汽车电子控制课程设计发动机台架测试系统设计.docx
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汽车电子控制课程设计发动机台架测试系统设计
前言
随着国家经济发展，普通群众购买汽车热情高涨，对汽车性能要求也不断提高。
发动机作为汽车的心脏也越来越受到厂家的重视。
发动机试验作为发动机研发极其重要的一环，是衡量发动机动力性和经济性的必要手段，同样受到汽车及发动机厂家的高度重视。
试验台架作为发动机最基本的测试平台，对发动机性能观测有着至关重要的知道意义。
新发动机在装备汽车之前，需要在专门的试验台架上对其性能、质量等指标进行严格的测试。
由于发动机实验内容多变过程复杂，参数种类多（包括扭矩转速、机油温度、进排气温度、冷却水温度、进排气压力、发动机输出功率等），采集频率快、精度要求高，试验后数据处理要求严格，其水平的高低将直接影响到能否如实地反映发动机的性能。
因此对试验台架测控系统在功能、性能和扩展性等方面提出了很高要求。
1发动机台架测试系统设计方案及布置框图
1.1水力测功机简介
1.1.1水力测功机组成
水力测功机由制动器、测力机构、供水系统和指示控制部分组成。
制动器是吸收功率的不见，由转子和壳体组成。
1.1.2水力测功机原理
水力测功机是利用物体在水中运动产生摩擦阻力吸收发动机的功率的一种测功装置。
水通过进水管同时进入两侧的进水环室，然后由定子上的进水孔进入涡流中心。
转子使水在涡流室中作旋转运动，通过与外壳的摩擦，使外壳摆动。
控制阀控制出水量以调节水层厚度，水层越厚，水与外壳的摩擦力矩越大，吸收功越多，此时外壳摆动角度也大，测力计上的读数也增加。
这样，发动机输出的机械能被水吸收变成热能并将扭矩传到外壳上，由测功器测出。
1.2总体布置设计
台架试验主要包括调速性能试验、负荷特性试验、速度特性试验和万有特性试验等。
主要测试项目有：
转矩、油耗、机油温度、水温、排气温度、机油压力，油门实际开度、转速等八个输入量。
发动机台架测试系统的基本任务是实现发动机台架试验数据的采集与分析的自动化。
其主要功能如下：
（1）自动采集发动机试验参数，包括发动机转速，扭矩，水温，机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等基本物理量。
（2）自动进行试验数据的处理，包括消除误差，拟合曲线等，并且生成数据文件供二次处理使用。
（3）自动绘图，即试验人员可以将试验特性曲线送到绘图仪输出。
（4）试验过程报警，当发动机工作异常时，系统会提示试验人员，并暂停工作
（5）系统维护，试验人员可以修改运行参数，增加新的测试模块，以满足不同试验的需要。
2传感器接口电路的设计
2.1传感器的评价指标与选择
传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响整个测试系统的工作质量。
选择传感器时，主要可以考虑以下几个方面的性能指标
（1）灵敏度
一般来说，应该尽量选用灵敏度高的传感器，因为传感器灵敏度越高，对被测量的感知能力越强，被测量有微小的变化，传感器就能有较大的输出，但是灵敏度越高的传感器价格也越昂贵，因此传感器的选择应该在满足试验要求的基础上取精度与成本之间的折中。
（2）精确度
传感器的精确度反映传感器的输出值与被测参数的真值的符合程度。
精确度越高，表明传感器越能真实的反映被测量值。
但是，越高的精确度往往要求更高的制造成本。
因此，要同时考虑到经济条件。
（3）稳定性
稳定性表示传感器在一个相当长的时期内，维持其输出特性恒定不变的性能。
影响传感器稳定性的两个因素通是时间和环境。
环境因素包括温度、湿度、尘埃、磁场和电场干扰、振动和外界噪声干扰等，这些因素都会引起传感器稳定性的变化。
（4）线性范围
传感器在线性范围内工作时，其输出和输入成比例关系，这是保证测量精度的主要条件。
