电控冷却系统(精选三篇)
电控冷却系统 篇1
发动机机械驱动式冷却系统的水泵和风扇由发动机轴带驱动,无法根据发动机的热负荷状态主动提供所需的冷却强度,是一种被动的、结构简单的冷却系统。随着电子控制技术在发动机上的应用,电控冷却系统成为发动机冷却系统的发展方向[1,2]。目前大部分汽车发动机冷却系统配备电控硅油离合器风扇,冷却液温度高,风扇转速也高,反之亦然;但当发动机在较大热负荷状态下停机时,由于此时冷却液温度仍较高,风扇在直流电机驱动下继续运转,而水泵已经停止运转,只能利用发动机冷却液的对流传热方式进行冷却,冷却效果并不理想。因此,设计合理的电控冷却系统型式和与之相配套的控制策略有助于提高冷却系统的性能。
1 电控冷却系统设计及建模
1.1 电控冷却系统型式设计
目前常见的电控冷却系统型式有电控水泵、电控风扇、电控节温器或这几个电控元件的组合[3,4,5]。从控制的角度而言,可以通过调节流入散热器的热量或调节散热器空气带走的热量2种途径来控制发动机冷却液温度。前者通过电控水泵或电控节温器均可实现,后者可通过电控风扇来实现。电控节温器大多采用电控阀门来代替,节流损失较大;如果取消节温器和小循环,发动机冷却系统只存在大循环通路,引入电控水泵后,通过调节电控水泵转速即可调节进入散热器的水量,节温器的作用几乎都可以通过电控水泵来完成。风扇是冷却系统最主要的能耗部件,在高速运行时约占发动机输出功率的10%;运用电子控制技术按冷却量来调节风扇转速有利于降低冷却系统的能耗。
本文提出取消节温器和小循环,水泵、风扇分别电控化的新型电控冷却系统型式。由于整车的中冷器与散热器存在风量耦合关系,除非将两者解耦单独控制,否则无法达到同时控制的目的,所以本文讨论的电控冷却系统不涉及中冷器控制,也不考虑中冷器的冷却效果。
1.2 电控冷却系统数学模型的建立
根据电控冷却系统的结构,采用集总参数法将发动机、散热器抽象为质点,不考虑发动机和散热器内部的热流传递细节[6]。用Te表示发动机质点温度,Tr表示散热器质点温度,建立冷却系统的数学模型如式(1)所示[7]。
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式中,Ce、Cr分别为发动机和散热器的热容;Qin为燃料燃烧传递给冷却液的热流量;Gp为冷却液的质量流量;cpc为冷却液的比热容;ε为散热器的效能;cpa为空气的比热容;Gf为空气的质量流量;T∞为散热器冷侧进口温度。
1.3 电控冷却系统试验装置设计
1.3.1 总体介绍
将冷却水泵、冷却风扇与发动机的传动连接脱开,风扇、水泵直接由电机驱动,电机的转速由2台变频器控制,拆除节温器,取消小循环,根据发动机冷却系统各测点温度,按相应的控制策略计算控制量,通过变频器控制电机转速从而使冷却系统可控。试验对象为某天然气发动机,主要技术参数如表1所示。
1.3.2 风扇、水泵电控化改造
发动机原内置水泵安装处无法直接改装成由电机驱动,只能将原水泵叶轮拆下,以减小水路阻力,壳体保留作为水管通道;选用与发动机原内置水泵性能参数相近的水泵;用软管从大循环水路中接入。风扇直接由电机驱动,电机选变频电机。
1.3.3 传感器及安装方式
温度测量采用WZP-025M型热电阻。发动机冷却液进、出口温度传感器分别安装在发动机与散热器之间的大循环管路上。由于中冷器和散热器均属于叉流换热器,冷侧流体(空气)经过中冷器和散热器后形成温度场。电控冷却系统建模时将散热器抽象为质点,因此需要确定散热器质点冷侧流体入口和出口温度。根据中冷器和散热器的结构,取中冷器后均分左右两侧中线处3个测温点的平均温度作为冷侧流体中冷器出口温度,即散热器冷侧入口温度;取散热器后均分上下两侧中线处3个测温点的平均温度作为冷侧流体散热器出口温度。
1.3.4 冷却系统配置
除冷却水泵和电机设备外,冷却系统元件为该车型原配,其中散热器的主要技术参数如表2所示。
2 非线性控制器设计及试验
2.1 非线性控制器设计及仿真
根据发动机的冷却过程,在发动机正常工作时,为保证发动机的正常散热,总有Te>Tr>T∞。按反馈线性化理论,控制规律按式(2)设计。
