内容提示：提 要 柴油机采用适当的废气再循环（Exhaust Gas Re-circulation， EGR） 是降低氮氧化物（NOx） 排放的一种非常有效的方法。 但是过大的EGR率将会降低热效率， 使经济性、 动力性下降， 而且微粒排放物增加， EGR率过小则降低NOx的效果不明显。 所以， 随发动机工况的变化控制相应的EGR率， 显得尤为重要。 随着电子控制技术的发展， 电控EGR技术得到广泛的研究和应用， 已成为发展趋势。 基于这种背景， 在硕士论文研究期间进行了基于步进电机的柴油机EGR电控系统的开发与试验研究。 至今， 柴油机上采用的 EGR 控制方式主要有机械式、 气电式和电控式三种。机械式 ...

　　提 要 柴油机采用适当的废气再循环（Exhaust Gas Re-circulation， EGR） 是降低氮氧化物（NOx） 排放的一种非常有效的方法。 但是过大的EGR率将会降低热效率， 使经济性、 动力性下降， 而且微粒排放物增加， EGR率过小则降低NOx的效果不明显。 所以， 随发动机工况的变化控制相应的EGR率， 显得尤为重要。 随着电子控制技术的发展， 电控EGR技术得到广泛的研究和应用， 已成为发展趋势。 基于这种背景， 在硕士论文研究期间进行了基于步进电机的柴油机EGR电控系统的开发与试验研究。 至今， 柴油机上采用的 EGR 控制方式主要有机械式、 气电式和电控式三种。机械式 EGR 系统是通过排气压力和进气压力之差调节 EGR阀以控制 EGR率， 这种方式的 EGR 率可控制范围较小， 而且控制自由度受限制， 所以已基本淘汰； 气电式系统是通过控制真空管路的通/断或者真空度， 来控制 EGR 阀的开/关， 由此控制在循环的废气流量。 这种电路虽然比较简单， 但是管路只有开/关两种状态， EGR 率只取决于所开启的阀门数， 所以不能按要求控制 EGR 率。 为满足越来越严格的排放法规的要求， 需要针对发动机不同工况、条件（冷却水温等） 来控制 EGR 率， 所以开发出一套可控制 EGR 率的电子控制系统和方法是很有必要的。 所以， 针对GW2.8T柴油机， 为有效降低NOx排放量， 进行了 基于步进电机的EGR控制系统的硬、 软件设计， 包括控制系统与PC机之间的串行通信，并进行了相关试验标定和验证。所设计的EGR控制系统的输入信号由霍尔传感器采集的转速和油门位置信号组成， 由此判断发动机的工况， 以控制对应该工况的适合得EGR阀开度。 在所设计的控制系统中， 采用了优化控制MAP图并查询MAP的控制方法。 试验结果表明， 所开发设计的系统工作可靠、 有效； 并在不影响发动机的其它性能指标（烟度排放除外） 的前提下， 可显著降低NOx排放； 为了在大负荷工况下也能有效降低发动机的排放， 需要对EGR控制系统和喷射系统等需进行进一步改进和匹配研究。 目 录 章 绪论..........................................................................................................1 1.1 引言 ..........................................................................................................1 1.1.1 柴油机所面临的主要问题 ...............................................................1 1.1.2 国内外车用排放法规及对应措施 ...................................................2 1.2 EGR概述 ..................................................................................................5 1.2.1 定义及特点 .......................................................................................5 1.2.2 EGR降低柴油机NOx排放的机理....................................................6 1.2.3 EGR在国内外的应用 .......................................................................6 1.3 本论文的内容、 意义以及方案 ..............................................................7 1.3.1 研究意义 ...........................................................................................7 1.3.2 研究内容及方案 ...............................................................................7 第二章 系统硬件和软件设计................................................................................9 2.1 控制系统硬件设计 ..................................................................................9 2.1.1 控制单元的选择 ...............................................................................9 2.1.2 转速测量电路设计 .........................................................................10 2.1.3 油门位置测量电路设计 .................................................................10 2.1.4 步进电机控制 .................................................................................11 2.1.5 故障显示电路 .................................................................................14 2.1.6 其他扩展电路 .................................................................................14 2.2 系统软件设计 ........................................................................................15 2.2.1 系统的宏观管理 .............................................................................16 