尹社會，曹輝，王記昌

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南南陽473000)

廢氣排放法規(guī)日益嚴格和柴油機電控技術(shù)不斷進步，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)已成為現(xiàn)代車用柴油機技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，研究高壓共軌柴油機電控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。高壓共軌系統(tǒng)能使柴油機在不同工況下的燃燒達到最佳狀態(tài)，有效改善了柴油車的排放性能，顯著提高柴油機的動力性能和經(jīng)濟性能，同時可降低柴油機的燃燒噪聲。高壓共軌系統(tǒng)適合于全電子柔性控制，采用壓力－時間式燃油計量方法，即燃油噴射量由噴射油壓和噴油脈寬共同決定，在實現(xiàn)高壓噴射同時可獨立控制噴油量、噴射壓力、噴油正時及噴油規(guī)律。系統(tǒng)能在柴油機的不同工況下實現(xiàn)高壓噴射，而不受柴油機轉(zhuǎn)速與負荷的控制。在高壓共軌系統(tǒng)中，共軌壓力是系統(tǒng)最重要的控制參數(shù)之一，是系統(tǒng)研究與開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅影響噴油量，而且對燃油霧化和燃燒也起著重要的作用。各國的汽車生產(chǎn)廠家認知到高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)是目前及今后柴油機供油系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢［1－3］。

1 共軌壓力控制原理與影響因素

能否對高壓共軌系統(tǒng)共軌壓力進行精確控制，使其能夠適應不同工況的需要且響應性和波動性都能達到理想的要求，顯得尤其重要。電控柴油機高壓共軌系統(tǒng)壓力控制的試驗研究是涵蓋柴油機電控技術(shù)、單片機技術(shù)、高壓共軌燃油噴射技術(shù)、PID 控制算法于一體的試驗研究。

應用電磁閥和數(shù)字流量計作為噴油量檢測設(shè)備，通過軟件設(shè)計對噴油量進行檢測，彌補了采用固定容積法存在的不足［4］。采用PID 控制算法，結(jié)合高壓共軌噴油系統(tǒng)的特點，在不同的工況下，設(shè)置不同的PID 參數(shù)，完成共軌壓力的閉環(huán)控制，使壓力波動控制在許可的范圍內(nèi)。設(shè)計高精度控制算法，在CPLD中完成了噴油量的檢測。采用閉環(huán)控制方法，通過對共軌壓力調(diào)節(jié)閥的控制，達到穩(wěn)定共軌壓力的目的。為有效控制噴油量，在CPLD 器件中完成了高精度的流量檢測，從而更有效地控制噴油器電磁閥。

智能控制是整個系統(tǒng)的控制核心，負責管理系統(tǒng)的自動控制，也是系統(tǒng)設(shè)計的核心，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

在單片機的基礎(chǔ)上，采用CPLD 集成外圍硬件邏輯，使控制系統(tǒng)的實現(xiàn)更為靈活，可以同時產(chǎn)生多路PWM 信號對電磁閥實施控制。在噴油量的檢測過程中，應用CPLD 芯片產(chǎn)生控制信號，完成高精度測量。根據(jù)功能要求，選用AT89C52 型單片機和CPLD器件XC95108。使用MCU+CPLD 控制器來實現(xiàn)各個功能，MCU 和CPLD 的接口電路如圖2 所示。

圖2 MCU 與CPLD 的接口電路

柴油機電控燃油噴射系統(tǒng)的核心是要準確地控制噴油量和噴油正時。針對高壓共軌電控燃油噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了壓力－時間式的燃油計量方法，在實現(xiàn)預定的噴油量的過程中，共軌管的噴射油壓和ECU 電控單元發(fā)出的噴油脈寬共同決定噴油量的多少。柴油機的整體性能很大程度上受燃油噴射壓力的控制，共軌壓力的高低和共軌壓力的穩(wěn)定程度成為評判高壓共軌系統(tǒng)好壞的重要指標。

高壓共軌噴油系統(tǒng)中的燃油壓力大小是通過控制高壓泵輸入到共軌管中油量的多少實現(xiàn)的。電控單元ECU 通過控制泵控制閥PCV 的開關(guān)實現(xiàn)對供油量的控制，最終進行共軌壓力的調(diào)節(jié)，使壓力穩(wěn)定在最佳的壓力數(shù)值下。