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式中,Ted为发动机节点控制目标;Trd为散热器节点控制目标;K1、K2为调节系数。
仿真时长设定为800 s,发动机传热量开始时设定为50 kW,分别在200、400、600 s跳变为80、60、75 kW,以模拟发动机变工况运行情况。设散热器冷侧空气进口温度为30℃,发动机和散热器的初始温度分别设定为75℃和65℃。Ted=80+2sin (0.01t),Trd=70+3cos (0.03t),K1、K2均取0.8,仿真步长设定为0.1。
非线性控制的仿真结果如图1所示。在开始的一小段时间里,由于发动机节点与散热器节点的初始温度比目标温度低得多,此时冷却系统的水量和风量均为零。对于发动机节点,靠发动机燃烧的热量加热使节点温度趋向目标值;对于散热器节点,当发动机温度逼近目标温度时,水泵开始工作,将热量带到散热器节点,加热散热器使其温度趋向目标温度。在温度上升的这段时间里,冷却系统停止冷却,此时系统的跟随性能完全取决于发动机传热量的大小。随后,控制系统体现出良好的跟随性能,为跟随系统随时间变化的控制目标,Gp和Gf也及时作出调整,正常控制跟踪后系统的输出偏差小于0.5。在传热量出现跳变的200、400、600 s时刻,控制器输出的冷却液质量流量与空气质量流量也出现跳变以满足控制目标。
2.2 试验结果
试验时将冷却液质量流量下限设定为1.2 kg/s。稳定发动机在1 000 r/min、60%负荷工况,试验时环境温度为15℃。控制过程目标温度和实际温度变化过程如图2所示。相应的控制器输出空气、冷却液质量流量曲线如图3所示。
设定目标温度Ted为90℃、Trd为75℃时,发动机冷却液进口和出口温度均能稳定在目标值附近,但有小幅振荡,与控制目标的偏差均小于3℃。由于Te与Tr温差较大,而传热量相对较低,冷却液质量流量基本处于流量下限,空气质量流量出现与发动机冷却液进出口温度相同形式的振荡。当控制目标变化到Ted为85℃、Trd为70℃时,控制器检测到当前温度比目标温度高,为达到冷却降温的作用,控制器输出的冷却液与空气质量流量迅速增大。随着Te、Tr逐渐趋向目标值,冷却液与空气质量流量慢慢稳定。从降温过程曲线来看,两节点的非线性控制策略对冷却液发动机出口温度的控制比较有效;对冷却液发动机进口温度的控制并不理想,降温响应时间太长,控制精度不高,稳态偏差较大。
3 模糊控制器设计及试验
3.1 基本模糊控制器设计
对于发动机而言,主要目标是按最佳冷却液温度MAP控制发动机冷却液出口温度,以提高发动机的综合性能[8]。模糊控制器的输入语言变量选择实际温度与给定温度的偏差E(E=Ted-Te)及其变化率EC,在固定冷却液流量(空气流量)时,输出语言变量选择为空气流量(冷却液流量)。
设定温度偏差E、温度偏差变化率EC和输出U的论域均为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。为语言变量选取7个语言值:PB、PM、PS、ZE、NS、NM、NB,均采用等距划分、三角波型隶属函数。根据估算和初步试验,确定控制规则如表3所示,采用重心法进行解模糊。
3.2 变论域模糊控制器设计
变论域模糊控制思想是在论域上模糊划分不变的前提下,论域随着偏差的变小而压缩,也随偏差的变大而膨胀,将专家经验知识的初始规则衍生为新的规则,相当于增加了规则数,从而提高控制精度[9]。可变论域通过伸缩因子来实现,二维控制器伸缩因子一般定义为
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式中,t1=t2=0.7,初始论域划分及模糊控制规则与基本模糊控制器相同。
3.3 试验结果
3.3.1 基本模糊控制试验
稳定发动机在1 100 r/min、60%负荷工况,设定冷却液质量流量为3 kg/s,通过模糊控制器调节空气流量使冷却液发动机出口温度趋向目标值。控制过程温度变化曲线及控制器输出空气和冷却液流量曲线如图4和图5所示。
