CN206917746U - 一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器，包括微控制器核心单元模块，所述的微控制器核心单元模块与模拟信号调理模块、数字信号调理模块、油泵继电器控制模块电连接，微控制器核心单元模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块、油泵继电器控制模块均通过电源稳压模块供电。本实用新型通过对喷油嘴的控制实现调节喷油量，以节气门位置、转速为基本参数，同时控制器接收大气压力、进气温度、缸体温度、蓄电池电压等传感器检测到的表征发动机运行工况的信号作为喷油量的修正，使发动机运转稳定。

Description

一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器

技术领域

本实用新型涉及一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器，适用于发动机为同时、多点燃油喷射，采用各缸独立的进气管燃油喷射系统。

背景技术

采用重油(煤油、柴油)等具有低挥发性的单一燃料是无人机的迫切需要，主要是方便油料在舰船上的管理，以提高安全性。小型航空活塞式二冲程发动机具有体积小、升功率高、比重量轻、结构简单、使用维护方便等优点，特别适用于超轻型飞机、小型无人机及动力翼伞等飞行器的应用。

与国外同类技术相比，国内煤油发动机技术刚刚起步，相对比较落后，航空二冲程煤油发动机的关键技术需要进一步深入研究。煤油发动机喷油控制器作为煤油发动机项目的关键技术，对煤油发动机空燃比的精确控制，提高煤油发动机的动力性、经济性等性能至关重要。由于目前煤油发动机国内外研究很少，发动机喷油控制大都针对汽油机和和柴油机，所以煤油发动机喷油控制器的研发对煤油发动机的应用具有重要的实用价值。

建立基于模型的喷油控制策略，可以根据发动机运行工况参数计算进入气缸空气流量，再由目标空燃比精确计算出喷油量，不但可以大大减少电控系统开发过程中标定试验的工作量，而且可以提高系统的鲁棒性。线性变参数(LPV)状态空间模型计算简单，可以直接用于控制算法的设计，在工程中容易实现。基于LPV状态空间模型的喷油控制策略可以实现稳态工况和瞬态工况喷油控制。

航空二冲程煤油发动机的真实工作环境非常恶劣，一方面要承受高温、振动、腐蚀、高湿等恶劣环境的影响，另一方面还要受到来自点火模块及外部机载设备的电磁波的影响。由于煤油发动机所需点火能量比汽油机大，需要采用高能点火装置，才能使煤油发动机正常起动、稳定运转。而高能点火装置需要采用设计大功率电路及采用大功率元器件，产生高电压火花点火，点火过程产生的电磁波辐射对喷油控制器造成强电磁干扰，比一般发动机喷油控制器的要求更为严格，煤油发动机的喷油控制器必须具有很高的可靠性和抗干扰性能，才能保证它正常工作。因此需要从硬件和软件两个方面综合考虑抗干扰性，针对干扰信号干扰的途径，采取应对措施。喷油控制器包括硬件电路设计、控制策略及其软件程序开发。所研制的喷油控制器必须具有一定抗电磁干扰能力及自保护能力。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器，通过对喷油嘴的控制实现调节喷油量，以节气门位置、转速为基本参数，同时控制器接收大气压力、进气温度、缸体温度、蓄电池电压等传感器检测到的表征发动机运行工况的信号作为喷油量的修正，使发动机运转稳定。

为实现上述喷油控制，本实用新型采用如下技术方案：

一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器，包括微控制器核心单元模块，所述的微控制器核心单元模块与模拟信号调理模块、数字信号调理模块、油泵继电器控制模块电连接，微控制器核心单元模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块、油泵继电器控制模块均通过电源稳压模块供电；

节气门位置传感器、大气压力传感器、进气温度传感器、缸体温度传感器分别与模拟信号调理模块电连接，模拟信号调理模块将节气门开度、大气压力、大气温度、缸体温度、蓄电池电压模拟信号量的变化转换为0～5V范围内电压的变化，并进行滤波处理后将信号传输给微控制器核心单元模块；

点火脉冲信号、起动开关信号跟数字信号调理模块电连接，这两个信号经数字信号调理模块处理后输送到微控制器核心单元模块；

喷油嘴驱动模块、油泵继电器控制模块分别与模拟信号调理模块电连接，喷油嘴驱动模块控制喷射器，油泵继电器控制模块控制燃油泵。

所述的微控制器核心单元模块采用MC9S12DP512；微控制器核心单元模块设有时钟电路、复位电路、工作模式选择电路、芯片电源处理电路以及BDM调试电路。

所述的电源稳压模块采用LM2931稳压芯片，芯片输入和输出连接滤波电容去除纹波，蓄电池电压通过保护二极管和稳压管后与LM2931芯片输入端连接。

转速信号取自磁电机的点火脉冲信号，滤波器滤波后进行整形，整形原理是通过电压比较器转换成同频率方波信号，然后再接入MC9S12DP512微控制器的输入捕捉口计算转速；由于转速信号容易受点火信号影响，可能会有大的尖脉冲信号的出现，故在电路中串联了3个大电阻R41－R43，用来隔离尖脉冲，从而保护电路的正常工作。

