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1、发劭机台架的研究与微花前言3一、发动机台架的设计及布置框图3二、传感器的选择及接口电路的设计4三、测控系统数字电路设计10四、通讯软件流程的设计11五、发动机台架的控制13六、总结16,a-刖三发动机台架性能试验是衡量发动机动力性（转速、转矩和功率）和经济性（燃油消耗）的必要手段。发动机台架测控系统是各种发动机研制与生产过程中一套必不可少的设备，它用于测试发动机的各种性能。发动机生产安装完成以后用它进行质量检查，在发动机的研制工作中用它对发动机的性能进行定量分析。发动机台架试验设备是进行性能试验必不可少的装备，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，能否提供发动机设计和改进的依据，
2、因此，它对提高发动机的性能和质量具有较重要的影响。正文一、发动机台架的设计及布置框图发动机试验台架遥常包括固定设备用的平台、测功机（负载）、相应的传感器和测试仪器等.要完成一台发动机的测试工作，通常把发动机稳定在一定的工况下面保持一定的扭矩和转速，测量并记录发动机的各个状态参数，再把各个参数汇总生成报表曲线。发动机台架测控网络主要由上位机、控制模块、数据采集模块、油门执行器模块、测功机模块和智能油耗仪模块等测控节点组成，其总体结构见图1。由于该系统采用了CAN总线的通讯协议和模块化设计技术，可将不同的传感器（温度、压力等）输出信号集中到智能模块并调理成标准的数字信号，通过CAN总线网络进行传输
3、。图一发动机台架测控系统总体结构图2发动机台架系统结构框图LPG一汽油双燃料发动机台架试验装置不意图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
4、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。二、传感器及其接口电路的设计传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试系统的工作质量。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检测。因此，合理地选用传感器也是系统设计中的一个重要部分。在进行传感器的选型方面，本设计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，以保证所选择的传感器具有通用性和稳定的性能。(2)避免采用
5、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。尽量采用性能价格比高的传感器，(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。1 .进气压力传感器电喷发动机中采用进气压力传感器来检测进气量的称为D型喷射系统(速度密度型)。进气压力传感器检测进气量不是像进气流量传感器那样直接检测，而是采用间接检测，同时它还受诸多因素的影响，因而在检测和维修中就有许多不同于进气流量传感器的地方，所产生的故障也有它的特殊性。进气压力传感器的全称是进气歧管绝对压力传感器MAP(Manifo
6、ldAbsolutelyPressureSensor),通过检测进气歧管内空气压力来反映发动机的负荷情况，并将发动机的负荷状况转变为电信号输入发动机的控制单元ECU。进气压力传感器检测的是节气门后方的进气歧管的绝对压力，它根据发动机转速和负荷的大小检测出歧管内绝对压力的变化，然后转换成信号电压送至电子控制器(ECU),ECU依据此信号电压的大小，控制基本喷油量的大小。进气压力传感器种类较多，有压敏电阻式、电容式等。由于压敏电阻式具有响应时间快、检测精度高、尺寸小且安装灵活等优点，因而被广泛用于D型喷射系统中。MAP是一种间接测量发动机进气量的传感器。该传感器由硅膜片和压敏电阻组成。硅膜片的一侧