当设定目标温度增大时,目标温度比实际温度高,控制器降低控制风扇转速的变频器输出频率,空气流量开始减小,使冷却液发动机出口温度Te逐渐升高到目标值Ted;反之亦然。空气流量的变化首先引起散热器换热量的变化,冷却液散热器出口温度Tr开始变化,因为变频器和电动机等执行机构的延时及系统热容的影响,Tr的变化要稍滞后于Ted,在冷却液的循环作用下,Te才开始发生变化;随后,由于Te趋向于Ted变化,偏差与偏差的变化率发生变化,模糊控制器调节空气流量,使Te逼近Ted;最后,Te在Ted附近稳定或形成小幅振荡,此时,Tr和空气流量也在某个值附近振荡或慢慢稳定下来。控制过渡过程结束后系统输出偏差小于2℃。
另外,固定空气流量、调节冷却液流量控制试验过程发现,不宜通过冷却液流量来进行较大的温度调节。从水泵的角度而言,冷却液的调节范围有限,而且容易受最低水套压力的限制;从散热器的角度而言,冷却液的流量主要改变热侧的表面对流换热系数,其调节能力有限。
3.3.2 变论域模糊控制试验
设定冷却液质量流量为2 kg/s,通过变论域模糊控制器调节空气流量使发动机冷却液出口温度趋向目标值。控制过程温度变化曲线及控制器输出空气和冷却液曲线分别如图6和图7所示。控制过程温度变化趋势与固定冷却液流量的基本模糊控制类似,都是首先Ted变化,然后Tr开始变化,最后到Te变化,之后慢慢趋向于目标值,整个控制过程几乎没有超调,过渡得非常平滑。从控制器输出空气和冷却液流量曲线可以看出,控制动作非常细腻。与基本模糊控制相比,变论域模糊控制效果更好,稳态偏差小于1.1。
模糊控制技术在试验中体现了较好的控制效果,能较好地控制冷却液发动机出口温度,满足控制目标。从模糊控制试验中可知,在一定的传热量条件下,冷却液发动机进出口温差在系统稳定时几乎保持不变,如果事先获得该工况精确的传热量,由此通过设定适合的冷却液质量流量,可间接地控制冷却液发动机进口温度。
根据试验结果,3种控制策略的控制性能综合比较如表4所示。由表4可见:变论域模糊控制综合性能最好。
4 结论
(1) 提出了取消节温器,水泵、风扇分别电控化的新型电控冷却系统型式,搭建电控冷却系统试验装置进行试验。试验结果表明该型电控冷却系统能够用于控制发动机冷却液温度。
(2) 由于冷却系统数学模型的非线性,运用反馈线性化方法设计非线性控制器,仿真结果体现非线性控制器具有良好的跟随性能。但由于受模型简 化处理的影响及控制策略要求精确的传热量和较小的系统执行机构延时,导致控制效果不够理想。但这种控制思想可为其他领域的应用提供参考。
(3) 模糊控制试验结果表明:基本模糊控制和变论域模糊控制策略均能有效地控制冷却液出口温度。综合比较非线性控制、基本模糊控制和变论域模糊控制的控制效果得知,变论域模糊控制最适合用于发动机冷却液温度控制。
参考文献
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03电控系统教案报告 篇2
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第三节 电控系统
发动机电控汽油喷射系统的电控系统一般由各种传感器、ECU和执行器三部分组成。电控系统的功用是接收来自表示发动机工作状态的各个传感器输送来的信号,根据ECU内预存的程序加以比较和修正,决定喷油量和点火提前角。各种传感器分别检测进气管中进气绝对压力、发动机转速、排气中的氧浓度、冷却液温度、进气温度和大气压力等,并将信息转换成电信号,输送给ECU,根据这些信号,ECU算出现工况最佳的点火正时,并启动各喷油器。ECU不仅控制燃油喷射正时、点火正时、怠速转速、EGR(废气再循环)、燃油压力和电动汽油泵,而且还具有故障自诊断功能。
图1-53 所示是与电控汽油喷射控制(EFI)有关的主要控制系统部件的构成。控制系统部件,按其机能不同可大致分为表1-5中所示的三类。
(一)水温传感器
水温传感器安装在发动机节温器出水口附近,它的功用是检测发动机冷却水温度。因为在发动机暖机过程中需要一定的附加加浓,其加浓量主要取决于发动机的温度、负荷和转速,为此采用水温传感器向ECU输送水温信号。