供油量的多少是通過控制泵控制閥PCV 的延遲角度Toff實現(xiàn)的，當高壓油泵的凸輪運轉(zhuǎn)到延遲角度Toff時，此時泵控制閥PCV 開始關(guān)閉，壓油行程開始工作，經(jīng)壓縮的低壓油轉(zhuǎn)化為高壓油進入共軌管中，在這一過程可以看出泵控制閥PCV 的延遲角度Toff最終決定供油量的大小。電控單元ECU 對泵控制閥PCV 的控制過程是通過獲取某一工況下的脈譜(MAP)計算出對應的延遲角度Toff實現(xiàn)的。當查出延遲角度Toff就決定了進入共軌管的油量，其進油量的多少就控制了高壓燃油的壓力，可以說對泵控制閥PCV 的控制實質(zhì)上就是對燃油噴射壓力的控制。

對共軌壓力的控制就是控制進入共軌管中的油量，從上節(jié)的高壓油泵的工作原理可以得到，調(diào)節(jié)泵控制閥PCV 的延遲角度Toff就可以有效地改變供油量，從而控制共軌壓力。所以說對泵控制閥PCV 的有效控制是調(diào)節(jié)共軌壓力的關(guān)鍵。針對柴油機的不同工況，對泵控制閥PCV 實施不同的控制方式。最終輸出量是一定頻率和一定占空比的PWM 波［5］。穩(wěn)態(tài)工況下共軌壓力控制策略見圖3。

圖3 穩(wěn)態(tài)工況下共軌壓力控制策略

在柴油機高壓共軌系統(tǒng)中，制約共軌壓力控制的主要因素有燃油溫度、燃油中氣泡的存在及壓力波動、壓力響應等，其中壓力波動問題是高壓共軌技術(shù)中的一個瓶頸。共軌壓力的響應速度與高壓油路的容積、柴油機高壓共軌系統(tǒng)的油路匹配情況及電控系統(tǒng)有密切的關(guān)系。

2 共軌壓力PID 控制器的實現(xiàn)

采用增量式PID 控制算法，其中增量是指對位置取其增量，采用這種控制算法后，由于只取其增量，這樣外部干擾所引起的誤差將相互抵消，控制精度明顯提高。針對增量式PID 控制算法，在具體實施的過程中，需對該控制算法進行離散化處理。

模擬PID 控制算法的數(shù)學模型為:

其中:kp為比例系數(shù)，kd為微分系數(shù)，T 為采樣周期，ki為積分系數(shù)。

在PID 控制器的設(shè)計中，控制效果的好壞取決于控制參數(shù)的選取是否合適。PID 控制參數(shù)的數(shù)據(jù)值，需要通過實驗進行系統(tǒng)標定，以確定最佳的控制參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速性、準確性的要求。

在柴油機高壓共軌系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)實時性及快速性是區(qū)別于普通控制系統(tǒng)的一個重要特征。通過分析臺架試驗所得到的數(shù)據(jù)可知:采樣周期的選取對共軌壓力的有效控制起著重要的影響。在共軌壓力數(shù)據(jù)采集的過程中，采樣周期應盡可能地小于最小振蕩周期。

圖4 衰減曲線

采用衰減曲線法，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，把調(diào)節(jié)器置于純比例作用，從大到小逐漸調(diào)節(jié)比例度，加擾動做調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗，直到系統(tǒng)出現(xiàn)近似4∶ 1 衰減過程為止。此時比例度稱4∶ 1 衰減比例度δs，兩波峰間的距離稱為4∶ 1 衰減周期Ts，如圖4 所示。然后根據(jù)表1 中的計算公式求出調(diào)節(jié)器參數(shù)δ、TI、TD值。

表1 衰減曲線法計算公式

在軌壓調(diào)節(jié)中，要達到穩(wěn)定軌壓的目的，就要設(shè)定合適的PID 參數(shù)?？梢酝ㄟ^程序設(shè)計，完成PID 參數(shù)整定。

流量檢測精度的高低和控制器的選取與控制算法有關(guān)，在MCU+CPLD 控制器中，MCU 和CPLD 都能完成流量檢測，但CPLD 的測量精度更高。在試驗中，采用了高精度定閘門測量法與量化延時法相結(jié)合的方法［6］來實現(xiàn)噴油量的測量。

