CN116335820A - 一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法 - Google Patents

一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法，主要针对小型二冲程航空活塞发动机，其他活塞发动机也可适用于本发明。具体包括:获取曲轴旋转变压器信号；根据旋转变压器信号确定旋转变压器当前角度，通过计算旋转变压器角度与曲轴角度对应关系确定当前曲轴角度；根据旋转变压器信号确定曲轴转速；根据曲轴角度和曲轴转速实现二冲程航空活塞发动机的喷油、点火等控制功能；根据旋转变压器信号能够确定发动机停车后的曲轴位置。该方法可实现对发动机曲轴角度和转速的高精度辨识，且实时性较好。

Description

一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法
技术领域
本发明涉及一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法。
背景技术
小型航空二冲程活塞发动机常用于摩托车领域，很少应用于航空领域。小型航空二冲程活塞发动机为了实现相位角和转速测量，需要在发动机主轴上安装缺齿齿盘和转速传感器，利用电磁感应原理的转速传感器实现对发动机转速和相位角的监控，曲轴每转一周，缺齿齿盘也跟随旋转一周。控制器利用转速传感器测量的脉冲波形计算发动机转速和相位角，其相位角精度受制于软件算法以及软件计算周期。
现有航空活塞发动机电控调节技术存在以下不足：
(1)目前小型二冲程航空活塞发动机沿用车用发动机技术，须安装带有缺齿的机械齿盘和转速传感器(一般为磁电式)，在发动机曲轴转动的过程中，带动缺齿齿盘旋转，转速传感器利用电磁感应原理将齿盘的运动速度转换成传感器线圈中的感应电动势输出，ECU通过检测到的感应电动势波峰或者波谷数量计算出发动机实际转速，利用缺齿的感应电动势时间间隔大约非缺齿的时间间隔计算活塞上止点的位置，然后利用计算出的上止点位置再行计算点火相位角和喷油相位角等，所有过程对缺齿齿盘、转速传感器、采集电路和ECU算法的要求都很高，存在计算或者结构设计的风险。
(2)目前小型二冲程航空活塞发动机要测量转速和相位角必须在发动机主轴上安装缺齿齿盘和转速传感器，增加了发动机本体重量，也增加成本。
(3)小型二冲程航空活塞发动机相位角的判断精度不高，完全依赖于软件算法，受制于软件算法的可靠性和运行周期。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法，将旋转变压器与发动机主轴固定，控制电路的解码芯片为旋转变压器提供励磁电压，旋转变压器通过正余弦绕组反馈电压信号，解码芯片解算旋转变压器的电气角和旋转速度，从而得到活塞发动机的相位角和发动机转速等参数。
本发明方法具体包括如下步骤：
步骤1，将旋转变压器固定于二冲程发动机主轴，完全替代传统二冲程发动机安装带缺齿的机械齿盘和转速传感器；
步骤2，旋转变压器的初级励磁绕组和二相正交的次级感应绕组同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的磁阻转子；当旋转变压器转子随电机同步旋转，发动机控制电路向初级励磁绕组施加交流励磁电压信号，次级两组输出绕组中便产生感应电势，经发动机控制电路滤波、信号处理后的交流信号，分别输入到解码芯片的正弦和余弦引脚；
旋转变压器解码芯片将次级感应绕组产生的感应电动势转换成旋转变压器的电气角度和旋转变压器旋转速度；
发动机ECU利用电气角度和旋转速度，得到二冲程航空活塞发动机控制需要的相位角和发动机转速值；
步骤3，发动机ECU根据发动机转速值和活塞发动机相位角计算点火、喷油、喷气所需要的点火充能时间、喷油脉冲时间、喷油间隔时间、点火提前角、修正角度、喷油截止角，进行相应的点火控制、喷油控制。
步骤1中，所述旋转变压器安装时上止点与旋转变压器0°重合，用于确定相位角的零位，安装完毕后旋转变压器转子随主轴同步转动。
步骤1中，所述旋转变压器能够根据发动机主轴尺寸进行定制化设计，装配牢固即可，所述旋转变压器的基本电特性参数包括极对数、输出电压、输入频率、变压比、最大转速、温度范围，所有参数须与电路设计相匹配。
步骤1中，所述旋转变压器0°通常情况下需与上止点或下止点重合，方便测量或者计算相位角。当然根据实际需求，也可其他角度(如30°)与上止点或下止点重合，此时需要在软件中设置偏置量。
步骤2中，所述旋转变压器转子在随发动机转动过程中将初级绕组中施加的交流励磁信号转换成两组感应电压，发动机ECU解码芯片将发动机转速实时值通过总线发送给微控制单元MCU，利用旋转变压器和曲轴同轴原理确定发动机的当前转速。根据步骤1的零位位置，直接确定当前发动机的相位角。
步骤3中，所述的发动机转速值和活塞发动机相位角均为旋转变压器同时输出的实时值，而非传统意义上MCU通过转速传感器测量缺齿齿盘计算得到的值。
步骤3中，所述的发动机转速值和活塞发动机相位角均为旋转变压器同时输出的实时值。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3中，对于点火提前角，从上止点开始计算，计算过程包括：
步骤3-1，根据活塞发动机转速和供电电压插值获取点火充能时间T_CN；
步骤3-2，根据负载和转速插值获取基本点火提前角；
步骤3-3，根据供电电压插值电压修正角度B2，根据温度分别插值获取温度修正角度B3和起动温度修正角度B4，根据转速插值获取起动转速修正角度B5；
步骤3-4，当发动机处于起动状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B4+B5
步骤3-5，当发动机处于运行状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B3
步骤3-6，读取旋转变压器解码芯片角度值，依据点火提前角实时值直接实施点火控制。
本发明还提供了一种存储介质，存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被运行时，实现所述的一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法。