水温传感器的结构如图1-54a所示,它由封闭在金属盒内的对温度变化非常敏感的负温度系数热敏电阻(NTC电阻)构成,利用电阻值的变化来检测冷却水的温度。热敏电阻的特性如图1-54b所示,冷却水温度越低电阻值越大,冷却水温度越高电阻值越小。将该传感器的信号输入到ECU,就可以根据冷却水温度进行喷油量的控制。冷却水温度传感器与ECU的连接电路如图1-54c所示。汽车科 杨庆彪
(二)进气温度传感器
进气温度传感器是确定燃油基本喷油量的三个主要传感器之一,进行温度传感器是检测发动机吸入(进入空气流量计)的空气温度用的传感器,并将空气温度信号转变成ECU能识别的电信号传送给ECU,它根据进气温度的高低,做不同程度的额外喷油。
(三)曲轴位置传感器和发动机转速传感器
在EFI中,相对于发动机每一个工作循环吸入的空气量,都可以得到由ECU控制的符合最佳空燃比的燃油喷射量。空气流量计能够检测每个单位时间内的吸入空气量,但是不能检测每个工作循环内的吸入空气量。为了求出每个工作循环内的吸入空气量,就需要检测发动机转速。
当采用独立喷射和分组喷射时,为了有效地利用各自的喷射特点,需要选择特定的喷射时刻,因此还需要检测每缸的曲轴转角位置。
检测发动机转速及曲轴转角位置,需要采用发动机转速传感器和曲轴位置传感器。具有这种功能的传感器型式很多,目前均已实用化,其中使用最多的是电磁式传感器、光电式传感器和霍尔效应式传感器。
1、电磁式传感器
这种传感器可用于测定曲轴、凸轮轴和分电器驱动轴的转动位置,用来控制点火和燃油喷射时间或测量发动机转速。这种类型的传感器具有耐用、便于利用发动机飞轮齿圈、不需激励电压或放大器、能适应较大范围的温度变化、使用寿命长等特点,因此这种传感器应用比较广泛。
具体来讲,用来检测曲轴转角位置和发动机转速的电磁式传感器,是由如图1-58所示的复合转子和耦合线圈构成的。下面以四缸四行程发动机为例,就检测特定气缸曲轴转角基准位置(如压缩上止点)进行说明。
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2、光电式传感器
图1-60a所示是光电式传感器的工作原理图,位于光敏二极管的对面的是作为光源的发光二极管,在它们之间有一个能断续遮光的转盘。当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时,光线可以通过,光敏二极管即发出信号指示转轴的某一位置或转速。它输出的信号是方波脉冲,故它能适应数字式控制系统的需要。这里的发光二极管的发光频率一般在红外线和紫外线范围内,是肉眼看不见的。
图1-60b、c所示为六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构,由发光二极管和光敏二极管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置,安装在分电器内(或凸轮轴前部)。它决定分组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。在转盘上每隔60°设置了宽度不同的4种缝隙,利用发光二极管发出的光束,经过安装在分电器轴上转盘的刻度缝隙,照射在光敏二极管上,使波形电路产生电信号、并传给ECU。
3、霍尔效应传感器
如图4-61所示,磁场中有一个霍尔半导体片,恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下,I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移,使该片在CD方向上产生电位差,这就是所谓的霍尔电压。
霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低。霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起汽车科 杨庆彪
传感作用,需要用机械的方法来改变磁场强度。图1-61所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关,当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时,磁场偏离集成片,霍尔电压消失。这样,霍尔集成电路的输出电压的变化,就能表示出叶轮驱动轴的某一位置,利用这一工作原理,可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器,它要有外加电源才能工作,这一特点使它能检测转速低的运转情况。