所述的喷油嘴驱动模块采用MOS管32N06控制喷油器的电磁阀开启；MC9S12DP512微控制器的PWM输出引脚通过MOS管32N06的基极控制喷油器的电磁阀开启；发动机工作时，控制器根据输入信号发出喷油指令，控制功率管的导通与截止，再由功率管控制电磁线圈电流接通与切断，使各缸喷油器同时喷油和停止喷油。

所述的油泵继电器控制模块通过MOS管32N06集电极电流的通断来控制继电器线圈的通断，实现油泵继电器的通断控制。

本实用新型的航空二冲程煤油发动机喷油控制器的控制方法，包括以下步骤：

(1)采用基于LPV状态空间模型的喷油控制，LPV状态空间模型基于平均值喷油模型的基础上进行简化而建立；

平均值模型主要由四个动态子模块组成：燃油蒸发与油膜动态子模块、进气道空气流量子模块、曲轴箱扫气子模块及动力输出子模块；模型中油膜方程的基础是质量守恒方程，模型公式如下：

式中：

m₁为进气道中的空气的质量；n为发动机转速；R为摩尔气体常数，R＝8.314J·mol-1·K-1；p_m、T_m和V_m分别为进气道中的压力、温度和体积；为节气门处的空气流量；f(α)是节气门开度的经验公式；α为节气门开度；为通过簧片阀进入曲轴箱的空气流量；g(p_m)为进气道压力的函数；μ_i为簧片阀的流量系数；ψ为流动函数；υ_m为进气道的气体比容；F_i为簧片阀的瞬时几何流通截面积；m₂为曲轴箱中混合气质量；p_s、T_s和V_s分别为曲轴箱中的压力、温度和体积；为从曲轴箱扫入气缸的混合气流量；V_h为二冲程发动机的排气量；κ为进气道气体绝热指数；m_c为每缸每循环的进气量；φ_s为扫气系数；气缸数i＝2；冲程数τ＝2；φ_c为二冲程发动机的容积效率；为燃油蒸汽流量；m_ff为油膜质量；为喷油器喷出的燃油质量流量；τ_ff为燃油蒸发时间常数；为油膜质量变化率；η为喷射的燃油中沉积于壁面的比例；为进入曲轴箱内的燃油流量；

为简化平均值模型并转化为LPV状态空间模型，采取了以下假设：

①对进入曲轴箱空气流量的计算，假定气体流动达不到临界状态，在计算时仅考虑亚临界流动，那么根据以下公式计算

式中，Z_V为簧片阀的阀片数目，l_V、b_V、δ_V分别为阀片的长、宽、厚，E_V为阀片材料的弹性模量；

②假设进气道充排过程按等温状态变化，那么进气道中的温度T_m不变，则：

③假设在扫气过程中曲轴箱的温度不变，即那么：

式中，λ为二冲程发动机优化后各个工况的最佳目标空燃比，是已知量；

由于控制目的是求得循环喷油量其计算公式为：

所以LPV状态空间模型的输出量为进入曲轴箱内的空气质量流量输入变量为表征工况的转速和节气门开度，即输入变量u＝[α,n]^T；

状态变量选取x＝[p_m,p_s]^T，则由上述简化的平均值模型可以得到如下方程组：

在某些项中p_m和p_s两个状态变量属于非线性形式，如果把进入系统的非线性形式的状态变量看作参数，则可以把简化的平均值模型转化为LPV状态空间模型；令θ₁＝p_m，θ₂＝p_s，把看作参数的p_m、p_s分别用θ₁、θ₂代替，得到如下LPV状态空间模型：

控制目标选取进入曲轴箱内的空气质量流量并将其作为输出变量，则得到输出方程如下：

式中，

上述两式就是建立的火花点火式二冲程发动机LPV状态空间模型；

(2)根据LPV状态空间模型可以建立稳态工况和瞬态工况的喷油脉宽控制模型，其中瞬态工况通过油膜前馈补偿控制施加油膜前馈补偿；喷油控制器的控制根据发动转速和节气门信号来判定发动机的工况，将整个发动机运行工况分为上电初始化、起动工况、稳定工况、瞬态工况的急加减速工况、超速断油工况及意外处理工况。