因此任何传感器都有一定的线性东圃。
线性范围越宽，则表明传感器的工作量程越大。
但是不可能要求任何传感器都绝对在线性范围内工作。
某些条件下，允许在一定的非线性误差范围内工作，也可以在其近似线性区域内应用。
（5）响应特性
响应特性表示传感器对被测量的微小变化的响应速度的快慢。
一般总希望响应速度越快越好，但实际传感器的响应总有一定的延迟，希望这延迟越短越好。
在选用传感器时，不可能要求这些指标能同时全面的满足高标准要求，而且这也是没有必要的。
因此在选用传感器时，首先应根据测试目的和实际使用条件，合理的做出选择。
可以根据不同的使用场合及要求，突出其中一个或两个主要指标，而对其他指标则可以降低至允许范围以内。
同时，选用传感器还应考虑到实际条件下的工作方式。
此外选用传感器时还应兼顾结构简单、体积小、重量轻、价廉、易于维修和更换等要求。
工程中应用的传感器种类繁多，往往一种被测量可应用多种类型的传感器来的检测。
因此，合理选择传感器也是系统设计中的一个重要部分。
在进行传感器的造型方面时，在保证传感器的精度和灵敏度的前提下，从以下几个方面进行了考虑：
（1）尽量选用市场上供货较多、比较成熟、性能稳定的传感器，保证所选择的传感器具有能用性和稳定的性能
（2）避免采用安装复杂或对发动机曲轴转动和测功装置有影响的传感器安装方式。
尽量采用非接触测量方式的传感器。
（3）选择性价比高的传感器
（4）尽量避免采用模拟式传感器，以保证所选择的传感器具有较高的抗干扰能力和较高的信噪比，在发动机测试现场较恶劣的环境中能够可靠地应用
2.2转速传感器
转速是一个重要的特性参数，发动机曲轴转速的测量，可以用来计算发动机的有效功率，可以由此判定或控制发动机工况的稳定程度，如通过耐久试验测定较长时间内的转速变化情况，用来计算转速波动率和不稳定度；有时还需要测定发动机瞬时转速变化情况，如起动、停车过程中瞬时调速率的测定，用来评定发动机个别部件的性能。
本系统采用磁电式转速传感器。
优点是抗干扰性能力强，能够很好地在台架试验环境中工作，而且测量范围广，便于实现对发动机转速的测量。
其原理是利用电磁感应原理将被测轴的转速转换为电脉冲信号，不需要外接电源。
它由带齿的旋转轮和变换器组成。
带齿的旋转轮是由磁性材料制成的（亦或其齿为磁性材料制成的），固定安装在被测轴上。
变换器由永磁铁和绕在它上面的感应线圈组成，变换器通常是安装在固定架上。
变换器与旋转轮的齿尖之间保持一个很小的间隙，通常这个间隙小于1mm。
旋转轮随被测轴一起转动，每当旋转轮上的齿转过变换器的瞬时，根据电磁感应原理，变换器的线圈便产生一个感应电动势，使变换器输出一个电脉冲信号，旋转轮上的齿数z通常为60个，因此当旋转轮每旋转一转时，变换器产生60个电脉冲信号，亦即电脉冲信号的频率。
式中：
为发动机被测轴转速。
当将测控装置的计数时间取为1秒时，测控装置所显示的电脉冲个数便可代表被测轴每分钟的转速。
传感器的输出信号是带干扰的非理想脉冲信号，直接输入数字电路会产生较大误差，因此信号转换电路的设计目的就是将转速传感器输出的非理想脉冲信号转换成适于后端数字电路处理的标准电压信号。
转换电路主要由：
低通滤波器、限幅电压比较器、光耦隔离和施密特反相器。
2.3进气压力传感器
发动机台架试验中的压力测量一般由压力传感器完成。
压力传感器将压力信号转换为电信号输出，供其他设备显示和处理。
压力传感器根据测量原理不同，分为电阻式、电容式、电感式、霍尔式等多种类型。
其中，压阻式压力传感器是指当半导体材料在某一方向上受到应力作用时，它的电阻率会发生显著的变化，这种现象被称为半导体压阻效应。
压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应，在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
压阻式传感器的灵敏度要比金属应变片的灵敏系数大5—100倍。