4、其他传感器
上面所述的电磁式传感器,除能够检测发动机转速外,还能够检测曲轴转角位置。如果只是检测发动机转速时,可以采用把点火线圈的点火初级信号直接输入ECU的简易方式。
点火线圈初级电流切断时产生的反电动势,可达300V~400V(图1-62a)。把这一电压信号输入ECU,通过同基准电压相比较,形成点火信号脉冲,然后测量脉冲间隔,就可以测出发动机转速(图1-62b)。由于这种方法只能检测点火信号,难以选择特定的曲轴转角位置,所以在独立喷射和分组喷射中不适用。这种方法多用于所有气缸进行同时喷射的情况。
(五)节气门开度传感器
1、线性式节气门开度传感器
图1-67a所示为线性式节气门开度传感器的结构图,传感器有两个同节气门联动的可动电刷触点,一个触点可在位于基板上的电阻体上滑动,利用电阻值的变化,测行与节气门开度相对应的线性输出电压,根据输出的电压值,应可知道节气门的开度。但是,与节气门开度相对应的电阻体的电阻值,多少都存在偏差,因此影响了节气门开度检测的准确性。
开关式节气门开度传感器与上述线性节气门开度传感器相比,节气门开度的检测性差,但结构简单,价格便宜。汽车科 杨庆彪
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(六)爆震传感器
爆震是指燃烧室中,本应逐渐燃烧的部分混合气突然自燃的现象。爆震使发动机部件受高温、高压,会使燃烧室和冷却系过热,严重的可使活塞顶部熔化,爆震还会使发动机功率下降,燃油消耗率上升。
点火时间过早是产生爆震的一个主要原因,发动机发出最大扭矩的点火时刻MBT是在开始产生爆震点火时刻(爆震极限)的附近。因此,在设定点火时刻时,需要留有离开爆震界限的余量。无爆震控制时,所留余量应大些,这时的点火时刻比发出最大扭矩时的点火时刻滞后,所以扭矩有所降低。如果用爆震传感器能检测到爆震界限,那么就可以把点火时刻调到接近爆震极限的位置,以便能更有效地得到发动机的输出功率。
爆震传感器检测发则发动机爆震时,一般安装在发动机的缸体上。
1、磁致伸缩式爆震传感器
图1-73所示为磁致伸缩式爆震传感器的结构,该传感器由壳体、永久磁铁、可被永久磁铁励磁的强磁体铁心、缠绕在铁心周围的线圈等构成。
发动机爆震时产生的压力波,其频率范围约为1kHz~10kHz。压力波传给气缸,当发动机缸体振动时,在7kHz左右将发生共振,在强磁体铁心上发生的压缩变形,将使其磁通量发生变化。这样,永久磁铁通过铁心的磁场变化,使铁心周围的感应电动势发生变化。
2、压电式爆震传感器
利用压电晶体的压电效应制成的爆震传感器,把爆震传到缸体上的机汽车科 杨庆彪
械振动转变成电信号,这种爆震传感器有共振型和非共振型两种。共振型爆震传感器,是由与爆震几乎具有相同共振频率的振子和能够检测振动压力并将其转换成电信号的压电元件构成,非共振型爆震传感器是用压电元件直接检测爆震信息。除此之外,还有在火花塞的热圈部位装上压电元件,根据燃烧压力检测爆震信息。
当发动机缸体的振动传到爆震传感器壳体时,壳体与平衡块之间产生相对运动,从而使夹在中间的压电元件所承受的推压力变化。于是,随着压电元件承受推压作用力而产生电压。在控制组件上只检出频率达到7kHz左右时爆震所产生的电压,通过该电压值的大小可判定爆震强度。
爆震传感器由于结构不同、输出信号的频率有宽窄两种,如图1-76a所示。
共振型爆震传感器的输出波形,如果发生爆震,燃烧期间的输出振幅将增大,把这期间的输出波形进行滤波处理,根据其阻值大小判定爆震的有无。图1-77所示为把爆震传感器的输出信号进行滤波处理并判定爆震有无的程序框图实例。
图1-78所示是爆震控制处理时间图,因为爆震仅在燃烧期间发生,所以为了避免干扰引起的误检测,只在爆震判定期间进行判定处理。由微机程序完成的爆震控制,在检测到爆震时,立即把点火时刻变成滞后角,在无爆震时,则采用提前角反馈控制形式,这是点火时刻控制中的追加机能。图1-79所示是爆震传感器与ECU的连接图。