本实用新型的航空二冲程煤油发动机喷油控制器的控制方法，包括以下步骤：控制所应用的软件程序设计使用C和汇编语言混合编程，用C语言编写嵌入式控制算法应用，用汇编语言编写与时间有关的部分。

本实用新型的航空二冲程煤油发动机喷油控制器的控制方法，包括以下步骤：

(1)喷油控制器硬件电路，ECU中数字电路、模拟电路分开，数字地、模拟小电流地、模拟大电流地分开，用光电耦合器将ECU的输入输出信号与传感器和执行器隔离；地线采用网状分布，避免形成环路，加粗地线降低内阻，采取过压保护措施，发动机喷油控制器PCB板采用双层板设计，双层布线，PCB板采用数字电路和模拟电路分开布局，分别布线；数字地和模拟地分开并在一点接地；元件的排列，晶振与微控制器引脚尽量靠近，时钟线和地线电源线尽量加粗，晶振外壳加上敷铜并接地；电源线加粗，

(2)软件程序中也采取了抗干扰措施，使用软件看门狗复位功能，设置软件陷阱，软件中断功能，时钟监控中断功能，输入采集信号的滤波技术等。

本实用新型的各部分部件及其工作原理如下：

控制器的硬件电路设计包括微控制器核心单元模块、电源稳压模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块、两路喷油嘴驱动模块、油泵继电器控制模块以及通信模块。

微控制器核心单元模块是该控制器的核心部分，采用Freescale公司的16位MCU(MC9S12DP512)，包括时钟电路、复位电路、工作模式选择电路、芯片电源处理电路以及BDM调试电路。

电源稳压模块采用LM2931稳压芯片，该芯片输入和输出连接滤波电容去除纹波。蓄电池电压通过保护二极管和稳压管后与LM2931芯片输入端连接。

模拟信号调理电路需要对节气门开度、大气压力、大气温度、缸体温度、蓄电池电压5路模拟信号量的变化转换为0～5V范围内电压的变化，还要进行滤波处理等，使其能够被MC9S12DP512微控制器的A/D转换模块进行采样和模数转换。

转速信号取自磁电机的点火脉冲整形后的信号，容易受点火信号影响，转速信号可能会有大的尖脉冲信号的出现，故在其后连续使用了3个大电阻，用来隔离尖脉冲，从而保护电路的正常工作。根据可能的尖脉冲信号大小，3个大电阻取值为33K。P17则接入MC9S12DP512微控制器的输入捕捉口。当发动机的转速发生变化时，运放正极的电压值会发生变化，此时运放负极也应相应的发生变化，使运算放大器输出方波，而运放的负极电压值的变化是依靠负端电阻的电阻值变化来实现的。电阻值变化由与其相连的单片机引脚(P57～P61)来控制，单片机引脚输出高电平，电阻直接连入电路，单片机引脚若输出低电平则和电容并联后连入电路，从而实现了控制电阻值变化。

两路喷油嘴驱动模块采用MOS管32N06控制喷油器的电磁阀开启。采用MC9S12DP512微控制器的PWM输出引脚实现对MOS管32N06的基极的控制，从而控制喷油器的电磁阀开启。发动机工作时，控制器根据输入信号发出喷油指令，控制功率管的导通与截止，再由功率管控制电磁线圈电流接通与切断，使各缸喷油器同时喷油和停止喷油。

油泵继电器控制模块利用MOS管32N06集电极电流的通断来控制继电器线圈的通断。

通信模块实现上位机监控程序对喷油电控单元控制参数的实时监测以及对喷油控制器的实时控制。采用RS232的通信格式与发动机燃油喷射控制器进行通信，获取发动机燃油喷射控制系统的相关信息。

喷油控制策略采用基于LPV状态空间模型的喷油控制策略。LPV状态空间模型是在基于平均值喷油模型的基础上进行简化而建立的，LPV状态空间方程使模型的计算更加简单。根据LPV状态空间模型可以建立稳态工况和瞬态工况的喷油脉宽控制模型，其中瞬态工况施加油膜前馈补偿控制器。

喷油控制器根据发动转速和节气门信号来判定发动机的工况，考虑了发动机的急加速和急减速工况等过度工况下的控制策略。把整个发动机运行工况分为上电初始化、起动工况、稳定工况、瞬态工况(急加减速工况)、超速断油及意外处理工况。