有时压阻式传感器的输出不需要放大就可以直接用于测量。
此外，它还具有如下特点：
分辨率高、尺寸小、横向效应小、滞后和蠕变小，响应频率高，适合于动态测量，但是压阻式传感器对温度变化比较敏感，所以压阻式传感器必须要有温度补偿，或是在恒温条件下使用
发动机台架试验中的进气压力频率变化快、要求精度高，故采用压阻式压力传感器。
对于传感器灵敏度温度漂移,一般采用改变电源电压的方法进行补偿.随着半导体技术的发展,目前已出现集成化压阻式压力传感器，它是将四个检测电阻组成的桥路、电压放大器和温度补偿电路集成在一起的单块集成化压力传感器。
图是它的电路框图和电路原理图。
集成压力传感器由于采用了温度补偿电路和差动放大器，它的灵敏度温度系数几乎为零。
2.4扭矩传感器
发动机的扭矩可以通过测功机直接测量。
测功机通过轴承将外壳定子支撑在支架上。
工作时，测功机与发动机相连，外力使测功机自由的旋转，在外壳上安装了力臂，并连接载荷单元，这样就能将作用在外壳上的扭矩测量出来，其扭矩的表达式如下：
其中：
为扭矩，单位是N·M；
为作用于载荷单元上的力，单位为N；
为力臂长度，单位是m。
本次发动机台架试验采用拉压力传感器来对集中力F进行测量，它主要由弹性元件和电阻应变片组成，比一般扭矩传感器便宜很多，可以减少成本，且安装方便，测量精度也可以满足要求，其结构如上图所示。
拉力传感器属于电阻应变式传感器，主要是测量由于受力变形而产生的电阻变化，一般情况下采用惠斯登电桥电路。
（如图所示）
2.5温度传感器
温度是发动机测试中需要测量的主要项目之一，它反映发动机的运行状态。
发动机台架试验中主要涉及到的温度有：
机油温度、冷却水温度、排气温度、燃油温度和实验环境温度。
对以上信息的准确测量对正确控制试验过程、剖析发动机性能有着至关重要的作用。
温度的测量主要由温度传感器完成，目前常见的温度传感器有热电阻式和热电偶式两种。
热电偶式传感器利用热电效应将温度直接转换成电流输出，是最常用的传感器，其测量范围广，有较高的稳定性和可靠性，常规的热电偶主要用于气体、液体和水蒸气；热电阻式传感器是利用一些材料的电阻对温度的敏感，通过测量材料的电阻变化来获得温度信息，热电阻传感器可以分为金属热电阻传感器和半导体热电阻传感器，半导体热电阻传感器又称热敏电阻传感器。
2.5.1机油与冷却水温度
机油温度一般保持在70℃~90℃范围内。
如果机油量不足或者热量不均衡，就会引起输入机油热量增加或者散热能力降低，这就会引起通常所说的机油过热现象。
所以应该设置机油温度上限。
按照发动机测试标准，机油最高工作范围为60~120℃，精度要求+2℃，可以选用一般的热电阻传感器即可满足试验要求，本系统选用PT100热电阻传感器，其精度高，测量范围大，满足发动机机油温度的测量要求。
冷却水温度能够很好地反应发动机气缸的温度。
发动机温度过高会使润滑油变得过稀，润滑效果降低。
进而影响发动机的性能。
因为冷却水温度相对较低，不超过100℃，同样选用PT100热电阻传感器。
其测温电路接法如下图：
2.5.2排气温度
发动机排气温度是反映气缸内燃油燃烧状况的重要参数，如果燃烧期之后或者延长，以至于排气门打开后气体继续燃烧，此时就表现为排气温度过高，影响充气。
排气温度最高可到1000℃，精度要求正负15℃，因此应选用适合高温测量的热电偶传感器。
另外热电偶不需要额外的激励，所以没有电阻式温度检测器所遇到的自热问题，这一点对尾气温度的测量尤为重要。
并且应慎重考虑所选传感器的测量范围，镍硅K型热电偶传感器最高可测量1300℃，能够满足发动机排气温度的测量要求。
其测温接口电路如下图：
2.5.2进气温度
进气传感器多采用负温度系数的热敏电阻。
ECU中的固定电阻R与传感器的热敏电阻串联组成一分压器。
接通点火开关，ECU首先通过固定电阻R给传感器输出一个5V（或12V）的参考电压，热敏电阻的阻值变化时，固定电阻R所分得的电压值（即传感器的信号电压）随之变化，见下图所示。
