CN108194244A - 一种用于小型汽油机的点火角度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于小型汽油机的点火角度测量系统。所述系统包括点火角度测量装置、点火信号采集模块、位置信号采集模块和上位机；所述点火信号采集模块通过感应点火器的高压输出，转变为相应的数字信号，并将所述数字信号输出至所述点火角度测量装置；所述位置信号采集模块将发动机运行过程中的曲轴实际位置通过编码脉冲发给所述点火角度测量装置；所述点火角度测量装置对点火信号和位置信号进行计算处理得到发动机的运行转速和点火角度，并发给所述上位机处理。本发明克服了目前市场上模拟式和数字式点火正时枪无法准确测量发动机点火角度，并且无法显示发动机每圈点火角度等问题。
Description
技术领域
本发明涉及发动机点火角度测试领域，尤其涉及一种用于小型汽油机的点火角度测量系统。
背景技术
在发动机的压缩冲程终了，活塞达到行程的顶点时，点火系统向火花塞提供高压火花以点燃气缸内的压缩混合气作功，这个时间就是点火正时。为使点火能量最大化，点火正时一般要提前一定的量，所以是在活塞即将到达上止点(TDC)的那一刻点火，而不是正好达到上止点时才点火，这个提前量叫点火提前角(点火角度)。
传统的小型汽油机点火角度主要是通过点火正时枪来测量，目前市面上的点火正时抢主要有模拟式和数字式两种，这两类点火正时枪都是通过采集高压点火信号控制正时枪内的闪光灯闪烁，从而测得点火提前角。两种点火正时枪的原理以及存在的技术问题分析如下：
(1)模拟式点火正时枪：
模拟式点火正时枪需要预先在发动机旋转曲轴上做好角度刻度标记，然后根据闪光灯闪烁时显示的刻度得到发动机的点火提前角。
模拟式点火正时枪需要人眼去读预先标记好的角度刻度，读数存在很大的差异性，特别在角度波动比较大的情况下，很难准确测得发动机实际角度。
(2)数字式点火正时枪：
数字式点火正时枪只要预先在曲轴上标记好与发动机活塞运动的上止点(TDC)位置相对应的点，通过调节正时枪上的角度加减按钮，正时枪根据当前发动机转速，延时控制闪光输出，直到标记线与TDC位置吻合，就得到了发动机的点火提起角。
数字式点火正时枪需要经过计算处理，延时效应会比模拟式点火正时大的多，另外由于闪光延时是根据发动机运行的当前转速来确定，在发动机转速波动很大时，很难找到标记线和TDC位置吻合的点，因而也很难准确得到发动机的点火提前角。
此外，两点火正时枪都存在低速下由于闪光频率过低，导致无法测量角度的问题。并且都存在无法测得发动机当圈转速下的点火角度值，对发动机运行中的角度变化情况只能做粗略的分析，特别像发动机刚启动时的点火角度变化根本无法测量，因而无法验证发动机的启动角度的准确性的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种用于小型汽油机的点火角度测量系统。
本发明是以如下技术方案实现的：
一种用于小型汽油机的点火角度测量系统，包括点火角度测量装置、点火信号采集模块、位置信号采集模块和上位机，所述点火信号采集模块、位置信号采集模块和所述上位机均与所述点火角度测量装置通信连接；
所述点火信号采集模块通过感应点火器的高压输出，转变为相应的数字信号，并将所述数字信号输出至所述点火角度测量装置；
所述位置信号采集模块将发动机运行过程中的曲轴实际位置通过编码脉冲发给所述点火角度测量装置；
所述点火角度测量装置对点火信号和位置信号进行计算处理得到发动机的运行转速和点火角度，并发给所述上位机处理；
所述上位机通过散点图实时显示当前转速和当前角度，并进行相应数据保存。
进一步地，所述点火信号采集模块包括高压感应电路和单稳态触发电路；所述高压感应电路包括点火高压信号采集电路和输入信号保护电路，所述点火高压信号采集电路和所述输入信号保护电路串联连接。
进一步地，所述位置信号采集模块采用增量式光电编码器，所述增量式光电编码器的转轴通过联轴器或同步带与发动机的曲轴相连；当发动机运行时光电编码器会相应输出A、B、Z三相信号，A信号和B信号相位相差90度；Z为零位信号，每转一圈输出一次。
进一步地，所述点火角度测量装置包括4个电源模块、位置信号处理模块、主控模块和通信模块；4个电源模块分别用于为所述点火信号采集模块供电、为所述位置信号采集模块供电、为所述主控模块以及所述位置信号处理模块供电以及为所述通信模块供电。
进一步地，所述4个电源模块都为隔离型电源并且相互独立。
进一步地，所述位置信号处理模块接收从所述位置信号采集模块输出的A相和B相信号，并接收从所述主控模块发出的控制信号S，进行鉴相和倍频处理，并将处理结果传输回所述主控模块。
进一步地，所述位置信号处理模块由一个异或门电路，一个单片机和4 个与非门电路组成。