喷油控制器的软件的设计中，使用C和汇编语言混合编程。喷油控制器程序用C语言编写嵌入式控制算法应用，而用汇编语言编写与时间有关的部分。采用模块化的设计方法，尽量使程序优化，保证运行的实时性。按系统功能将整个程序分成若干个模块，每个程序模块完成特定的计算、处理或控制功能。控制系统软件具有结构清晰、易扩展和易调试的特点，可以满足控制系统实时控制的要求。

硬件和软件抗干扰设计。喷油控制器硬件电路设计采取的措施主要有：ECU中数字电路、模拟电路分开；数字地、模拟小电流地、模拟大电流地分开；用光电耦合器将ECU的输入输出信号与传感器和执行器隔离；地线采用网状分布，避免形成环路，并加粗地线降低内阻；采取过压保护措施。为了进一步屏蔽、隔离电磁场的干扰，喷油控制器采用了良好接地的金属外壳实现电磁屏蔽，既可防止外来电磁场干扰，又可防止本身电磁场辐射对外界的干扰。

由于发动机喷油控制器是数字电路与模拟电路混合系统，因此需要特别注意PCB的布局及抗干扰设计。本控制器PCB板采用双层板设计，双层布线。PCB板采用数字电路和模拟电路分开布局，分别布线。总体采用数字地和模拟地分开并在一点接地。从元件的排列上，晶振与微控制器引脚尽量靠近，时钟线和地线电源线尽量加粗，晶振外壳加上敷铜并接地，以达到隔离的目的。电源线中流过的电流较大，需要尽量加粗，布线时还需要考虑阻抗等因素。

为了保证喷油控制器的可靠性，除了在硬件上采取了一些抗干扰措施以外，在软件程序中也采取了抗干扰措施。系统受到干扰，造成程序运行失常，导致程序飞出数据区及工作寄存器中数据破坏。对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态后及时引导系统恢复原始状态。本文采用了以下抗干扰措施：使用软件看门狗复位功能；设置软件陷阱；软件中断(SWI)功能；时钟监控中断功能；输入采集信号的滤波技术等。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为喷油控制器结构框图。

图2为喷油控制器电压转换电路图。

图3为控制器电源引脚滤波电路图。

图4为模拟电路调理电路图。

图5为转速信号调理电路图。

图6为喷油器驱动电路图。

图7为油泵继电器控制电路图。

图8为串行通信电路图。

图9为喷油控制器实物图。

图10为基于LPV状态空间模型的二冲程发动机喷油控制模型结构示意图。

图11为喷油控制软件模块组成框图。

图12为喷油控制程序中包含的中断子程序。

图13为基于LPV状态空间模型控制算法的二冲程煤油发动机瞬态工况试验监测曲线。

图14为基于LPV状态空间模型控制算法的二冲程煤油发动机稳态工况试验监测曲线。

附图标记说明：1-节气门位置传感器；2-大气压力传感器；3-进气温度传感器；4-缸体温度传感器；5-模拟信号调理模块；6-电源稳压模块；7-油泵继电器控制模块；8-串行通信模块；9-数字信号调理模块。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

结合图1－图9可知，本实用新型的一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器，包括微控制器核心单元模块，所述的微控制器核心单元模块与模拟信号调理模块5、数字信号调理模块9、油泵继电器控制模块7、串行通信模块8电连接，微控制器核心单元模块、模拟信号调理模块5、数字信号调理模块9、油泵继电器控制模块7均通过电源稳压模块6供电；

节气门位置传感器1、大气压力传感器2、进气温度传感器3、缸体温度传感器4分别与模拟信号调理模块5电连接，模拟信号调理模块5将节气门开度、大气压力、大气温度、缸体温度、蓄电池电压模拟信号量的变化转换为0～5V范围内电压的变化，并进行滤波处理后将信号传输给微控制器核心单元模块；

点火脉冲信号、起动开关信号跟数字信号调理模块9电连接，这两个信号经数字信号调理模块9处理后输送到微控制器核心单元模块；

喷油嘴驱动模块、油泵继电器控制模块7分别与模拟信号调理模块5电连接，喷油嘴驱动模块控制喷射器，油泵继电器控制模块7控制燃油泵。

所述的微控制器核心单元模块采用MC9S12DP512；微控制器核心单元模块设有时钟电路、复位电路、工作模式选择电路、芯片电源处理电路、BDM调试电路。

所述的电源稳压模块6采用LM2931稳压芯片，芯片输入和输出连接滤波电容去除纹波，蓄电池电压通过保护二极管和稳压管后与LM2931芯片输入端连接。

转速信号取自磁电机的点火脉冲信号，滤波器滤波后进行整形，整形原理是通过电压比较器转换成同频率方波信号，然后再接入MC9S12DP512微控制器的输入捕捉口计算转速；由于转速信号容易受点火信号影响，可能会有大的尖脉冲信号的出现，故在电路中串联了3个大电阻R41－R43，用来隔离尖脉冲，从而保护电路的正常工作。