当温度变低时，热敏电阻的电阻值增大，电路中的电流减小，ECU检测到的信号电压增高，热敏电阻的阻值逐渐减小，电路中的电流增大，固定电阻上的电压逐渐增大，因此ECU检测到的信号电压逐渐降低，根据信号ECU将逐渐修正喷油量。
3测控系统的数字电路设计
汽车发动机工作时，通过传感器实时的获取发动机信息，经系统控制器处理、分析，判定发动机当前工况，按预设程序产生控制信号，驱动执行单元动作，从而达到发动机控制的目的。
测控系统由数据的采集与处理模块、控制模块和通讯单元组成。
3.1数据采集模块框图与电路设计
数据采集模块主要由多种传感器、整形/放大电路、采样保持电路、多路开关、模数转换器A/D、输入输出接口电路I/O和微处理器组成。
各种形式的非电量信号，都要经过传感器转变为电信号，这些信号可以分为脉冲信号、模拟信号和开关量信号。
对于模拟信号，需要经过放大电路到适当的幅度后，送到采样/保持电路，采样/保持电路根据系统的要求相应完成信号采集及采样值保持两种功能，多路开关从采样/保持电路输出的数据中根据要求选择一路送到模数转换器进行A/D转换，转换后的数字信号经输入接口送到微处理器处理，对于脉冲数字信号，要经过放大、整形电路处理后，送入计数器电路计数，再由多路开关选择经输入接口送到微处理器处理。
对于开关量信号也同样如此。
下图是数据采集模块的组成框图：
发动机台架实验的基本物理量有：
发动机转速，扭矩，水温，机油温度，排气温度，进气温度，进气压力等。
信号采集的量程是一致的，可由A/D芯片的模拟电压输入范围确定，各类传感器得到的为差分小信号，均需要放大。
集成放大器的放大倍数可由实际的情况计算得到，改变R16的阻值可以改变放大倍数，此外，信号放大前必须经过调零电路，使得测量前可以进行机械调零。
调零及放大电路如图所示。
模拟信号需要模数转换后，送入单片机，A/D转换器选比较常用的TLC0834芯片。
TLC0834是8位逐次逼近模数转换器，具有输入可配置的多通道多路器，通过串行输入输出。
其多路器可由软件配置为或差分输入，也可以配置为伪差分输入。
另外，其输入基准电压大小可以调整，其串行输入结构所以体积小，可节省单片机I/O资源，价格也比较适中。
发动机中的开关有节气门开关、起动机开关、空调器开关、空档开关等，发动机在工作时，需要不时的获取这些开关量的状态。
开关量只有两种状态，只要用一位数据就可以表示一个输入端口的输入。
发动机的开关量在输入控制器时，需要解决来年改革问题，一个就是电平匹配问题，还有一个就是需要电气隔离。
两者均采用光电隔离来解决。
电路设计中选中光电耦合器。
其接口电路如图：
开关量处理后，经过锁存器锁存，再传给单片机，单片机根据开关量的状态进行判断，控制发动机下一步的动作。
为了加强驱动能力，设计中用了两个反门芯片，对锁存信号进行正新。
由于数据是单向传输的，所以将取反后的RD信号与片选信号与非后，作为锁存器的输入，电路原理图如图：
3.2控制模块框图与电路设计
控制模块主要由微处理器单元、控制开关、输入输出接口电路、多路开关组成的控制模块和由放大驱动电路、执行元件组成的各种控制器组成。
发动机的各种控制执行器由放大驱动器和执行器组成，下图是控制模块的组成框图：
发动机控制模块有众多的控制，其中最重要的是对喷油、点火、怠速控制。
喷油器的针阀只有升起和落下两个状态，针阀升程是不可调的，喷油器针阀与阀座之间空隙截面积是固定不变的，燃油压力与进气歧管的压力差也由燃油压力调节器保持恒定，所以喷油量的多少只与开启时间长短油管，与其他因素无关。
控制模块通过提供电磁线圈的脉冲宽度，来确定喷油器开启时间，就能精确实现喷油器喷入进气歧管的燃油量。
喷油器与控制模块的电路连接原理如图：
各控制对象也不是相互独立的，踩下油门踏板，节气门开度增大，进气量也增加，则相应的喷油量应该增加，随着发动机转速的增加，喷油时刻也应该有所提前，即控制模块作出燃油喷射控制；而发动机转速的变化，节气门开度的变化，必然引起点火提前角的相应变化，控制模块提供点火控制，如果节气门开度较大，表明发动机负荷较大。