有益效果：本发明的显著进步在于：1)小型二冲程航空活塞发动机使用旋转变压器取代了缺齿机械齿盘+转速传感器组合技术测量发动机相位角，提高了活塞发动机相位角的测量精度；2)使用旋转变压器物理测量相位角方法替换了利用缺齿齿盘软件计算发动机相位角的方法，减少了软件复杂程度，避免了软件中断次数对程序的影响，消除了软件计算的延时误差；3)使用旋转变压器缺齿齿盘+转速传感器，减轻了发动机重量，提升了产品先进性，提高了产品可靠性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/
或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是基于旋变模式的活塞发动机电控硬件示意图。
图2是本发明方法流程图。
图3是实时例工作流程图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明提供了一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法，包括如下步骤：
步骤1，将旋转变压器固定于二冲程发动机主轴，完全替代传统二冲程发动机安装带缺齿的机械齿盘和转速传感器；
步骤2，旋转变压器的初级励磁绕组和二相正交的次级感应绕组同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的磁阻转子；当旋转变压器转子随电机同步旋转，发动机控制电路向初级励磁绕组施加交流励磁电压信号，次级两组输出绕组中便产生感应电势，经发动机控制电路滤波、信号处理后的交流信号，分别输入到解码芯片的正弦和余弦引脚；
旋转变压器解码芯片将次级感应绕组产生的感应电动势转换成旋转变压器的电气角度和旋转变压器旋转速度；
发动机ECU利用电气角度和旋转速度，得到二冲程航空活塞发动机控制需要的相位角和发动机转速值；
步骤3，发动机ECU根据发动机转速值和活塞发动机相位角计算点火、喷油、喷气所需要的点火充能时间、喷油脉冲时间、喷油间隔时间、点火提前角、修正角度、喷油截止角，进行相应的点火控制、喷油控制。
步骤1中，所述旋转变压器安装时上止点与旋转变压器0°重合，用于确定相位角的零位，安装完毕后旋转变压器转子随主轴同步转动。
步骤1中，所述旋转变压器能够根据发动机主轴尺寸进行定制化设计，装配牢固即可，所述旋转变压器的基本电特性参数包括极对数、输出电压、输入频率、变压比、最大转速、温度范围，所有参数须与电路设计相匹配。
步骤1中，所述旋转变压器0°通常情况下需与上止点或下止点重合，方便测量或者计算相位角。当然根据实际需求，也可其他角度(如30°)与上止点或下止点重合，此时需要在软件中设置偏置量。
步骤2中，所述旋转变压器转子在随发动机转动过程中将初级绕组中施加的交流励磁信号转换成两组感应电压，发动机ECU解码芯片将发动机转速实时值通过总线发送给微控制单元MCU，利用旋转变压器和曲轴同轴原理确定发动机的当前转速。根据步骤1的零位位置，直接确定当前发动机的相位角。
步骤3中，对于点火提前角，从上止点开始计算，计算过程包括：
步骤3-1，根据活塞发动机转速和供电电压插值获取点火充能时间T_CN；
步骤3-2，根据负载和转速插值获取基本点火提前角；
步骤3-3，根据供电电压插值电压修正角度B2，根据温度分别插值获取温度修正角度B3和起动温度修正角度B4，根据转速插值获取起动转速修正角度B5；
步骤3-4，当发动机处于起动状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B4+B5
步骤3-5，当发动机处于运行状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B3
步骤3-6，读取旋转变压器解码芯片角度值，依据点火提前角实时值直接实施点火控制。
步骤3中，所述的发动机转速值和活塞发动机相位角均为旋转变压器同时输出的实时值，而非传统意义上MCU通过转速传感器测量缺齿齿盘计算得到的值。
本发明还提供了一种存储介质，存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被运行时，实现所述的一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法。
实施例
本实施例提供了一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法，包括如下步骤：
步骤1：将参数为1对极、输入电压7.2V、输入频率10kHz的旋转变压器固定在二冲程活塞发动机上，旋转变压器0°位与活塞发动机上止点对齐。
步骤2：连接发动机ECU与旋转变压器之间的线缆，注意区分交流励磁信号线(2根)、正弦信号(2根)、余弦信号(2根)，连接ECU与喷油嘴、点火线圈、传感器组、机油泵、燃油泵等附件线缆。
步骤3：给ECU供电后，ECU内部的解码芯片立即向旋转变压器输入7.2V的交流励磁信号，当发动机主轴带动旋转变压器旋转时，旋转变压器将感应的正余弦信号传输到解码芯片，解码芯片自动计算并通过总线向MCU传输发动机角度和转速信息，MCU解析的活塞二冲程发动机实时相位角为角度解析值/4096*360°；MCU解析的活塞二冲程发动机实时转速值为转速解析值*30rpm。其中角度解析值为12位二进制数转换而成的十进制数，转速解析值为11位二进制数转换而成的十进制数。
步骤4：在活塞二冲程发动机起动和运行过程中，MCU根据发动机实时转速值以及实时相位角调用MAP图，MCU就可以直接在设定的点火提前角点火、持续对应的点火脉宽，根据喷油截止角和喷油脉宽计算喷油起始相位角进行喷油，并持续对应的喷油脉宽。其他非MAP图中的点火提前角和脉宽可进行线性差值。如此极大减少了软件采集和计算时间，活塞发动机控制效率至少提高一倍以上。表1中为某活塞二冲程发动机实时控制参数值。
表1
Figure BDA0004133537170000061
以点火提前角为例，从上止点开始计算，计算过程包括：
步骤1，根据活塞发动机转速和供电电压插值获取点火充能时间T_CN(ms)；