所述的喷油嘴驱动模块采用MOS管32N06控制喷油器的电磁阀开启；MC9S12DP512微控制器的PWM输出引脚通过MOS管32N06的基极控制喷油器的电磁阀开启；发动机工作时，控制器根据输入信号发出喷油指令，控制功率管的导通与截止，再由功率管控制电磁线圈电流接通与切断，使各缸喷油器同时喷油和停止喷油。

所述的油泵继电器控制模块7通过MOS管32N06集电极电流的通断来控制继电器线圈的通断，实现油泵继电器的通断控制。

本实用新型的航空二冲程煤油发动机喷油控制器的控制方法，包括以下步骤：

(1)采用基于LPV状态空间模型的喷油控制，LPV状态空间模型基于平均值喷油模型的基础上进行简化而建立；

平均值模型主要由四个动态子模块组成：燃油蒸发与油膜动态子模块、进气道空气流量子模块、曲轴箱扫气子模块及动力输出子模块；模型中油膜方程的基础是质量守恒方程，模型公式如下：

式中：

m₁为进气道中的空气的质量；n为发动机转速；R为摩尔气体常数，R＝8.314J·mol-1·K-1；p_m、T_m和V_m分别为进气道中的压力、温度和体积；为节气门处的空气流量；f(α)是节气门开度的经验公式；α为节气门开度；为通过簧片阀进入曲轴箱的空气流量；g(p_m)为进气道压力的函数；μ_i为簧片阀的流量系数；ψ为流动函数；υ_m为进气道的气体比容；F_i为簧片阀的瞬时几何流通截面积；m₂为曲轴箱中混合气质量；p_s、T_s和V_s分别为曲轴箱中的压力、温度和体积；为从曲轴箱扫入气缸的混合气流量；V_h为二冲程发动机的排气量；κ为进气道气体绝热指数；m_c为每缸每循环的进气量；φ_s为扫气系数；气缸数i＝2；冲程数τ＝2；φ_c为二冲程发动机的容积效率；为燃油蒸汽流量；m_ff为油膜质量；为喷油器喷出的燃油质量流量；τ_ff为燃油蒸发时间常数；为油膜质量变化率；η为喷射的燃油中沉积于壁面的比例；为进入曲轴箱内的燃油流量；

为简化平均值模型并转化为LPV状态空间模型，采取了以下假设：

①对进入曲轴箱空气流量的计算，假定气体流动达不到临界状态，在计算时仅考虑亚临界流动，那么根据以下公式计算

式中，Z_V为簧片阀的阀片数目，l_V、b_V、δ_V分别为阀片的长、宽、厚，E_V为阀片材料的弹性模量；

②假设进气道充排过程按等温状态变化，那么进气道中的温度T_m不变，则：

③假设在扫气过程中曲轴箱的温度不变，即那么：

式中，λ为二冲程发动机优化后各个工况的最佳目标空燃比，是已知量；

由于控制目的是求得循环喷油量其计算公式为：

所以LPV状态空间模型的输出量为进入曲轴箱内的空气质量流量输入变量为表征工况的转速和节气门开度，即输入变量u＝[α,n]^T；

状态变量选取x＝[p_m,p_s]^T，则由上述简化的平均值模型可以得到如下方程组：

在某些项中p_m和p_s两个状态变量属于非线性形式，如果把进入系统的非线性形式的状态变量看作参数，则可以把简化的平均值模型转化为LPV状态空间模型；令θ₁＝p_m，θ₂＝p_s，把看作参数的p_m、p_s分别用θ₁、θ₂代替，进行重新整理，得到如下LPV状态空间模型：

控制目标选取进入曲轴箱内的空气质量流量并将其作为输出变量，则得到输出方程如下：

式中，

上述两式就是建立的火花点火式二冲程发动机LPV状态空间模型；

(2)根据LPV状态空间模型可以建立稳态工况和瞬态工况的喷油脉宽控制模型，其中瞬态工况通过油膜前馈补偿控制施加油膜前馈补偿；喷油控制器的控制根据发动转速和节气门信号来判定发动机的工况，将整个发动机运行工况分为上电初始化、起动工况、稳定工况、瞬态工况的急加减速工况、超速断油工况及意外处理工况。