进一步地，所述异或门电路用于实现对A相和B相信号的倍频处理，输出位置倍频信号AB；
所述单片机用于根据来自所述主控模块的控制信号S、A相和B相信号对发动机的曲轴转动方向进行识别，输出方向控制信号D，实现鉴相功能；4个与非门电路用于实现对位置倍频信号的切换输出。
进一步地，在TDC校正环节，所述主控模块一方面等待上位机命令的到来，另一面实时将发动机的曲轴位置脉冲数据发送给上位机；
当收到方向切换命令时，所述主控模块控制S信号进行高低电平切换以适应不同发动机运行方向不一致的问题。
进一步地，在角度测量环节，所述主控模块等待点火信号I或零位信号 Z的到来；当Z信号捕获时，对正反计数器进行清零操作，并根据转速定时器值来计算当圈发动机的转速；当点火信号I捕获时，则计算出当前发动机的点火角度，然后将点火角度和速度数据发所述上位机处理。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种用于小型汽油机的点火角度测量系统，克服了目前市场上模拟式和数字式点火正时枪无法准确测量发动机点火角度(特别在的低速状态下)，并且无法显示发动机每圈点火角度等问题。该系统可以测得发动机启动和运行过程中每圈所对应的转速值和角度值，通过通信线路实时上传到电脑上进行显示，供工程师实际开发分析使用。本发明的测量结果不受转速波动的影响，抗干扰性强，可靠性高，在发动机开发调试过程的应用中具有非常实用的价值。
附图说明
图1是本实施例提供的点火角度测量系统的整体结构示意图；
图2是本实施例提供的点火信号采集模块逻辑示意图；
图3是本实施例提供的高压感应电路和单稳态触发电路的信号示意图；
图4是本实施例提供的天线感应式(开式)和线圈感应式(闭式)的电路示意图；
图5是本实施例提供的波形变换示意图；
图6是本实施例提供的点火角度测量装置逻辑示意图；
图7是本实施例提供的位置信号处理模块逻辑示意图；
图8是本实施例提供的信号示意图；
图9是本实施例提供的进行TDC位置校正或角度测量的方法流程图；
图10是本实施例提供的TDC校正环节方向切换方法流程图；
图11是本实施例提供的TDC校正环节曲轴位置获取方法流程图；
图12是本实施例提供的角度测量方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1：
一种用于小型汽油机的点火角度测量系统，其能够广泛应用于小型内燃式汽油发动机，如园林工具领域里的割草机、割灌机、绿篱机、油锯等的点火角度测量。
本实施例中点火角度测量系统的整体结构如图1所示，包括点火角度测量装置1、点火信号采集模块2、位置信号采集模块3和上位机4，所述点火信号采集模块2、位置信号采集模块3和所述上位机4均与所述点火角度测量装置1通信连接，其中，所述点火信号采集模块2的输出值和位置信号采集模块3的输出值为所述点火角度测量装置1的输入，所述上位机4 与所述点火角度测量装置1双向通信。
具体地，点火信号采集模块2通过感应点火器的高压输出，转变为相应的数字信号，并将所述数字信号输出至点火角度测量装置1；位置信号采集模块3将发动机运行过程中的曲轴实际位置通过编码脉冲发给点火角度测量装置1；点火角度测量装置1对点火信号和位置信号进行相应计算处理得到发动机的运行转速和点火角度，并发给上位机4处理；上位机4通过散点图实时显示当前转速和当前角度，并进行相应数据保存，以供后续分析使用。
实施例2：
本实施例相较于实施例1，进一步公开点火信号采集模块2和位置信号采集模块3的技术方案。
如图2所示，点火信号采集模块2包括高压感应电路20和单稳态触发电路21。其中高压感应电路20的信号示意图如图3(1)所示，单稳态触发电路21的信号示意图如图3(2)所示。
所述高压感应电路20包括点火高压信号采集电路201和输入信号保护电路202，所述点火高压信号采集电路201和输入信号保护电路202串联连接。在实际应用中点火高压信号采集电路201可采用天线感应式(开式) 和线圈感应式(闭式)方式。所述天线感应式(开式)和线圈感应式(闭式)方式均使用电容进行滤波以达到抗干扰的目的。其中天线感应式(开式)的电路示意图如图4(1)所示，线圈感应式(闭式)的电路示意图如图4(2)所示。天线感应式安装灵活但易受外界干扰，而导致误触发；线圈感应式抗扰性强但安装比天线感应式要复杂。
输入信号保护电路202主要防止感应的输入信号超限导致后面单稳态触发电路21的损坏。单稳态触发电路21对采集到的高压点火信号的第一负波进行触发，输出一个具有一定时间宽度t的脉冲信号，实现对模拟信号的整形化处理。具体波形变换如图5所述。
位置信号采集模块3采用增量式光电编码器。光电编码器的转轴通过联轴器或同步带与发动机的曲轴相连；当发动机运行时光电编码器会相应输出A、B、Z三相信号，A信号和B信号相位相差90度；Z为零位信号每转一圈输出一次。
