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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,武漢 430063)

相比較以往機(jī)械注油系統(tǒng)而言，電控注油系統(tǒng)注油壓力高，具有比較精確的定時(shí)，并且能隨柴油機(jī)的負(fù)荷變化而變化，在節(jié)約能源，提高經(jīng)濟(jì)效益，提高運(yùn)用可靠性和減少排放等方面能收到明顯的效果。而要研究開發(fā)電控注油系統(tǒng)，最終形成產(chǎn)品，就必須了解注油器的工作原理和工作特性以及控制用電磁閥的響應(yīng)速度。因此設(shè)計(jì)這樣一個(gè)開環(huán)控制的試驗(yàn)臺架，通過電磁閥來控制自制注油器的噴射，對各個(gè)壓力信號和電磁閥控制信號以及一些其他相關(guān)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集保存、顯示，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析來達(dá)到對所開發(fā)的注油器的性能和系統(tǒng)的響應(yīng)速度進(jìn)行研究，進(jìn)而對注油器進(jìn)行改進(jìn)，讓其各個(gè)噴嘴油量的大小及均勻性、壓力大小滿足實(shí)際船舶主機(jī)的需求。

整個(gè)試驗(yàn)中要測的參數(shù)包括注油器各噴嘴的壓力、流量和系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

1 系統(tǒng)要求

本系統(tǒng)主要針對的對象是大型低速船舶柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速在80～120 r/min，其注油峰值持續(xù)時(shí)間選擇在上止點(diǎn)來后某2道活塞之間，約10 ms，因此本系統(tǒng)的采集、顯示的采樣頻率至少1 kHz以上，這里選擇的是5 kHz的采樣頻率，其中系統(tǒng)中控制板對上止點(diǎn)的采樣頻率達(dá)到0.8 MHz，以保證精確、實(shí)時(shí)的控制。

2 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺架搭建的目的是為了對所研發(fā)的注油器的特性及系統(tǒng)的響應(yīng)特性進(jìn)行研究，因此用電動(dòng)機(jī)來模擬上止點(diǎn)信號，通過角標(biāo)傳感器人為的標(biāo)定一個(gè)上止點(diǎn)，在上止點(diǎn)來后某個(gè)特定時(shí)刻開始注油。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制通過變頻器來調(diào)節(jié)。注油動(dòng)作的開始與結(jié)束由電磁閥控制，注油器的動(dòng)作執(zhí)行予否由注油器上電感式接近開關(guān)來指示。各個(gè)信號數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集由研華PCI-1712采集卡來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)采集、顯示監(jiān)控通過工控機(jī)內(nèi)的VC采集/顯示程序來完成?？刂浦噶钣晒た貦C(jī)里的串口調(diào)試助手發(fā)給控制板，結(jié)構(gòu)原理圖見圖1。

圖1 原理

3 系統(tǒng)的工作原理

檢測系統(tǒng)包括5個(gè)部分：信號調(diào)理部分、電磁閥驅(qū)動(dòng)部分、隔離電路部分、控制板部分、采集/顯示部分。從臺架各個(gè)傳感器過來的信號經(jīng)過調(diào)理后送往采集卡采集并顯示。同時(shí)上止點(diǎn)信號經(jīng)隔離電路送給控制板，控制板接收工控機(jī)發(fā)過來的控制指令，當(dāng)收到上止點(diǎn)信號后就按控制指令通過驅(qū)動(dòng)電路對電磁閥進(jìn)行控制進(jìn)而對注油器進(jìn)行控制。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每來一次或多次上止點(diǎn)信號后延時(shí)特定時(shí)間發(fā)出持續(xù)一定時(shí)間的脈沖控制信號。系統(tǒng)控制流程圖見圖2。

圖2 控制流程

4 測控電路及軟件設(shè)計(jì)

4.1 測控電路部分

采集信號中電流信號和電壓脈沖信號都屬低頻信號，對普通低頻信號一般采用無源濾波即滿足要求。同時(shí)為了避免調(diào)理板、驅(qū)動(dòng)板、ARM芯片的控制板之間相互干擾，其間采用電路隔離，三部分采用各自獨(dú)立的電源模塊以避免相互的干擾。其中驅(qū)動(dòng)電路因有較大電流沖擊，是隔離的重點(diǎn)部分，隔離電路圖見圖3。