本实用新型的航空二冲程煤油发动机喷油控制器的控制方法，包括以下步骤：控制所应用的软件程序设计使用C和汇编语言混合编程，用C语言编写嵌入式控制算法应用，用汇编语言编写与时间有关的部分。

本实用新型的航空二冲程煤油发动机喷油控制器的控制方法，包括以下步骤：

(1)喷油控制器硬件电路，ECU中数字电路、模拟电路分开，数字地、模拟小电流地、模拟大电流地分开，用光电耦合器将ECU的输入输出信号与传感器和执行器隔离；地线采用网状分布，避免形成环路，加粗地线降低内阻，采取过压保护措施，发动机喷油控制器PCB板采用双层板设计，双层布线，PCB板采用数字电路和模拟电路分开布局，分别布线；数字地和模拟地分开并在一点接地；元件的排列，晶振与微控制器引脚尽量靠近，时钟线和地线电源线尽量加粗，晶振外壳加上敷铜并接地；电源线加粗，

(2)软件程序中也采取了抗干扰措施，使用软件看门狗复位功能，设置软件陷阱，软件中断功能，时钟监控中断功能，输入采集信号的滤波技术等。

本实用新型的各部分部件及其工作原理如下：

控制器的硬件电路设计包括微控制器核心单元模块、电源稳压模块6、模拟信号调理模块5、数字信号调理模块9、两路喷油嘴驱动模块、油泵继电器控制模块7以及通信模块。

微控制器核心单元模块是该控制器的核心部分，采用Freescale公司的16位MCU(MC9S12DP512)，包括时钟电路、复位电路、工作模式选择电路、芯片电源处理电路以及BDM调试电路。

电源稳压模块6采用LM2931稳压芯片，该芯片输入和输出连接滤波电容去除纹波。蓄电池电压通过保护二极管和稳压管后与LM2931芯片输入端连接。

模拟信号调理电路需要对节气门开度、大气压力、大气温度、缸体温度、蓄电池电压5路模拟信号量的变化转换为0～5V范围内电压的变化，还要进行滤波处理等，使其能够被MC9S12DP512微控制器的A/D转换模块进行采样和模数转换。

转速信号取自磁电机的点火脉冲整形后的信号，容易受点火信号影响，转速信号可能会有大的尖脉冲信号的出现，故在其后连续使用了3个大电阻，用来隔离尖脉冲，从而保护电路的正常工作。根据可能的尖脉冲信号大小，3个大电阻取值为33K。P17则接入MC9S12DP512微控制器的输入捕捉口。当发动机的转速发生变化时，运放正极的电压值会发生变化，此时运放负极也应相应的发生变化，使运算放大器输出方波，而运放的负极电压值的变化是依靠负端电阻的电阻值变化来实现的。电阻值变化由与其相连的单片机引脚(P57～P61)来控制，单片机引脚输出高电平，电阻直接连入电路，单片机引脚若输出低电平则和电容并联后连入电路，从而实现了控制电阻值变化。

两路喷油嘴驱动模块采用MOS管32N06控制喷油器的电磁阀开启。采用MC9S12DP512微控制器的PWM输出引脚实现对MOS管32N06的基极的控制，从而控制喷油器的电磁阀开启。发动机工作时，控制器根据输入信号发出喷油指令，控制功率管的导通与截止，再由功率管控制电磁线圈电流接通与切断，使各缸喷油器同时喷油和停止喷油。

油泵继电器控制模块7利用MOS管32N06集电极电流的通断来控制继电器线圈的通断。

通信模块实现上位机监控程序对喷油电控单元控制参数的实时监测以及对喷油控制器的实时控制。采用RS232的通信格式与发动机燃油喷射控制器进行通信，获取发动机燃油喷射控制系统的相关信息。

喷油控制策略采用基于LPV状态空间模型的喷油控制策略。LPV状态空间模型是在基于平均值喷油模型的基础上进行简化而建立的，LPV状态空间方程使模型的计算更加简单。根据LPV状态空间模型可以建立稳态工况和瞬态工况的喷油脉宽控制模型，其中瞬态工况施加油膜前馈补偿控制器。

喷油控制器根据发动转速和节气门信号来判定发动机的工况，考虑了发动机的急加速和急减速工况等过度工况下的控制策略。把整个发动机运行工况分为上电初始化、起动工况、稳定工况、瞬态工况(急加减速工况)、超速断油及意外处理工况。