实施例3：
本实施例相较于实施例1和实施例2，进一步公开点火角度测量装置1 的技术方案。
如图6所示，点火角度测量装置1包括4个电源模块、位置信号处理模块11、主控模块12和通信模块13。4个电源模块都为隔离型电源，相互独立，以增加抗干扰性。其中，电源模块101为点火信号采集模块2供电；电源模块102为位置信号采集模块3供电；电源模块103为主控模块12以及位置信号处理模块11供电；电源模块104为通信模块13供电。位置信号处理模块11接收从位置信号采集模块3输出的A相和B相信号，接收主控模块12发出的控制信号S，进行鉴相和倍频处理，并将处理结果位置倍频信号传输回主控模块12。主控模块12接收来自点火信号采集模块2采集的点火信号I，来自位置信号处理模块11输出的位置倍频信号，来自位置信号采集模块3输出的Z相信号，并与通信模块进行双向通信。
如图7所示，位置信号处理模块11主要由一个异或门电路100，一个单片机200和4个与非门电路(第一与非门电路310，第二与非门电路320，第三与非门电路330，第四与非门电路340)组成。其主要作用为：异或门电路主要实现对A相和B相信号的倍频处理，输出位置倍频信号AB；单片机200主要根据来自主控模块12的控制信号S、A相和B相信号对发动机的曲轴转动方向进行识别，输出方向控制信号D，实现鉴相功能；4个与非门电路主要实现对位置倍频信号AB的切换输出，当D信号为高电平时， AB＂输出有效，D信号为低时，AB＇输出有效。
具体地，位置信号处理模块11的连接关系描述如下：
异或门电路100的第一输入端接收位置信号采集模块3输出的A相信号和B相信号，并将异或结果位置倍频信号AB输出至第一与非门电路310 的第二输入端和第二与非门电路320的第一输入端；
第四与非门电路340的第一输入端接收主控模块12输出的方向控制信号D，第二输入端连接电源，并将与非结果输出至第一与非门电路310的第一输入端和第三与非门电路330的两个输入端；
第一与非门电路310的输出端向主控模块12输出第一位置倍频信号 AB＇；
第二与非门电路320的第二输入端接收第三与非门电路330的输出结果，并将与非结果第二位置倍频信号AB＂输出至主控模块12。
基于上述连接关系，得到的信号示意图如图8所示。
实施例4：
在实施例1-3公开的装置以及连接关系的基础上，本实施例公开如下技术方案：
所述点火角度测量系统中的点火角度测量装置1包括电源接口、与上位机进行通信的通信接口、电源指示灯、TDC位置指示灯和点火指示灯。进一步地，还设置有若干备用的输出接口、位置信号采集模块3的接入接口和点火信号采集模块2接入接口。
点火角度测量装置1中的主控模块12包括如下逻辑单元：
(1)校正单元，用于通过与上位机4通信，实现上止点(TDC)位置的校正。
(2)信号切换单元，用于通过接收上位机4的控制命令，输出方向控制信号S给位置信号处理模块11的单片机200，实现正反信号的切换功能，以适应不同发动机转向不同的情况。
(3)点火角度计算单元，用于根据对位置信号第一位置倍频信号AB＇和第二位置倍频信号AB＂的正反计数以及对零位信号Z和点火信号I捕获，计算当前发动机的点火角度。
(4)通信单元，用于根据零位信号Z计算发动机当前的运行转速，计算完成后通过通信模块13主动将角度和转速数据发上位机4处理。通信模块13主要用于点火角度测量装置1与上位机4之间的数据交互，为实现远距离输出传输和提高抗干扰性，可采用RS485或RS422通信方式。
所述点火角度测量装置1中进行TDC位置校正或角度测量的方法如图 9所示，包括：
S1.主控模块上电后进行数据初始化。
S2.并等待上位机命令。
S3.响应于上位机发出的TDC校正命令，进入TDC校正子程序；或响应于上位机发出的角度测量命令，进入角度测量子程序。
如图10-11所示，在TDC校正环节，主控模块12一方面等待上位机4 命令的到来，另一面实时将发动机的曲轴位置脉冲数据发送给上位机4。当收到方向切换命令时，主控模块12控制S信号进行高低电平切换从而改变位置信号处理模块11中单片机200输出输出方向控制信号D，以适应不同发动机运行方向不一致的问题。发动机曲轴位置是通过对第一位置倍频信号AB＇和第二位置倍频信号AB＂的脉冲正反计数，并计算计数差值得到；当主控模块12捕获到零位Z信号到来时，正反计数值清零复位。
如图12所示，在角度测量环节，主控模块12等待点火信号I或零位信号Z的到来；当Z信号捕获时，对正反计数器进行清零操作，并根据转速定时器值来计算当圈发动机的转速；当点火信号I捕获时，则记录捕获时刻的第一位置倍频信号AB＇和第二位置倍频信号AB＂正反脉冲计数值，并根据TDC校正值计算出当前发动机的点火角度，然后将点火角度和速度数据发上位机4处理。