(七)氧传感器
1973年开始制定了汽车排放法规,到了1978年排放法规更为严格。为了与新的排放法规相适应,在汽车上采用了三元催化剂排气净化装置。为充分发挥三元催化剂的净化特性,需要把空燃比控制在理论空燃比(λ=1)附近的狭窄范围内,如图1-80所示。汽车科 杨庆彪
发动机废气中的氧含量直接反映发动机空燃比,因此检测发动机废气中的氧含量是控制混合气空燃比的有效手段。废气中的氧气超过一定限度说明混合气偏稀,而废气中完全没有氧气侧说明混合气偏浓,偏浓混合气将会造成排气污染。
氧传感器的作用是指示发动机中混合气的燃烧是否完全,测定废气中的氧含量,然后将检测的结果及时反馈给发动机的控制系统,以便使发动机控制系统不论发动机机械状态如何,都能有效地对燃料系统进行调控,把混合气的空燃比控制在理论空燃比附近很窄的范围内,使装有三元催化转换器的发动机达到最佳的排气净化效果。氧传感器装在排气歧管或前排气管内,如图1-81所示。
现在已经实用化了的氧传感器,有氧化锆(ZrO2)氧传感器和二氧化钛(TiO2)氧传感器两种。氧化锆氧传感器,是利用氧化锆高温时其内外两侧氧浓度差,使其产生电动势的特性来测量废气中氧的浓度。二氧化钛氧传感器是利用二氧化钛周围氧气分压的不同而进行氧化或还原反应,从而使电阻发生变化的原理来测量废气中氧的浓度。根据氧传感器是否需要加热,可将氧传感器分为加热式和不加热式,二氧化钛氧传感器为加热式,氧化锆氧传感器有加热型的也有不加热型的。加热式氧传感器上一般有3根引线(三线式),其中一根为信号线,另外两根为加热线;而不加热式氧传感器为单线式,即只有一根信号线。
1、氧化锆(ZrO2)氧传感器
图1-82所示为氧化锆氧传感器的结构,该传感器由可产生电动势的多孔二氧化锆陶瓷管、具有导线作用的套管以及为防止氧化锆管破损的防护罩与导入排气的通气窗等构成。在试管状氧化锆元素的内外两侧,设置了白金电极,为了保护白金电极,用陶瓷包覆电极外侧,内侧输入氧浓度高的大气,外侧输入氧浓度低的汽车排出气体。汽车科 杨庆彪
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(八)大气压力传感器
当使用叶片式和卡门涡旋式空气流量计时,随着大气压力的变化,吸入空气的密度发生变化,从而影响混合气的空燃比。为此需要检测大气压力,以便对燃油喷射进行修正。
检测大气压力需采用大气压力传感器,同第二节中所述的测定进气管压力的半导体式进气歧管压力传感器一样,测定大气压力大多采用根据压电效应制成的半导体式压力传感器。
(九)开关信号
1、起动信号(STA)
起动信号用来判断发动机是否处在起动状态。在起动时,进气管内混合气流速慢,温度低,因此燃油的雾化较差。为了改善起动性能,在起动发动机时必须使混合气加浓。当STA信号被ECU检测到后,确认发动机处于起动状态时,ECU便自动增加喷油量。从图1-92的起动电路中可以看出:起动信号和起动机的电源连在一起,都由空档起动开关来进行控制。
在装有自动变速器的汽车上,ECU根据空档起动开关信号判别变速是处于“P”或“N”(停车或空档),还是处于“L”、“2”、“D”或“R”状态(行驶状态)。NSW信号主要用于怠速系统的控制,其电路如图1-93所示。
当点火开关在ST位置时,NSW端与蓄电池相连接,当自动变速器处于“L”、“2”、“D”或“R”档位(行驶状态档位)时,空档起动开关断开,汽车科 杨庆彪
NSW端是高电压;当自动变速器处于“P”或“N”(停车或空档)时,空档起动开关闭合,此时由于起动机的载荷,造成压降,NSW端是低电压。
3、空调信号(A/C)
空调信号用来检测空调压缩机是否工作,空调信号与空调压缩机电磁离合器的电源在一起,ECU根据A/C信号控制发动机怠速时点火提前角、怠速转速和断油转速等。
4、电子负荷信号(E/L)
电子负荷信号用来检测电子负荷的大小,ECU根据此信号控制发动机工况。
5、动力转向信号(P/S)
P/S信号用于检测动力转向机的工作状态,ECU根据此信号控制进入发动机的混合气量。
(十)可变电阻器型传感器