圖3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電

驅(qū)動(dòng)電路主要是接受脈寬控制信號，通過三極管把24 V的電源加在電磁閥上，以驅(qū)動(dòng)電磁閥。在三極管前加一光電耦合器進(jìn)行電路隔離，光電耦合器的信號傳遞采取電—光—電的形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此具有很高的絕緣電阻，并能承受2 000 V以上的高壓，因而被耦合的2個(gè)部分自成系統(tǒng)不需共地，絕緣和隔離性都很好，能夠避免輸出端對輸入端的反饋和干擾，且其響應(yīng)速度快，一般在μs甚至ns以內(nèi)，能很好的完成隔離控制。光電耦合器由同向驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。整個(gè)電路運(yùn)行過程中三極管工作在飽和、截止兩種交替狀態(tài)，作為24 V的開關(guān)管。當(dāng)控制脈沖信號過來時(shí)三極管處于飽和狀態(tài)相當(dāng)于短路，24 V電壓直接加在電磁閥上驅(qū)動(dòng)電磁閥工作。當(dāng)無脈沖時(shí)三極管截止，電磁閥斷電回位。電磁閥線圈放電回路串連有一大功率電阻，以便在斷電時(shí)電磁閥線圈迅速放電，讓電磁閥快速回位[1]。

4.2 控制板部分

控制板采用ARM7系列芯片中的S3C44b0芯片，調(diào)用其外部中斷功能、定時(shí)器功能以及串口通訊功能。上止點(diǎn)信號作為外部中斷輸入，控制板接受工控機(jī)上串口調(diào)試助手發(fā)過來的指令，然后定時(shí)器按照指令的要求，在上止點(diǎn)信號(外部中斷)來后延時(shí)發(fā)出控制信號。

圖4 采集、顯示程序流程圖

4.3 采集/顯示部分

整個(gè)采集存儲、顯示監(jiān)測部分的核心是研華PCI-1712采集卡和在VC的MFC平臺上編寫的基本對話框?qū)崟r(shí)采集程序。PCI-1712采集卡安裝在工控機(jī)的PCI插槽內(nèi)，它通過PCI-bus來傳遞數(shù)據(jù)，具有16路模擬量采集通道，對模擬量可以進(jìn)行16路單端模式采集或8路差分模式采集，12位的A/D轉(zhuǎn)換，采樣頻率高達(dá)10 MHz。模擬量的輸入通道可以通過程序指令來指定。其FIFO buffer可以存儲1 k的A/D采樣點(diǎn)和32 k的D/A采樣點(diǎn)。

編程時(shí)，用一個(gè)子函數(shù)對板卡進(jìn)行初始化，包括選通道，選采集信號的幅值范圍，定采樣頻率，清FIFO等。然后就可以開始整個(gè)程序的編寫了，為了讓采集和顯示盡量實(shí)時(shí)，程序里開通了一個(gè)線程，專門負(fù)責(zé)信號實(shí)時(shí)監(jiān)測、顯示和數(shù)據(jù)的采集、存儲。程序里為了保證所采到的數(shù)據(jù)不丟失和溢出，每當(dāng)FIFO半滿時(shí)讀一次數(shù)據(jù)，在內(nèi)存空間上開辟兩塊緩存，一塊用來放監(jiān)測顯示的數(shù)據(jù)，一塊用來放采集存儲的數(shù)據(jù)。監(jiān)測顯示的數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)不能過多或過少，過多會(huì)造成曲線顯示刷新不過來，過少會(huì)造成顯示的信號曲線不連續(xù)。存儲的數(shù)據(jù)也一樣，點(diǎn)數(shù)過少，不能滿足研究的要求，過多會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失。畫曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示調(diào)用了一個(gè)已形成習(xí)慣用法的CurveCtrl類。對模擬通道進(jìn)行讀操作調(diào)用了一個(gè)外部頭文件dlportio.h，里面包含了所需要的接口函數(shù)。