喷油控制器的软件的设计中，使用C和汇编语言混合编程。喷油控制器程序用C语言编写嵌入式控制算法应用，而用汇编语言编写与时间有关的部分。采用模块化的设计方法，尽量使程序优化，保证运行的实时性。按系统功能将整个程序分成若干个模块，每个程序模块完成特定的计算、处理或控制功能。控制系统软件具有结构清晰、易扩展和易调试的特点，可以满足控制系统实时控制的要求。

硬件和软件抗干扰设计。喷油控制器硬件电路设计采取的措施主要有：ECU中数字电路、模拟电路分开；数字地、模拟小电流地、模拟大电流地分开；用光电耦合器将ECU的输入输出信号与传感器和执行器隔离；地线采用网状分布，避免形成环路，并加粗地线降低内阻；采取过压保护措施。为了进一步屏蔽、隔离电磁场的干扰，喷油控制器采用了良好接地的金属外壳实现电磁屏蔽，既可防止外来电磁场干扰，又可防止本身电磁场辐射对外界的干扰。

由于发动机喷油控制器是数字电路与模拟电路混合系统，因此需要特别注意PCB的布局及抗干扰设计。本控制器PCB板采用双层板设计，双层布线。PCB板采用数字电路和模拟电路分开布局，分别布线。总体采用数字地和模拟地分开并在一点接地。从元件的排列上，晶振与微控制器引脚尽量靠近，时钟线和地线电源线尽量加粗，晶振外壳加上敷铜并接地，以达到隔离的目的。电源线中流过的电流较大，需要尽量加粗，布线时还需要考虑阻抗等因素。

为了保证喷油控制器的可靠性，除了在硬件上采取了一些抗干扰措施以外，在软件程序中也采取了抗干扰措施。系统受到干扰，造成程序运行失常，导致程序飞出数据区及工作寄存器中数据破坏。对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态后及时引导系统恢复原始状态。本文采用了以下抗干扰措施：使用软件看门狗复位功能；设置软件陷阱；软件中断(SWI)功能；时钟监控中断功能；输入采集信号的滤波技术等。

本实用新型实施例，设计基于LPV状态空间模型的喷油控制算法，进行基于LPV状态空间模型的煤油发动机稳态和瞬态工况的喷油控制台架试验，喷油控制台架试验在由杭州中成公司EST-2002型内燃机测控系统组成的台架试验平台上进行。试验发动机为德国二冲程汽油发动机，该发动机为两缸、二冲程、气冷、电子控制燃油多点同时喷射、活塞式发动机。

喷油控制器上电后，控制油泵继电器功率MOSMET的引脚输出高电平，油泵继电器动作，建立油压，大约7秒钟(由自由定时器控制)，控制器引脚输出低电平，继电器释放，油泵断电停止运转，然后喷油控制器进入判工况程序。转速和节气门开度由传感器采集，进气空气流量由LPV状态空间模型计算得到，再由模型计算出循环喷油量，然后根据喷油器的流量特性公式把喷油量转换为喷油脉宽。

图10为二冲程发动机喷油控制模型结构示意图。根据LPV状态空间模型可以建立稳态工况和瞬态工况的喷油脉宽控制模型，判断为瞬态工况后施加油膜前馈补偿控制。瞬态工况施加前馈油膜补偿控制器以后使实际喷油脉宽增大，这样使瞬态工况下的油膜动态效应得以消除，施加补偿后大大减小了喷油量达到稳态所需的时间，并避免了因所需燃油量与实际进入曲轴箱内的燃油量产生较大偏差而造成实际空燃比较大的波动，提高了瞬态工况下空燃比的控制精度。

图11为喷油控制软件模块组成框图。整个控制软件模块组成如图11所示，其中箭头所指方向为控制程序的编程顺序。程序首先定义有关的各种变量和常量。程序利用利用指令#pragma DATA_SEG〈segment name〉、#pragma CODE_SEG〈segment name〉、#pragmaCONST_SEG〈segment name〉分别把变量、常数和程序代码置于存储器的不同位置。全局变量通常是为了给中断服务函数传递参数定义的，把它们定义在一个相对集中的RAM空间；程序的基本喷油MAP图作为常数以数组的形式定义的，利用指令#pragma CONST_SEG〈segmentname〉把MAP图放在了FLASH存储区固定页，保证了数据的可靠性。接着定义了程序中用到各种函数原型，然后按照功能需求进行了AD、PWM、ECT等功能模块的各种设置。

主程序模块主要完成ATD、PWM、ECT和SCI等MC9S12DP512微控制器芯片外围功能模块的初始化设置，各种输入采集信号的计算，喷油脉宽的计算，判工况和各工况处理以及通信的实现等功能，是控制程序的核心模块。

