的电压值发送给所述高速D\A转换器，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述曲轴传感器信号、所述上止点传感器信号或所述下止点传感器信号。
3.根据权利要求1所述的用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，其特征在于：所述的大功率低速柴油机电控系统发出的注油器控制信号通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述注油器控制信号的曲轴角度，查询所述存储芯片中的波形表，将该波形表对应的电压值发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述注油器阀位置传感器信号，并将注油器控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
4.根据权利要求1所述的用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，其特征在于：所述的大功率低速柴油机电控系统发出的排气阀控制信号通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述排气阀控制信号的曲轴角度，查询所述存储芯片中的波形表，将该波形表对应的电压值发送给所述高速D\A转换器生成模拟量信号，再经过所述信号调理电路放大，模拟生成并输出所述排气阀位置传感器信号，并将排气阀控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
5.根据权利要求1所述的用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，其特征在于：所述的大功率低速柴油机电控系统发出的喷油器控制信号通过所述功率信号采集模块，经过所述信号调理电路发送给所述高速A\D转换器，所述FPGA捕捉所述喷油器控制信号的曲轴角度，并将该喷油器控制信号的曲轴角度输出到所述大功率低速柴油机电控系统硬件在环测试系统中的柴油机模型。
6.根据权利要求1所述的用于模拟大功率低速柴油机的时序发生装置，其特征在于：所述的波形表包括曲轴信号波形表、曲轴上止点信号波形表、曲轴下止点信号波形表、注油器阀位置波形表和排气阀位置波形表，该波形表根据所述大功率低速柴油机电控系统的测试需要随时进行修改，快速生成测试所需要的波形信号。
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