在不装氧传感器的D型EFI系统中使用可变电阻器改变混合气的浓度(如图1-94所示),旋转怠速调整螺钉,使电阻器内触点移动,改变VAF端输出电压。顺时针旋转怠速调整螺钉,VAF电压升高,ECU使喷油量稍有增加,从而使混合气加浓。
在装有氧传感器的D型EFI系统中,ECU根据氧传感器的输入信号修正怠速混合气的空燃比,因而不需要可变电阻器。
(十一)主继电器
主继电器的作用是使包括ECU在内的电控汽油喷射(EFI)系统的各部件,不受电源干扰和电压脉冲的影响。
主继电器一般多采用滑阀型,图1-97所示是主继电器的结构图,图1-98a所示为不装步进电动机怠速控制阀(ISCV)的主继电器的电源电路。当点火开关接通时,电流流过主继电器内的线圈,滑阀(可动铁心)被吸汽车科 杨庆彪
引,触点闭合,电源通过主继电器为ECU的+B和B1端供电。电源总是与ECU的Batt端相连,以便在点火开关关闭后,ECU存储器中存储的故障诊断代码和数据仍能保存。
图1-98b所示是装有步进电同怠速控制阀(ISCV)的主继电器的电源电路,主继电器由ECU控制。当点火开关接通时,电源与ECU的IG、S/W端相通,主继电器控制电路通过ECU的M-REL端将主继电器接通,主继电器触点闭合,电源为ECU的+B和B1端供电。
主继电器根据车辆型号的不同,可分为“单触点式”和“双触点式”两种。采用双回路或点火开关的汽车,使用单触点式主继电器,具体接线如图1-99a所示。在采用单向回路式点火开关的汽车,使用双触点式主继电器,其具体接线如图1-99b所示,这些电路对检修电路极有参考价值。
(十二)电子综合控制装置(ECU)
电子综合控制装置,它根据各种传感器送来的信号,确定满足发动机运转状态所需的燃油喷射量,并根据该喷射量去控制喷油器的喷射时间。
首先,根据吸入发动机的空气量和发动机转速计算基本喷射时间,再依据各传感器传来的信号进行修正,最后决定总的喷射时间(燃油喷射量)。过去,ECU仅仅是控制燃油喷射(EFI),最近,由于引入了微型电子计算机,功能扩大,除了EFI控制之外,还具有点火时间控制、怠速控制等多种功能。
由于使用微机,引入了数字化控制,与过去的模拟控制相比,在短时间内能进行更多信息的处理,因此就可以实现多种功能的高精度集中控制。现在所用的大部分ECU,内部都装有微机,所以下面只对包含微机的ECU进行介绍。但在此只介绍对EFI的控制,关于EFI之外的控制,将在有关章节内详细介绍。
D 总结 汽车科 杨庆彪
星敏感器电控系统设计 篇3
关键词:星敏感器 电控系统 硬件设计
中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1674-098X(2016)06(b)-0066-02
星敏感器是一种高精度的姿态敏感器。它以恒星为参照系,通过探测天球上的恒星并进行解算,为航空航天飞行器提供准确的空间方位和基准[1]。相对于惯性陀螺、地球敏感器、太阳敏感器等其他姿态敏感器,星敏感器具有指向精度高、无姿态累积误差、完全自主导航能力、隐蔽性好等特点[2],已成为空间飞行器首选的姿态敏感器。星敏感器可用于多种平台,如海基平台、陆基平台、机载平台、弹载平台和天基平台等[3]。
1 星敏感器工作原理
星敏感器工作原理如图1所示。当星敏感器对星空成像时,视场内的所有恒星便会经由光学镜头成像在图像传感器的感光面上,同时完成星像由光到电荷的转换,由支持电路读出所转换的电荷图像,并将其放大为电压模拟信号,通过片上A/D转换之后输出数字信号,并且与图像传感器的像元一一对应地存储到星图存储器中,随后,数据处理系统会扫描星图的所有像元,从中识别出恒星,计算出观测到的恒星能量和在像面像元坐标系的位置。之后,提取星图中恒星的几何特征模式,同导航星库中的导航模式进行匹配,如果观测星模式与导航星模式匹配成功,就可以利用姿态解算方法来确定星敏感器的光轴在惯性空间中的指向[4]。
2 星敏感器系统总体方案
星敏感器系统主要由3部分组成:电控系统、光学系统和结构本体组成,如图2所示。光学系统由遮光罩、光学镜头及临时连接筒组成,遮光罩用于减小杂散光的干扰,光学镜头收集指定导航星发出的可见光,并将其成像在光学系统的焦平面上。电控系统将星空经光学系统所成的像进行光电转换并空间离散采样,转换成相应的数字星图,并提取各星点目标的精确质心位置。结构本体将光学系统和电控系统有机地结合在一起。