如图12所示，中断模块主要完成各个中断的处理，本文中断程序主要的中断子程序。其中定时器输入捕捉中断子程序用来计算转速，PWM模块对喷油器的执行控制也在此中断子程序中完成。控制算法与函数定义模块是一些计算算法函数子程序，这些计算子程序供主程序调用。本文开发程序主要包括采集计算子程序、二维插值控制算法子程序、转速周期频率计算子程序、滤波程序、各种修正公式计算子程序、串口发送和接受字符子程序、各种输入信号AD转换值和显示值的转换子程序、两次计数之差计算子程序、节气门变化率计算子程序等一些函数计算程序。

首先验证基于LPV模型瞬态工况油膜补偿控制策略。在发动机起动之前预喷油几次，煤油发动机起动后，通过突然减小节气门开度和加大节气门开度，进行急减速和急加速试验。

如图13所示瞬态工况监控曲线，从发动机运转情况和喷油台架试验监测曲线可以看出，基于模型的喷油控制中，瞬态工况由于加了油膜补偿控制，在瞬态工况喷油量能及时补偿，从而使瞬态工况的喷油控制满足要求。

然后，为了验证基于LPV状态空间模型控制算法稳定工况下发动机动力输出性能，进行了煤油发动机多个稳定工况点性能试验，记录不同工况点的性能数据。

图14为基于LPV状态空间模型控制算法的煤油发动机稳态工况喷油台架试验监测曲线。从监测曲线可以看出，基于LPV状态空间模型的喷油控制能使煤油发动机运行稳定，满足对煤油发动机的控制要求。

综上所述，所设计的基于LPV状态空间模型的喷油控制器可以实现稳态工况和瞬态工况喷油控制；基于LPV状态空间模型的控制算法可以大大减少电控系统开发过程中标定试验的工作量，而且LPV状态空间模型计算简单，可以直接用于控制算法的设计，在工程中容易实现。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种航空二冲程煤油发动机喷油控制器，包括微控制器核心单元模块，其特征在于：所述的微控制器核心单元模块与模拟信号调理模块、数字信号调理模块、油泵继电器控制模块电连接，微控制器核心单元模块、模拟信号调理模块、数字信号调理模块、油泵继电器控制模块均通过电源稳压模块供电；

节气门位置传感器、大气压力传感器、进气温度传感器、缸体温度传感器分别与模拟信号调理模块电连接，模拟信号调理模块将节气门开度、大气压力、大气温度、缸体温度、蓄电池电压模拟信号量的变化转换为0～5V范围内电压的变化，并进行滤波处理后将信号传输给微控制器核心单元模块；

点火脉冲信号、起动开关信号跟数字信号调理模块电连接，这两个信号经数字信号调理模块处理后输送到微控制器核心单元模块；

喷油嘴驱动模块、油泵继电器控制模块分别与模拟信号调理模块电连接，喷油嘴驱动模块控制喷射器，油泵继电器控制模块控制燃油泵。

2.根据权利要求1所述的航空二冲程煤油发动机喷油控制器，其特征在于：所述的微控制器核心单元模块采用MC9S12DP512；微控制器核心单元模块设有时钟电路、复位电路、工作模式选择电路、芯片电源处理电路以及BDM调试电路。

3.根据权利要求1所述的航空二冲程煤油发动机喷油控制器，其特征在于：所述的电源稳压模块采用LM2931稳压芯片，芯片输入和输出连接滤波电容去除纹波，蓄电池电压通过保护二极管和稳压管后与LM2931芯片输入端连接。

4.根据权利要求1所述的航空二冲程煤油发动机喷油控制器，其特征在于：点火脉冲信号经滤波器滤波后进行整形，通过电压比较器转换成同频率方波信号，然后再接入MC9S12DP512微控制器的输入捕捉口计算转速。

5.根据权利要求1所述的航空二冲程煤油发动机喷油控制器，其特征在于：所述的喷油嘴驱动模块采用MOS管32N06控制喷油器的电磁阀开启；MC9S12DP512微控制器的PWM输出引脚通过MOS管32N06的基极控制喷油器的电磁阀开启；发动机工作时，控制器根据输入信号发出喷油指令，控制功率管的导通与截止，再由功率管控制电磁线圈电流接通与切断，使各缸喷油器同时喷油和停止喷油。

6.根据权利要求1所述的航空二冲程煤油发动机喷油控制器，其特征在于：所述的油泵继电器控制模块通过MOS管32N06集电极电流的通断来控制继电器线圈的通断。