CN207161217U - 一种汽油发动机怠速智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种汽油发动机怠速智能控制系统，包括信号预处理模块、数据采集模块、工业控制计算机、电机驱动模块、步进电机、转速计、发动机进气量控制阀以及若干种传感器。安装于发动机各个部分的传感器将收集到的信号经信号预处理模块及数据采集模块输入到计算机，工业控制计算机对输入的各种信号进行分析得到发动机的目标转速，在与实际转速比较之后得到目标转速的控制量，通过电机驱动模块和步进电机调节发动机进气量控制阀的开度，从而实现怠速速度的控制。

Description

一种汽油发动机怠速智能控制系统

技术领域

本实用新型属于发动机控制技术领域，特别涉及了一种汽油发动机怠速智能控制系统。

背景技术

随着我国有关汽车的法律法规的日益完善，人类对汽车性能指标的要求越来越高，既要满足节能减排的要求，又要兼备安全性与舒适性。汽车发动机作为汽车的心脏，它的工作好坏直接影响汽车的整体性能。汽车电子控制装置开发最早、最主要部分是从发动机控制开始的，经过多年的发展，最终形成了汽车的微机集中控制系统。

怠速工况是发动机最常见的工况之一，汽油发动机步进电机式怠速控制系统，是通过控制节气门旁的旁通空气道的空气量实现怠速速度的控制，而空气量的调节是由一只步进电机驱动的辅助空气阀实现的。当汽车在交通密度大的道路上行驶时，约有近三分之一的燃油消耗在怠速阶段，为了提高燃油利用率，减少污染物的排放，应尽可能降低怠速的转速并保持怠速的稳定性。因此，设计一套汽油发动机怠速智能控制系统很有必要。

实用新型内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本实用新型旨在提供一种汽油发动机怠速智能控制系统，实现发动机怠速的稳定控制。

为了实现上述技术目的，实用新型的技术方案为：

一种汽油发动机怠速智能控制系统，包括信号预处理模块、数据采集模块、工业控制计算机、电机驱动模块、步进电机、转速计、发动机进气量控制阀以及若干种传感器；所述若干种传感器分别安设在汽油发动机的不同部位，采集汽油发动机的各种运行参数，所述信号预处理模块的输入端连接各传感器的输出端，信号预处理模块的输出端连接数据采集模块的输入端，所述工业控制计算机的输入端连接数据采集模块的输出端，工业控制计算机的输出端连接电机驱动模块的输入端，所述步进电机的输入端连接电机驱动模块的输出端，步进电机的输出轴连接汽油发动机的进气量控制阀，所述转速计安装在步进电机上，转速计的输出端连接工业控制计算机的输入端；信号预处理模块将不同传感器采集到的信号通过不同的输入通道传输给数据采集模块，数据采集模块将不同传感器采集的信号汇聚并上传至工业控制计算机，工业控制计算机根据发动机的各种运行参数和步进电机的实时转速产生电机驱动信号并传送给电机驱动模块，电机驱动模块根据电机驱动信号驱动步进电机运转，从而调节发动机进气量控制阀的开度，控制怠速速度；

所述传感器包括：

曲轴位置传感器，采集曲轴的转角并转换为电信号输出；

空气流量计，测量发动机吸入的新鲜空气量并转换化为电信号输出；

节气门位置传感器，采集节气门的开度并转换为电信号输出；

爆震传感器，安装在发动机体、气缸盖或进气支管上，采集发动机机体的振动信号并转换为电信号输出；

温度传感器，安装在发动机冷却液出水管上，采集发动机温度并转换为电信号输出；

电瓶电压传感器，采集电瓶的电压值并输出；

点火开关，采集点火状态并输出；

怠速开关，采集怠速状态并输出。

进一步地，所述电机驱动模块包括驱动芯片、驱动信号源发生器、驱动芯片电源和驱动信号源发生器电源，所述驱动信号源发生器向驱动芯片提供驱动脉冲，驱动芯片的控制端与工业控制计算机连接，驱动芯片的输出端与步进电机连接，驱动芯片根据工业控制计算机输出的驱动信号控制步进电机的启动、停止、正转和反转，驱动芯片根据驱动脉冲的振荡频率控制步进电机的动作频率，驱动芯片电源和驱动信号源发生器电源分别向驱动芯片和驱动信号源发生器供电。

进一步地，所述驱动信号源发生器包括555定时器、第一电容、第二电容以及第一～第四电阻，其中，第二电阻为滑动电阻，第一电容的容值为0.01微法，555定时器的第4引脚与第8引脚相接后连接至驱动信号源发生器电源的正端，555定时器的第3引脚连接驱动芯片的输入端，第四电阻的两端分别连接555定时器的第3引脚和驱动信号源发生器电源的正端，555定时器的第5引脚经第一电容接地，555定时器的第1引脚与驱动信号源发生器电源的负端共同接地，555定时器的第2引脚和第6引脚相接后经第二电容接地，555定时器的第7引脚连接第二电阻的滑动端，第二电阻的第一固定端经第一电阻连接至驱动信号源发生器电源的正端，第二电阻的第二固定端经第三电阻连接至555定时器的第2引脚；通过调节第二电阻的阻值改变驱动脉冲的振荡频率。