圖4為對所信號進(jìn)行采集顯示、保存的程序流程圖，主程序開始后，即開一個(gè)線程，然后判斷state的狀態(tài)，若state=0, 進(jìn)入監(jiān)測狀態(tài)，開始實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)Discomplete為true時(shí)，進(jìn)行板卡初始化，然后對flag標(biāo)志進(jìn)行判斷，若為2，則FIFO中的數(shù)據(jù)已半滿，繼而把FIFO中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到開辟的緩存中，一直到緩存中的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)大于設(shè)定要顯示的點(diǎn)數(shù)時(shí)，主程序即調(diào)用畫圖子函數(shù)進(jìn)行曲線的實(shí)時(shí)顯示。完成后接著又進(jìn)行下一輪的采集顯示。當(dāng)在VC的基本對話框上點(diǎn)擊“保存”按鈕后，state=2,進(jìn)入采集保存狀態(tài)，整個(gè)過程類同監(jiān)測部分，不同的是，數(shù)據(jù)最后從開辟的緩存中保存到硬盤的數(shù)據(jù)庫表格中，且保存完后，狀態(tài)自動(dòng)切換為監(jiān)測狀態(tài)[2]。

5 關(guān)于系統(tǒng)的抗干擾

由于是用電動(dòng)機(jī)代替柴油機(jī)，而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整靠的是變頻器，所以整個(gè)電子系統(tǒng)來自變頻器的干擾很大，根本不能正常工作，在經(jīng)過反復(fù)的摸索試驗(yàn)后，得出幾點(diǎn)基本的解決措施：

1) 和PCI-1712采集卡相連的調(diào)理電路板的接口及接口線一定要是專用接頭和專用64針屏蔽線。

2) 各傳感器信號線的外層屏蔽線一定要可靠接地，最好是就近接在調(diào)理電路板上PCI-1712采集卡的專用接口上，且接地線一定要盡可能的短、粗，和接口的接觸面積一定要大，必要時(shí)要人為的增大其接觸面積，這一點(diǎn)很重要(這里的地是指保護(hù)地)。

3) 傳感器露出屏蔽線外的電源線也要盡可能短。

4) 各信號線往接線插座中壓線時(shí)，盡量不要有金屬部分裸露在外面。

另外，在對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，還可以進(jìn)行軟件加窗濾波，以便到更好的效果。以下是濾波前和濾波后的對比： 圖5是未采用以上幾點(diǎn)抗干擾措施時(shí)的信號波形，由圖可以看出信號受干擾后的波動(dòng)范圍為1 V，且看不出來注油時(shí)應(yīng)有的壓力峰值，根本不能用于實(shí)際計(jì)算、分析。圖6為采用以上幾點(diǎn)抗干擾措施后的信號波形，圖中信號波動(dòng)范圍僅為0.04 V,相對誤差范圍為2.3%,且波形峰值明顯，基本滿足實(shí)際對信號的計(jì)算、分析和處理。圖7是在matlab軟件里把VC采集程序保存的數(shù)據(jù)加高斯窗和三角窗進(jìn)行濾波后所得結(jié)果，可見經(jīng)過軟件加窗濾波后，信號曲線更明朗，已經(jīng)可以完全滿足分析、研究的需求[3]。

圖5 未采取抗干擾措施

圖6 采取抗干擾措施

圖7 matlab濾波

6 結(jié)論

以上控制系統(tǒng)經(jīng)過基本的抗干擾措施后，已經(jīng)用于實(shí)際注油器試驗(yàn)研究平臺。圖8為實(shí)際平臺整個(gè)控制系統(tǒng)在上死點(diǎn)來后按規(guī)定的延時(shí)發(fā)出持續(xù)一定時(shí)間的脈沖控制信號控制電磁閥動(dòng)作，注油器開始注油的壓力曲線時(shí)序圖。如圖8所示在電磁閥打開后共軌壓力略微下降起到蓄壓、穩(wěn)壓的作用，同時(shí)各高壓和低壓噴嘴起壓開始噴油，且經(jīng)分析圖中壓力的大小和時(shí)序關(guān)系和實(shí)際情況相符。

圖中整個(gè)壓力波形持續(xù)約30 ms，而真正的注油時(shí)間為波形的上半部分大約10 ms的時(shí)間。上死點(diǎn)信號的采集顯示出的跨度不是很明顯，是因?yàn)椴杉绦虻牟蓸宇l率只有5 k,因受系統(tǒng)所限，頻率過高時(shí)，實(shí)時(shí)圖形顯示刷新不過來，選擇5 k基本已滿足要求。

圖8 系統(tǒng)時(shí)序圖

[1] 余永權(quán).單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[2] 侯俊杰.深入淺出MFC[M].武漢： 華中科技大學(xué)出版社，2004.

[3] 張智星.MATLAB程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.