7、是真空室，另一侧接进气歧管。在进气歧管压力发生变化时,硅膜片产生变形，由此引起硅膜片上压敏电阻的阻值变化，进而导致惠斯顿电桥输出电压的变化，再利用一放大电路将其电压信号进行放大，作为进气歧管绝对压力信号送到ECU。MAP传感器的结构如图3所示：电源信搭5V号铁集成电路Pl+5VT图3压敏电阻式进气压力传感器工作原理简图图4 MAP传感器接口电路2 .温度传感器(TS)发动机温度传感器包括水温、进气温度传感器和排气温度传感器以及机油温度传感器，是电控发动机中众多传感器中的一种，是现代发动机的感觉器官，其作用是感知冷却水和进气的温度并将感知的温度转换成电信号向电控单元(ECU)输出。ECU根据感知
8、温度的高低对喷油量作出进一步的修正，从而使发动机处于最佳的工作状态运行。一旦温度传感器损坏或工作不正常，则电控发动机将会工作失常，出现故障。例如，当电喷车出现怠速过高，过低，混合气稀或冒黑烟，冷车不好发动等故障时，应想到要检测一下水温传感器是否正常。因此，掌握发动机温度传感器的检测方法在汽车检测与故障诊断技术中显得十分重要。水温传感器(CTS)一般安装在缸体水道或节温器上；进气温度传感器(IATS)安装在空气流量计或进气管道内。水温和进气温度传感器的的控制电路见图1所示。水温和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
9、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。进气温度传感器(IATS) 排气温度传感器(EATS)和机油温度传感器(OTS)与CTS和IATS的工作原理类3,转速传感器(RPM)转速传感器通常是发动机的基本调节器，因此转速敏感元件是最常用的敏感元件。按工作原理区分，航空上常用的
10、转速敏感元件一般有机械离心式、液压离心式、电气式转速敏感元件。机械离心式转速敏感元件(简称离心配重)如图1所示，技术上比较成熟，工作可靠，是目前使用最广泛的敏感元件。1一支架2-配重块3-导杆4-调准弹簧5调准机构机械离心式转速敏感元件而车用转速传感器，按其检测技术可分为可变磁阻式、韦根德效应式、霍尔效应式、磁控电阻式、各向异性磁阻式、巨磁阻式转速传感器。（1）可变磁阻式传感器这种传感器也称为电磁感应式传感器（图!），会产生磁脉冲信号，该信号是由信号转子的旋转运动使磁通量!发生变化而在感应线圈中产生的感应电动势!。可变磁阻式传感器的优点是价格低、尺寸小、自发交流信号无需外电源、具有良好的温度稳
11、定性；缺点是信号转子在零转速时无信号输出，信号变化的幅度取决于信号转子的转速，需要另外的信号处理电路，可变磁阻式传感器内空气间隙要求小于2mm。（2）霍尔效应式传感器霍尔传感器产生的电压信号，是由信号转子的旋转运动使磁通量发生改变。信号转子通过霍尔元件和永久磁铁，磁通的变化与可变磁阻式传感器相似，但与可变磁阻式不同的是霍尔元件探测的是磁感应强度大小而非磁通变化率。霍尔元件是半导体材料制成的，需要偏置电流。该传感器输出电压信号与作用在霍尔元件上磁场的磁感应强度成正比。霍尔效应原理：如图”所示，当电流“通过放在磁场中的半导体基片（称霍尔元件），且电流方向与磁场方向垂直时，电荷在洛仑兹力作用下向一侧
12、偏移，在垂直于电流与磁通的霍尔元件的横向侧面上即产生一个与电流和磁场强度成正比的电压，称为霍尔电压。霍尔效应可变磁阻式和霍尔式曲轴位置传感器：（3）韦根德效应式传感器韦根德效应式传感器是一种无须使用 外加电源的新型传感器。韦根德效应工作原 理如图所示,传感器核心是双稳态功能合金 材料的韦根德线，在相同方向磁场作用下，当外壳磁化方 向变化时，由此韦根德线的磁场方向也瞬间 发生翻转,在韦根德线周围的检测线圈中会 感应出电脉冲信号,直到核心磁场强度瞬变 到最大。不断地改变核心韦根德线的磁场方 向,在其周围的感应圈中就会不断地感应出 脉冲信号。该传感器是只需要有2根连线的 无源耦合线圈韦根德效应原理小