3 星敏感器电控系统设计方案
星敏感器电控系统的设计方案如图3所示。系统主要由有源像素传感器及智能控制器单元、数据处理单元和数据通信单元组成。有源像素传感器及智能控制器单元主要负责接收数据处理单元的控制指令,产生有源像素传感器图像传感器和A/D转换所需的驱动信号,将星空经光学系统所成的像进行光电转换并空间离散采样,并完成数字星图的读出和存储[5]。数据处理单元主要负责通过数据通信单元的1553B控制器接收来自载体控制器的指令,控制有源像素传感器及智能控制器单元的工作,处理所拍摄的星图,计算出星点的质心位置并回传至载体控制器,所拍摄的星图可通过数据通信单元的遥测控制器发送到载体遥测系统。数据通信单元主要负责与载体控制器和载体遥测系统通信,具体分别由1553B控制器和遥测控制器来实现。
3.1 有源像素传感器及智能控制器单元
有源像素传感器及智能控制器单元是星敏感器电控系统设计的基础和关键。它要负责接收数据处理单元的控制指令,产生图像传感器和A/D转换所需的驱动信号,将星空经光学系统所成的像光电转换后空间离散采样,并完成数字星图的读出和存储。
3.2 有源像素传感器
有源像素传感器是星敏感器电控系统的核心部件。其功能是在微处理器的控制下,将导航星在其感光面上所成的图像转化为电信号,供随后的数据处理单元使用。由于导航星的亮度差别较大,光谱特性不尽相同,因此,星敏感器要求图像传感器具有较宽的光谱响应范围、较高的灵敏度和较大的动态范围。论文选用美国赛普拉斯半导体公司为空间应用研发的图像传感器STAR1000,利用可编程逻辑阵列实现对其驱动控制,具有抗干扰能力和抗辐射能力强、可靠性高、特别适合应用于复杂的太空环境等特点。
3.3 智能控制器的设计
为实现驱动STAR1000,设计的智能控制器功能有:(1)上位机可查询和设置窗口大小、曝光时间;(2)可接收上位机的有效指令,产生STAR1000所需的驱动时序信号,实现图像的A/D转换;(3)图像A/D转换后,自动将数据存放到静态存储器中;(4)数据存储后,自动向上位机发出中断信号,并将该静态存储器的控制权交回上位机,并将另一个静态存储器的控制权交给该智能控制器,实现乒乓存储;(5)可查询该智能控制器的状态。智能控制器设计完成后,即可驱动控制图像传感器,将数据存储到2片静态存储器中,实现乒乓缓存,且能够实现与数据处理单元的接口。
3.4 数据处理单元
数据处理单元是星敏感器电控系统的核心处理单元。它主要负责通过数据通信单元的1553B控制器接收来自载体控制器的指令,控制有源像素传感器及智能控制器单元的工作,处理所拍摄的星图,计算各星点目标的质心位置并回传至载体控制器,所拍摄的星图通过数据通信单元的遥测控制器发送到载体遥测系统。
3.5 数据通信单元
数据通信单元是星敏感器电控系统的外部接口。它主要负责与载体控制器和载体遥测系统通信,具体分别由1553B控制器和遥测控制器来实现。与载体控制器的通信采用1553B总线,遥测数据采用RS232协议形式进行通信。
4 结语
相对于太阳敏感器、磁强计、地平仪和陀螺仪等其他常见的姿态测量设备,星敏感器姿态测量精度比较高,能够实现自主导航能力,抗干扰能力强。文章设计了一种基于FPGA的智能有源图像控制器和基于ARM的数据处理单元。该电控系统能够实现对目标图像的捕获,以及数字图像数据的输出和存储,与载体控制器和遥测部分通信可靠,并且具有小型化和轻量化特点。
参考文献
[1]刘垒,张路,郑辛,等.星敏感器技术研究现状及发展趋势[J].红外与激光工程,2007(36):529-533.
[2]谭汉清,刘垒.惯性/星光组合导航技术综述[J].飞航导弹,2008(5):44-51.
[3]何炬.国外天文导航技术发展综述[J].舰船科学技术,2005,27(5):91-96.
[4]刘朝山,刘光斌,王新国,等.弹载星敏感器原理及系统应用[M].北京:国防工业出版社,2010.
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