进一步地，所述数据采集模块与工业控制计算机之间通过ISA总线进行数据传输。

进一步地，所述信号预处理模块包括PCLD-782B输入子板和PCLD-8115端子板，所述PCLD-782B输入子板的输入端连接数字式传感器，所述PCLD-8115端子板连接模拟式传感器。

进一步地，所述数据采集模块采用PCL-818HD数据采集卡，将PCLD-8115端子板传输的模拟信号转化为数字信号。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本实用新型通过对发动机各项性能指标进行实时数据采集以及电机转速的闭环控制，使得控制系统具有很强的抗干扰性能，实现对发动机怠速速度的稳定控制。

附图说明

图1是本实用新型的控制系统组成框图；

图2是发动机转速信号处理框图；

图3是步进电机驱动系统原理图；

图4是驱动信号源发生器原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本实用新型设计的一种汽油发动机怠速智能控制系统，包括信号预处理模块、数据采集模块、工业控制计算机、电机驱动模块、步进电机、转速计、发动机进气量控制阀以及若干种传感器。当发动机运行于怠速状态时，安装在发动机各个部分的传感器负责检测发动机的实时信息，并将检测到的信号传送到信号预处理模块。其中曲轴位置传感器的作用是确定曲轴的位置，也就是曲轴的转角，从而确定基本点火时刻；空气流量计的作用是对发动机吸入的新鲜空气量进行直接或间接的测量，并把测量结果转换成电压或频率信号输送到计算机，来作为控制喷油量的主要依据；节气门位置传感器的作用是把节气门的开度转换为电信号，计算机根据节气门位置传感器的输出信号，对实际喷油量进行修正；爆震传感器安装在发动机体、气缸盖或进气歧管上，将发动机机体的振动转换成电压信号输送到计算机，计算机根据输入电压信号进行爆震判断；发动机温度传感器安装在发动机冷却液出水管上，由此测出发动机温度，并将其转变为电信号传给计算机，用来修正燃油喷射和点火正时，从而获得浓度更合适的混合气。信号预处理模块在对各个传感器输入的信号进行各类干扰噪声消除后，得到较为稳定可靠的信号，经数据采集模块输入到工业控制计算机，由工业控制计算机对各种信号进行分析计算得到发动机的目标转速，然后再根据目标转速与实际转速比较后得出的差值确定目标转速的控制量，根据控制量生成相应的驱动信号，并通过电机驱动模块和步进电机调节发动机进气量控制阀的开度，从而实现怠速速度的控制。

信号预处理模块由PCLD-782B数字量输入子板和PCLD-8115端子板共同构成，数据采集模块采用PCL-818HD数据采集卡。PCLD-782B是一个24/16通道数字量输入子板，可用于带有D/I通道的PC-Lab Cards，所有输入通道均有高于1500V_DC的光电隔离，为通道与通道之间以及输入与计算机之间信号的传递提供隔离，可以有效避免输出电路中各种干扰信号进入计算机内部。PCLD-8115端子板为任何带有20针扁平连接器的PC-Lab Cards提供了方便又可靠的信号线，该板装备有一DB-37连接器，支持带有同样连接器的PC-Lab Cards。该板中检测电路不仅可以直接将热电偶传感器连接到冷压接头测量，还提供了软件补偿和线性化处理等功能。PCL-818HD是一种用于IBM PC/XT/AT或可兼容计算机的带有可编程增益的高性能、多功能数据采集卡。它提供了5种测控功能：12位的A/D、D/A转换、D/I、D/O和定时/计数器功能。系统中信号的传输采用了带有屏蔽层的双绞信号线，可以有效抑制信息传递过程中的干扰，保证信号稳定可靠地传输。

图2为发动机转速信号处理框图，图中n₀为发动机的目标转速，是发动机怠速工况下的最佳转速，由工控机根据发动机各部分传感器输入的发动机信号所决定，n₁为转速计检测到的发动机实际转速，e为转速偏差，d为转速偏差率，若n₂为转速的上次采样值，采样间隔为Δt，则以上各量之间的关系如式(1)、(2)所示：

e＝n₁-n₀ (1)

d＝(n₁-n₂)/Δt (2)

工控机根据转速偏差e与转速偏差率d得到控制量u，并据此生成驱动信号，通过电机驱动模块和步进电机来调节进气量控制阀。

图3为步进电机驱动系统原理图，由图可见，步进电机的起动/停止及正/反转由计算机控制，外用+5V电源及+24V电源为开关电源，其中+5V作为驱动信号源电路驱动电源，+24V为EXD2015M型二相步进电机驱动器输入电源。