13、的磁铁引起铁磁性材料韦根德效应导线的感应脉冲信号的变化韦根德效应传感器检测原理（4）磁控电阻式传感器磁控电阻式传感装置利用磁阻效应原理，如图所示，电流沿着薄膜长度方向流动，当施加一个外部磁场B时，薄膜的电阻变化与磁化强度矢量M和电流矢量I之间夹角的正弦平方成正比。即材料电阻随外加磁场的大小而成比例变化扭矩传感器的选择扭矩由水力测功机测得，有T=F-S可知，在固定力臂S的前提下，测量拉力F 即可得到转矩的大小。拉力F的测量主要通过拉力传感器来实现。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U0 =U1 (4)在具体的应用中，由于外部有读书的表盘，在测量转
14、矩的同时可以测量相对应的电压输出。利用电压和转矩的一一对应关系得出拟合曲线，这样就可以通过采集拉力传感器输出值来确定转矩。三、测控系统的数字电路设计在本测控系统中，各测控节点结构并不相同，但其中CAN通讯模块的结构完全相同，现以数据采集模块和控制模块这两节点为例，加以重点介绍。(1)数据采集模块CAN智能节点的设计图为数据采集模块结构。选用MOTOR()LA公司的高性能芯片MC68376,该芯片嵌了CAN控制器模块，CAN控制器与物理总线间的接口使用芯片82C250。MC68376内嵌CAN2.OB协议控制器模块(TOUCAN),该模块同时支持CAN协议中的标准和扩展ID两种报文式。ToUCA
15、N模块具有16个用于发送和接收功能的报文缓冲器，采用了3个8位寄存器来设置CAN协议要求的位定时参数，分别为控制寄存器I(CANCTRL1)、控制寄存器2(CANCTRI2)和预分频寄存器(PRES-DIV)。TouCAN模块具有报文过滤功能，用于对接收到的报文ID码与预先设定的接收缓冲区ID码进行比较，从而确定该接收到的报文是否有效。82C250提供向总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，可完全与ISOlI898标准兼容。其在运行环境中，具有抗瞬变、射频和电磁干扰性能，内部的限流电路具有电路短路时对传送输出级进行保护的功能。82C250通过引脚8可选择3种不同的工作方式：高速方式
16、，通过8脚与地直接相连而选择；待机方式，即发送器被关掉，通过将8脚接高电平而选择；斜率控制方式，通过将8脚与地之间相连斜率电阻进行选择,一般用于总线波特率要求较低时，斜率电阻阻值在15kl2200kl2之间。CAN总线控制器的发送端口TXO和接收端口RXO分别与MC68376内嵌CAN总线发送接收器的端口直接相连，CANH和CANI是CAN总线的两条差分接收、发送线。当有节点占用CAN总线时，该节点的发送端(电平为3.5V)接CAN-H,接收端(电平为1.5V)接CANI；当无节点占用CAN总线时，CAN-L和CANH上的电平均为2.5VoCAN控制器和接口之间用高速光耦6N137进行隔离，可
17、以进一步增强系统的抗干扰能力。(2)控制模块CAN智能节点的设计控制模块的原理框图见图3。控制模块主要由测量控制、油门控制、CAN通讯等单元组成。CAN的通讯协议由CAN通讯模块完成，该节点的CAN通讯模块主要由CAN通讯控制器PCF82C200、CAN总线驱动器PCA82C250及其与8OC196微处理系统的接口电路组成。其中PCF82C200具有完成高性能通讯协议所要求的全部必要特性，即可完成CAN协议的物理层和数据链路层的所有功能。应用层功能由微控制器提供，PCF82C200为其提供一个多用途的接口。PCA82C250是CAN控制器和物理总线间的接口，可以提供对总线的差动发送能力和对CA
18、N控制器的差动接收能力，它与ISO/DIS11898标准完全兼容。CAN通讯控制器PCF82C200和CAN总线驱动器PCA82c250之间采用光电耦合方式，以提高其抗干扰能力，光耦器件选用6N137。该网络通讯系统的主要功能有：上位机向控制模块节点发送进行参数设定的命令，如油耗的测量时间可通过CAN网络总线送给智能油耗仪进行保存；控制模块节点可通过CAN网络协议接收控制指令，从而控制测功机的运行;系统在检测到报警时，CAN总线网络送出相关状态信号，将报警信息自动发送给上位机。四、通讯软件流程（1）软件设计的基本原则一般来说软件设计有以下原则：1、结构合理设计人员有时很难在短时间内就对整个系统