(1)高精度定閘門測量法

通過對標準頻率信號進行分頻產(chǎn)生定閘門信號，實際閘門信號是通過定閘門信號與被測信號同步實現(xiàn)的，開啟和關(guān)閉標準頻率信號計數(shù)器是通過定閘門信號實現(xiàn)的，當定閘門信號的上升沿開啟計數(shù)器后，在下一次定閘門信號的上升沿到來時關(guān)閉標準頻率計數(shù)器，在此時間段中，獲取標準頻率計數(shù)值，并將計數(shù)值進行存儲。等到定閘門信號的上升沿再次到來時，在對標準頻率信號計數(shù)器清零的同時再次開始計數(shù)。要想關(guān)閉標準頻率信號的計數(shù)器T2要等到實際實際閘門信號的上升沿到來，同時存儲計數(shù)值n0i+1，如此就獲得了所要的數(shù)據(jù)。頻率測量波形圖見圖5。

圖5 頻率測量波形圖

這種測量方法的顯著優(yōu)點就是測量分辨率的高低與選取的被測信號頻率大小無關(guān)，通過控制實際閘門時間和選取標頻信號就能保證測量精度。實現(xiàn)對被測信號的連續(xù)、高速、高準確度頻率測量，是多周期同步測頻方法的發(fā)展。

(2)量化時延法

量化時延方法的設(shè)計思路就是利用了時間和頻率信號在線路中傳播非常穩(wěn)定、且在線路中信號傳播的速度非?？爝@一特性，正是該特性使其非常適合作為短時間間隔的測量。假如所要測量的時間間隔與器件組的時間延遲相一致，并可以對其進行量化的話，就能對這一較短的時間間隔進行精確測量。采用量化延時法可以提高總體測量的精度。量化時延法測量原理見圖6。

圖6 量化時延法測量原理

(3)兩種方法的結(jié)合

從兩種測量方法原理看，要將量化時延級聯(lián)鏈法與一種從多周期同步法發(fā)展而來的高精度、定閘門、連續(xù)測頻法相結(jié)合，在電路設(shè)計的過程中，運用電路單元應有大量的控制電路、地址譯碼器、高速計數(shù)器。采用大規(guī)模集成芯片CPLD，具有開發(fā)周期短、測量精度較高、方便調(diào)試等優(yōu)點。

3 控制信號仿真

利用EDA 開發(fā)工具Quartus II 對Verilog HDL 的設(shè)計進行編譯、適配、優(yōu)化和邏輯綜合，能夠自動地把Verilog HDL 描述轉(zhuǎn)變?yōu)殚T級控制電路，進而完成電路分析、自動布局布線、糾錯和驗證、仿真等各項工作［7－9］。將一種從多周期同步法發(fā)展而來的高精度、定閘門、連續(xù)測頻法與量化時延法相結(jié)合，完成信號的采集。為了驗證編程思想的正確性，先進行了模擬仿真。原理圖輸入如圖7 所示，仿真結(jié)果如圖8—9 所示。

仿真結(jié)果中，設(shè)置的標準信號周期為6.62 ns，理論分析表明，將兩條豎線的數(shù)據(jù)取出代入可得被測信號的周期值為:

圖7 原理圖輸入

圖8 控制信號仿真結(jié)果

圖9 整體仿真結(jié)果

4 結(jié)論

使用量化時延法與高精度定閘門法相結(jié)合的方法進行測量，在不提高閘門時間與頻率的情況下，通過控制器可以達到更高的測量精度，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

［1］徐家龍，藤澤英也．柴油機電控噴油技術(shù)［J］．現(xiàn)代車用動力，2001，27(1):4－5．

［2］張曉力，王尚勇，張幽彤，等．柴油機電控共軌噴油系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀［J］．內(nèi)燃機，2002，18(2):3－5．

［3］劉雄，張惠明，紀麗偉，等．電控柴油機高壓共軌系統(tǒng)的開發(fā)及性能匹配研究［J］．內(nèi)燃機工程，2005，26(5):1－5．

［4］秦朝舉．柴油機電控高壓共軌噴油系統(tǒng)試驗裝置研究［D］．洛陽:河南科技大學，2006．

［5］王洪榮，張幽彤，王軍，等．共軌柴油機軌壓控制研究［J］．北京理工大學學報，2008，28(9):778－781．

［6］王記昌，韓全立．基于MCU +CPLD 的高精度頻率測量方法的實現(xiàn)［J］．機床與液壓，2010，38(16):83－85．

［7］紀凡，王曉濤，周兆英，等．VHDL 在系統(tǒng)芯片設(shè)計中的應用［J］．儀器儀表與傳感器，2003，40(5):23－24．

［8］佩德羅尼．VHDL 數(shù)字電路設(shè)計教程［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2005:87－89．