如图4所示，驱动信号源电路采用555定时器构成的占空比可调的方波信号发生电路，该电路的振荡频率：

上式中，t_PH，t_PL分别为脉冲的高、低电平时宽。当增大R_A、减小R_B时，可以提高振荡频率；当减小R_A、增大R_B时，可以降低振荡频率。因此通过调节滑动电阻R2，可以改变输出脉冲的振荡频率，从而改变步进电机的动作频率。

以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。

Claims (6)

1.一种汽油发动机怠速智能控制系统，其特征在于：包括信号预处理模块、数据采集模块、工业控制计算机、电机驱动模块、步进电机、转速计、发动机进气量控制阀以及若干种传感器；所述若干种传感器分别安设在汽油发动机的不同部位，采集汽油发动机的各种运行参数，所述信号预处理模块的输入端连接各传感器的输出端，信号预处理模块的输出端连接数据采集模块的输入端，所述工业控制计算机的输入端连接数据采集模块的输出端，工业控制计算机的输出端连接电机驱动模块的输入端，所述步进电机的输入端连接电机驱动模块的输出端，步进电机的输出轴连接汽油发动机的进气量控制阀，所述转速计安装在步进电机上，转速计的输出端连接工业控制计算机的输入端；信号预处理模块将不同传感器采集到的信号通过不同的输入通道传输给数据采集模块，数据采集模块将不同传感器采集的信号汇聚并上传至工业控制计算机，工业控制计算机根据发动机的各种运行参数和步进电机的实时转速产生电机驱动信号并传送给电机驱动模块，电机驱动模块根据电机驱动信号驱动步进电机运转，从而调节发动机进气量控制阀的开度，控制怠速速度；

所述传感器包括：

曲轴位置传感器，采集曲轴的转角并转换为电信号输出；

空气流量计，测量发动机吸入的新鲜空气量并转换化为电信号输出；

节气门位置传感器，采集节气门的开度并转换为电信号输出；

爆震传感器，安装在发动机体、气缸盖或进气支管上，采集发动机机体的振动信号并转换为电信号输出；

温度传感器，安装在发动机冷却液出水管上，采集发动机温度并转换为电信号输出；

电瓶电压传感器，采集电瓶的电压值并输出；

点火开关，采集点火状态并输出；

怠速开关，采集怠速状态并输出。

2.根据权利要求1所述汽油发动机怠速智能控制系统，其特征在于：所述电机驱动模块包括驱动芯片、驱动信号源发生器、驱动芯片电源和驱动信号源发生器电源，所述驱动信号源发生器向驱动芯片提供驱动脉冲，驱动芯片的控制端与工业控制计算机连接，驱动芯片的输出端与步进电机连接，驱动芯片根据工业控制计算机输出的驱动信号控制步进电机的启动、停止、正转和反转，驱动芯片根据驱动脉冲的振荡频率控制步进电机的动作频率，驱动芯片电源和驱动信号源发生器电源分别向驱动芯片和驱动信号源发生器供电。

3.根据权利要求2所述汽油发动机怠速智能控制系统，其特征在于：所述驱动信号源发生器包括555定时器、第一电容、第二电容以及第一～第四电阻，其中，第二电阻为滑动电阻，第一电容的容值为0.01微法，555定时器的第4引脚与第8引脚相接后连接至驱动信号源发生器电源的正端，555定时器的第3引脚连接驱动芯片的输入端，第四电阻的两端分别连接555定时器的第3引脚和驱动信号源发生器电源的正端，555定时器的第5引脚经第一电容接地，555定时器的第1引脚与驱动信号源发生器电源的负端共同接地，555定时器的第2引脚和第6引脚相接后经第二电容接地，555定时器的第7引脚连接第二电阻的滑动端，第二电阻的第一固定端经第一电阻连接至驱动信号源发生器电源的正端，第二电阻的第二固定端经第三电阻连接至555定时器的第2引脚；通过调节第二电阻的阻值改变驱动脉冲的振荡频率。

4.根据权利要求1所述汽油发动机怠速智能控制系统，其特征在于：所述数据采集模块与工业控制计算机之间通过ISA总线进行数据传输。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述汽油发动机怠速智能控制系统，其特征在于：所述信号预处理模块包括PCLD-782B输入子板和PCLD-8115端子板，所述PCLD-782B输入子板的输入端连接数字式传感器，所述PCLD-8115端子板连接模拟式传感器。

6.根据权利要求5所述汽油发动机怠速智能控制系统，其特征在于：所述数据采集模块采用PCL-818HD数据采集卡，将PCLD-8115端子板传输的模拟信号转化为数字信号。