19、理解无误，软件的设计和调试不可能一次完成，有些问题是在运行中逐步揭露出来的，这就要求编制的软件容易理解和修改。程序的结构设计要合理，这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。2、操作性能好操作性能好是指使用方便。在开发程序时，要考虑如何降低操作人员的专业知识的要求。3、准确性好准确性对测试系统有重要的意义。系统要进行大量的运算，算法的正确性与精确性问题对测试结果有直接的影响，因此在算法的选择方面要适合要求。一个合适的发动机测试系统应该如图11所示：“地烧定图11发动机测试系统结构示意图（2）通讯软件设计发动机台架测控系统是一个综合实时数据的采集、记录及分析的系统。由于发动机性
20、能涉及各方面的因素。因此数据种类比较复杂。目前一般的方法是采用RS23羽85串行通信方式，并且微处理器也提供串行接口，如图12所示：图12RS232串行通讯RS232串行通信流程有很大的缺点：1系统实时性差，这是该通信方式速率决定的。2、各种参数之间没有同相位的参考价值。在同一相位上分析各个参数的变化情况对电控系统的初期研究尤其重要。但是该模式下各仪器测试方式相对独立没有统一考虑，所以无法获得同步结果。3、传统的串行通信方式实质上是一种主从方式的数据交换系统。该方式通信过程管理复杂，尤其对ECU的控制过程干扰较重。4、系统软件配置不灵活，增加或减少一个外围设备对整个系统管理软件改变工作较大。而
21、在实际研究过程中变动设备是常有的事情，这给研究工作增加很多不必要的工作量。5、系统抗干扰性能差。由于存在上述诸多缺点，该方式通常用来针对某一对象，如ECU,分析或标定某一局部参数，但不能全面掌握发动机工作的情况。五、发动机台架的控制（1）模糊PID控制器的设计模糊控制器的设计必须通过多次修改模糊排理规则进行优化没计，并进行在线、离线的反复调试才能最后确定。经过蛇期人操作经验的总结.模糊推理规则遵循以下原则：L在偏差比较大时，为了尽快消除偏差.提高响应建度.同时为r避免系统响啦出现超调.取大值.茂取零；在偏差比较小时.为继续减小偏差.并防止超调过大、产生振荡稳定性变坏.值要减小，K取小值；在偏差
22、很小时.为消除静差.克驳超阔，使系统尽快稳定，K值继续减小，值不变或稍墩大2 .当偏差偏差变化率同呼时.被控链是朝偏离既定值方向变化.值取夫值；在偏差比较大时，偏差变化率与偏差异号时假驭小值，以加快控制的动态过程3 .偏差变化卓的夫小表明偏差变化的速率EC越大.K取值越小.取值越大.反之亦然同时，要结合偏差大小束考虑.4 .微分作用可改替系统的动态特性，阻偏差的变化，有助=减小超桐鞋6消除振荡.缩短悄节时ij,允曲加大K,使系统稳态误差减小.提高控制精睦.达到满意的控制敢案所以.在E比较大时，取零.实际为Pl控制；E比较小时.K取正值，实行PID控制(2)计算机控制系统中，由于运算速度和灵活性
23、非常强，经常使用的是数字PID控制器。数字化PID控制算法的数学模型如下：u(n)=Kp+K12Es+KD(Ea-J式中KIl为比例放大系数；5为积分系数；KD为微分系数；En.EilT分别为第n、nl时刻的误差采样值。KIJ能迅速反映误差，从而减少误差，但KP的增大会引起系统的不稳定；可以消除稳态误差，但积分作用太强会使系统超调加大和引起系统震荡；K口可以减少超调，克服震荡，加快系统的动态响应速度。在控制过程中，由于迟滞影响,积分项K=E,很容易达到最大即饱和，导致系统转速超调，为此可以采取一些措施，在PID靠那个值过程中可以利用程序对积分项进行限制，偏差EI在某一范围内才加进积分项，若超出