S4.当TDC位置校正或角度测量完成后返回继续等待上位机命令。
上位机4的功能主要包括TDC校正处理和发动机点火角度处理两部分内容。TDC校正处理部分，用户可以通过点火角度测量装置发上来的发动机曲轴位置脉冲数据，来设定TDC校正值，并发给点火角度测量装置进行TDC校正；用户也可以根据发动机的转动方向将方向切换命令发给点火角度测量装置进行脉冲正反方向切换。发动机点火角度处理部分，主要根据点火角度测量装置发送上来的速度和点火角度数据，实时的通过XY散点图进行显示，并将数据进行保存。在实际应用中也可以添加对速度采集数据进行分析，计算平均转速和标准差，以对转速的波动性进行分析。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
包括点火角度测量装置、点火信号采集模块、位置信号采集模块和上位机，所述点火信号采集模块、位置信号采集模块和所述上位机均与所述点火角度测量装置通信连接；
所述点火信号采集模块通过感应点火器的高压输出，转变为相应的数字信号，并将所述数字信号输出至所述点火角度测量装置；
所述位置信号采集模块将发动机运行过程中的曲轴实际位置通过编码脉冲发给所述点火角度测量装置；
所述点火角度测量装置对点火信号和位置信号进行计算处理得到发动机的运行转速和点火角度，并发给所述上位机处理；
所述上位机通过散点图实时显示当前转速和当前角度，并进行相应数据保存。
2.根据权利要求1所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
所述点火信号采集模块包括高压感应电路和单稳态触发电路；所述高压感应电路包括点火高压信号采集电路和输入信号保护电路，所述点火高压信号采集电路和所述输入信号保护电路串联连接。
3.根据权利要求1所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
所述位置信号采集模块采用增量式光电编码器，所述增量式光电编码器的转轴通过联轴器或同步带与发动机的曲轴相连；当发动机运行时光电编码器会相应输出A、B、Z三相信号，A信号和B信号相位相差90度；Z为零位信号，每转一圈输出一次。
4.根据权利要求3所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
所述点火角度测量装置包括4个电源模块、位置信号处理模块、主控模块和通信模块；4个电源模块分别用于为所述点火信号采集模块供电、为所述位置信号采集模块供电、为所述主控模块和所述位置信号处理模块供电，以及为所述通信模块供电。
5.根据权利要求4所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
所述4个电源模块都为隔离型电源并且相互独立。
6.根据权利要求4所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
所述位置信号处理模块接收从所述位置信号采集模块输出的A相和B相信号，并接收从所述主控模块发出的控制信号S，进行鉴相和倍频处理，并将处理结果传输回所述主控模块。
7.根据权利要求4所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
所述位置信号处理模块由一个异或门电路，一个单片机和4个与非门电路组成。
8.根据权利要求7所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
所述异或门电路用于实现对A相和B相信号的倍频处理，输出位置倍频信号AB；
所述单片机用于根据来自所述主控模块的控制信号S、A相和B相信号对发动机的曲轴转动方向进行识别，输出方向控制信号D；4个与非门电路用于实现对位置倍频信号的切换输出。
9.根据权利要求8所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于：
在TDC校正环节，所述主控模块一方面等待上位机命令的到来，另一面实时将发动机的曲轴位置脉冲数据发送给上位机；
当收到方向切换命令时，所述主控模块控制S信号进行高低电平切换以适应不同发动机运行方向不一致的问题。
10.根据权利要求8所述的用于小型汽油机的点火角度测量系统，其特征在于，还包括：
在角度测量环节，所述主控模块等待点火信号I或零位信号Z的到来；当Z信号捕获时，对正反计数器进行清零操作，并根据转速定时器值来计算当圈发动机的转速；当点火信号I捕获时，则计算出当前发动机的点火角度，然后将点火角度和速度数据发所述上位机处理。
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