步骤2，根据负载和转速插值获取基本点火提前角；
步骤3，根据供电电压插值电压修正角度B2，根据温度分别插值获取温度修正角度B3和起动温度修正角度B4，根据转速插值获取起动转速修正角度B5；
步骤4，当发动机处于起动状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B4+B5
步骤5，当发动机处于其他状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B3
步骤6，读取旋转变压器解码芯片角度值，依据点火提前角实时值直接实施点火控制。
具体实现中，本申请提供计算机存储介质以及对应的数据处理单元，其中，该计算机存储介质能够存储计算机程序，所述计算机程序通过数据处理单元执行时可运行本发明提供的一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法的发明内容以及各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，ROM)或随机存储记忆体(random access memory，RAM)等。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术方案可借助计算机程序以及其对应的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机程序即软件产品的形式体现出来，该计算机程序软件产品可以存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台包含数据处理单元的设备(可以是个人计算机，服务器，单片机。MUU或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本发明提供了一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种基于旋变模式的活塞发动机电控调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将旋转变压器固定于二冲程发动机主轴，完全替代传统二冲程发动机安装带缺齿的机械齿盘和转速传感器；
步骤2，旋转变压器的初级励磁绕组和二相正交的次级感应绕组同在定子侧，转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的磁阻转子；当旋转变压器转子随电机同步旋转，发动机控制电路向初级励磁绕组施加交流励磁电压信号，次级两组输出绕组中便产生感应电势，经发动机控制电路滤波、信号处理后的交流信号，分别输入到解码芯片的正弦和余弦引脚；
旋转变压器解码芯片将次级感应绕组产生的感应电动势转换成旋转变压器的电气角度和旋转变压器旋转速度；
发动机ECU利用电气角度和旋转速度，得到二冲程航空活塞发动机控制需要的相位角和发动机转速值；
步骤3，发动机ECU根据发动机转速值和活塞发动机相位角计算点火、喷油、喷气所需要的点火充能时间、喷油脉冲时间、喷油间隔时间、点火提前角、修正角度、喷油截止角，进行相应的点火控制、喷油控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述旋转变压器安装时上止点与旋转变压器0°重合，用于确定相位角的零位，安装完毕后旋转变压器转子随主轴同步转动。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述旋转变压器能够根据发动机主轴尺寸进行定制化设计，所述旋转变压器的基本电特性参数包括极对数、输出电压、输入频率、变压比、最大转速、温度范围，所有参数须与电路设计相匹配。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述旋转变压器0°需与上止点或下止点重合。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述旋转变压器转子在随发动机转动过程中将初级绕组中施加的交流励磁信号转换成两组感应电压，发动机ECU解码芯片将发动机转速实时值通过总线发送给微控制单元MCU，利用旋转变压器和曲轴同轴原理确定发动机的当前转速。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述旋转变压器转子在随发动机转动过程中将初级绕组中施加的交流励磁信号转换成两组感应电压，发动机ECU解码芯片将旋转变压器角度实时值通过总线发送给微控制单元MCU；根据步骤1的零位位置，直接确定当前发动机的相位角。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤3中，所述的发动机转速值和活塞发动机相位角均为旋转变压器同时输出的实时值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤3中，对于点火提前角，从上止点开始计算，计算过程包括：
步骤3-1，根据活塞发动机转速和供电电压插值获取点火充能时间T_CN；
步骤3-2，根据负载和转速插值获取基本点火提前角；
步骤3-3，根据供电电压插值电压修正角度B2，根据温度分别插值获取温度修正角度B3和起动温度修正角度B4，根据转速插值获取起动转速修正角度B5；
步骤3-4，当发动机处于起动状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B4+B5
步骤3-5，当发动机处于运行状态时，采用如下公式计算点火提前角A1：
A1＝B1+B2+B3
步骤3-6，读取旋转变压器解码芯片角度值，依据点火提前角实时值直接实施点火控制。
9.一种存储介质，其特征在于，存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被运行时，实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。
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