2.2.2 软件的前处理 .................................................................................16 2.2.3 软件主程序流程图 .........................................................................16 2.2.4起动工况子程序 ..............................................................................17 2.2.5 稳态工况控制子程序 .....................................................................18 2.2.6 过渡工况控制子程序 .....................................................................19 2.2.7 步进电机控制子程序 .....................................................................19 2.2.8 超速工况子程序 .............................................................................20 2.3 串行通信系统的开发 ............................................................................20 2.4 系统性能评价 ........................................................................................22 2.5 本章小结 ................................................................................................22 第三章 试验台架标定..........................................................................................24 3.1 GW2.8T发动机基本参数 ......................................................................24 3.2 主要测试设 ........................................................................................24 3.3 EGR实施可能性分析 ............................................................................25 3.4步进电机式EGR控制系统设计 .............................................................25 3.5 EGR阀标定 ............................................................................................27 3.6 EGR率的标定 .....................................................................................27 3.6.1 试验台架的布置 .............................................................................27 3.6.2 试验工况的确定 .............................................................................28 3.6.3 MAP制取及其分析.........................................................................29 3.7 本章小结 ................................................................................................33 第四章 试验结果及分析 ........................................................................................34 4.1 EGR率可实施的范围 ............................................................................34 4.2 EGR率控制对发动机性能的改善效果 ................................................35 4.2.1 对排放的影响 .................................................................................35 4.2.2 对其它性能及参数的影响 .............................................................41 4.2.3 根据轻型车排放测试循环的分析 .................................................42 4.3 气电式与电控式EGR控制系统的性能对比 ........................................43 4.4 试验结论 ................................................................................................46 4.5 本章小结 ................................................................................................46 第五章 全文总结以及展望..................................................................................47 5.1 全文总结 ................................................................................................47 5.2 结论 ........................................................................................................47 5.3 展望 ........................................................................................................48 