24、这一范围，则积分项输出为零，这样可使系统的转速的静差和超调都很小。数字PID控制算法通常又分为位置PID控制算法和增量式PID控制算法。(3)位置式PlD控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量,因此上面PID控制算法的数学模型中的积分和微分项不能直接使用，需要先进行离散化处理。按模拟PID控制算法的算式，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间3以和式代替积分，以增量代替微分，则可作如下近似变换：(t)dt*T(jT)=TJ(cJLde(t)e(kT)-e(k-l)Tle(W-e(k-l-；角二=Z：dtTT式中T为采样周期。显然，上述离散化过程中，采样周期T
25、必须足够短，才能保证有足够的精度。为书写方便，将e(kT)简化表示为e(k)等，即省去T。将公式代入，即可得到离散的PID表达式为：ku(k)=KpeOOK1JKde(k)-e(k-1)式中k为采样序号，k=0,1,2U(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为为第k次采样时刻输入的偏差值；e(kl)为第(k.l)采样时刻输入的偏差值；K1为积分系数，K1=Kd为微分系数，Kd=毕；由Z变换的性质Ze(k-l)=x-1E(z);由式的Z变换式为：nW=KrEW&串+KJBg-LE(I);由上式可得数字PID控制器的z传递函数为G(z)=K1-X-1)+Kj+K4(l-1);这种算法的缺点
26、是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化,会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式的PID控制的控制算法。所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量AIIek)。本测试系统采用位置式PlD的控制算法。对应油门实际位置的控制量，结合增量式PID的计算优点，利用算式u(k)=u(k-1)+Aug)通过执行软件来完成。（4）PlD参数的设置在采用计算机的数字控
27、制系统中，PID控制器是通过计算机的PlD控制算法实现的，计算机数字控制系统大多数是采样一一数据控制系统，进入计算机的连续一一时间信号必须经过采样和量化后，变成数字量，才能进入计算机的存储器和寄存器，计算机对数据的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。在数字控制系统中，采样周期T是一个比较重要的因素，采样周期的选取，应与PID参数的整定综合考虑。选取采样周期时一般应考虑一下几方面的因素：1、采样周期应远小于对象扰动信号的周期2、计算机所承担的工作量。3、对象所要求的调节品质；在计算机运算速度允许的情况下，采样周期短，调节品质好。4、性能价格比：从控制性能来考虑，希望从采样周期段
28、。但计算机运算速度，以及数据采集和转换的速度的提高导致计算机的费用增加。5、采样周期应比对象的时间常数小得多，否则采样信号无法反映顺便过程。由上述分析可知，采样周期受各种因素的影响，有些是相互矛盾的，必须根据具体情况和主要的要求做出折中的选择。在发动机转速控制系统中，采样周期即是转速的计算周期。发动机的转速信号经调理电路处理后计算。而发动机转速的测量依赖于一段时间内的脉冲数。通常情况下，发动机的测速齿轮是60齿，发动机转一转，对应的磁电式转速传感器发出60个脉冲。采样周期受到这一客观条件的限制不能太短，采样周期太短，采样周期内受到的脉冲数较少，转速误差大。但是采样周期也不能太长，在发动机的加速阶段，采样周期过长，转速计算将失准。根据所测得的临界速度比例和临界震荡周期，利用上述方法确定采样周期T,便可以初始确定数字PlD控制参数时。在实际运行中，发动机油门执行器有一定的延时滞后作用，为了增加稳定性和调速效果，可以采用发动机的转速采集和PID控制相互独立的方法，并且在保证系统测控精度的情况下，尽可能的使转速采集周期减少，PID控制周期增大，这样可以达到良好的控制效果。如果发动机的调速效果不理想的话，可以进入参数设置界面，调整PlD参数来改善控制效果。六、总结以单片机为处理单元的发动机测试台架，具有使用方便，操作简单，成本低等优点，有很大的开发和利用价值。