4人机接口方案
液晶显示模块是由控制器、行驱动器、列驱动器、显示存储器和液晶显示屏等器件通过PCB组装成一体的低成本输出设备，被广泛应用于各种仪器仪表等设备中。
其核心备件是液晶显示控制器，它是可编程接口芯片，一方面提供与微控制器的接口，一方面连接行、列驱动器。
目前市场上比较流行的液晶显示控制器之一是东芝（TOSHIBA）公司出品的T6963C，如液晶显示模块MS240128D的控制器就是T6963C。
4.1液晶显示模块MS240128D的组成
MS240128D是240*128点阵液晶显示模块，其基本组成如图所示，主要有一片液晶控制器T6963C，2片行驱动器T6A40，3片列驱动器T6A39，1片8KB的显示存储器6264和1块240*128点阵液晶显示屏。
4.2液晶显示模块MS240128D与单片机的接口
液晶显示模块MS240128D与单片机的接口就是液晶显示控制器面向微控制器的引脚，单片机与液晶显示模块的接口电路如图：
T6963C面向微控制器的引脚有8根数据线和4根控制线。
8根数据线DB0~DB7用于T6963C与微控制器之间传输数据、命令和状态，4根控制线都是输入信号，分别是片选信号/CE，输入低电平选中T6963C；读信号/RD，输入低电平表示本次访问是读操作，数据线上信号流向是从液晶显示模块到微控制器；写信号/WR，输入低电平表示本次访问是写操作，数据线上信号流向是从微控制器到液晶显示模块，寄存器选择信号C/D，输入低电平表示本次读写的是数据，输入高电平表示本次写的是命令，读的是T6963C的状态。
液晶显示模块最后的显示结果示意图如图所示：
5发动机台架的控制策略
发动机台架试验测控系统是以电祸流测功机为内环,发动机的输出扭矩或输出转速为外环组成控制回路。
在试验的控制过程中,由于待测发动机的型号不确定,以及控制量（转速和扭矩）变化速度快、范围大等原因,要建立受控对象的精确数学模型是非常困难的。
因此本系统采用数字PID控制器,它无需明确受控对象的精确模型,只通过调整比例、积分、微分环节的参数就能实现试验的控制要求。
另外,将控制算法由计算机软件实现,提高了系统的准确性和灵活性。
一般意义下的模拟PID算法是线性、连续的控制算法,其原理如图。
控制偏差分别经过比例、积分和微分环节作用后再相加构成执行器的输入,其表达形式为:
其中:
e（t）为给定值r（t）与输出c（t）之间的偏差；
、
以及
为比例、积分和微分环
节的常系数。
数字PID控制则是一种离散的算法。
该算法中,偏差信号e（t）为各个时刻的釆样值,控制器的输出u（t）由各个e（t）计算得到。
将上式离散化,用加和与增量来代替积分与微分,即可得到数字PID的模型,该模型在采样周期足够短的情况下与连续情况下的PID控制模型极其接近,从而可以实现控制要求。
其中:
T为采样周期；n为采样序号。
数字PID控制算法有两种形式:
位置式和增量式,他们的区别在于控制器输出模式的不同。
位置式控制器的输出与执行器的位置量相对应,其表达形式为:
而增量式控制器的输出与执行器的增量相对应,表达形式为:
其中:
、
以及
为比例、积分和微分环节的常系数,
=
=
。
本系统的设计采取增量式数字PID控制算法,该算法有以下优点:
（1）控制器的输出为增量的形式,消除了积分项,增量
只由最近3次采样时刻的偏差信号e（t）决定,在精度不足的情况下有利于避免大量计算误差的积累。
（2）增量型算法输出的是位置的变化情况,算式中不出现项,因此有适用于控制模式的切换。
（3）增量形式借助信号在执行机构中的寄存作用,计算机出现故障时,使执行机构仍能保持在原始位置,避免对系统造成恶劣影响.
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