参考文献 .................................................................................................................49 图表索引 .................................................................................................................53 致 谢...................................................................................................................55 摘 要.....................................................................................................................I ABSTRACT...........................................................................................................III ii 章 绪论 章 绪论 1.1 引言 随着世界汽车保有量的急剧增加， 人们赖以生存的自然环境受到了严重的污染[1]， 而且由CO2气体的排放所产生的温室效应问题， 还带来下列几种严重恶果：（1） 海平面上升；（2） 地球上的病虫害增加；（3） 气候反常， 海洋风暴增多； （4） 土地干旱， 沙漠面积增大。 所以， 节能与有效控制汽车排放将是21 世纪面临的重大课题 [2～3]。 柴油机由于其具有较高的热效率、 较低的油耗而受青睐， 柴油机已在船舶、 载重汽车、 工程机械等动力机械中得到了广泛的应用。 目前在汽车领域，美国、 日本和欧洲发达国家在大、 中型载重汽车上已全部柴油化。 特别是近年来广泛采用增压技术后使其升功率接近汽油机的水平， 大大改善了柴油机的动力性， 因而在轿车和轻型车上柴油机的应用比例也逐渐增多。 1.1.1 柴油机所面临的主要问题 面对将来不可避免的局部和全球的环保问题， 以及能源问题， 人们对柴油机的要求不断增强。 但是柴油机也面临着以下及各方面的主要问题[4～6]： （1） 碳烟和微粒的排放受到越来越严格的法规限制， 同时其它各种污染也要进一步降低； （2） 微粒与氮氧化物排放的折衷关系在柴油机上亟待圆满解决； （3） 在较少改动柴油机本身结构的情况下， 寻找清洁、 价廉、 丰富的代用燃料， 以解决能源问题和环境问题； （4） 不断降低燃烧噪声， 寻求高的比功率， 以解决柴油机在轿车上的广泛使用[7]。 解决以上问题主要依靠发展柴油机技术。 我国柴油机总体技术落后于国外， 许多国外已经普遍采用的现代技术， 在我国仍处于研究阶段， 有的甚至是空白。国产柴油车亟待提高技术， 根据国家的 《柴油车排放污染防治技术政策》，我国柴油汽车污染物排放控制目标是： 2004 年前后达到相当于欧洲第二阶段排放控制水平； 到 2008 年， 力争达到相当于欧洲第三阶段排放控制水平； 2010年之后争取与国际排放控制水平接轨。现在我们国家的排放标准已开始推行欧洲第二阶段排放标准， 而为达到相当于欧洲第二阶段排放控制水平的国家排放标准控制要求， 可采用新型燃油泵、 高压燃油喷射、 废气再循环（EGR）、 增压、 中冷等技术相结合的技术路线 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 1.1.2 国内外车用排放法规及对应措施 为更好的治理环境污染， 各个国家相继制定了 一系列的环境保护法规，其中包括车辆排放法规， 以达到依法治理空气污染的目的。 特别是近十年来由于环保意识加强， 对车用柴油机的低污染要求越来越突出， 美国、 日本和欧洲等国家相继颁布了愈来愈严格的排放法规。 图 1-1 表示欧洲柴油轿车排放标准： 图 1-1 表示欧洲柴油轿车排放标准 我国排放法规的制定要比欧美晚一些， 从 1981 年开始制定标准， 已经制定了一系列排放法规来限制汽车排气污染物对环境的污染， 这些法规将越来越严格[8]。 1999 年 3 月我国国家质量技术监督局公布了《压燃式发动机和装用压燃式发动机车辆排气污染物限值及测量方法》（GB 17961－1999）， 见表 1-1。标准等同采用欧洲ECE R49-02 法规的全部技术内容。 此标准适用于车速大于25km/h的各类柴油载货车、 中（大） 型乘用车（M2、 M3 类乘用车） 及总质量大于 3500kg的轻型乘用车（M1 类乘用车） 装用的压燃式柴油机。 采用13 工况稳态试验方法（ECE R49）。 对标准实施日期规定为 2000 年 1 月 1 日实施欧洲 1 法规限值， 2005 年 1 月 1 日实施欧 2 法规限值， 由于我国大部分车用柴油机产品相对比较落后， 应当说实施新排放法规的难度是很大的， 产品的更新和改造任务比较艰巨[9]。 2 章 绪论 表 1-1 我国法规规定的柴油机排放污染物限值(GB17691－1999) （g/kW h） 微粒 实施阶段 实施日期 试验类型CO HC NOx 85kW 85kW 2001.1.1 型式认证4.5 1.1 8.0 0.61 0.36 A 2001.1.1 产品一致性 4.9 1.23 9.0 0.68 0.40 2005.1.1 型式认证4.0 1.1 7.0 0.15 B 2006.1.1 产品一致性 4.0 1.1 7.0 0.15 从各国排放法规的实施可以看出： 必须采用新的措施和手段， 不断降低柴油机废气污染物， 尤其是NOx和微粒的排放水平， 以满足环境保护的需要。 由于柴油机排出的NOx和微粒颗粒的生成条件有相反的倾向， 例如为减少NOx排放要降低燃烧温度， 但燃烧温度的降低会使油耗增加， 功率输出降低，更会造成微粒排放量增加。 因此柴油机在微粒控制技术的开发上必须兼顾对NOx生成量的影响。 同样在研究减少NOx排放率的控制技术之同时也必须兼顾微粒排放量、 燃油消耗率及输出功率等问题， 如此发展的控制技术才有实用价值。 图 1-2 表示柴油轿车对应不同排放标准所采用的相应的控制技术。 图 1-2 柴油机排放控制技术 到目前为止， 车用柴油机的排放控制措施主要体现在以下几个方面： 3 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 1. 电控技术[10~14]。 电控技术是实现车用柴油机全工况范围性能化的重要手段， 目前已可实现电控喷油、 电控废气再循环、 电控管理等全电控系统。 2. 增压、 中冷技术[15~20]。 柴油机气缸内能燃烧的燃料量取决于气缸的充气量，为此车用柴油机上广泛采用了涡轮增压与中冷技术， 从而大大提高柴油机的动力性、 经济性。 3. 采用废气再循环（EGR）燃油经济性， 若能实现EGR冷却与电控， 则有利于改善综合性能。 4. 排气后处理技术[26~33] 柴油车排气净化后处理技术主要有过滤捕集法和催化转化法。 a. 氧化催化剂。 柴油机氧化催化剂能氧化尾气排放颗粒物中的大部分可溶性有机物、 气态的 HC 和 CO、 臭味和其它一些有毒有机物(如 PAH， 醛类等)。因为不捕集固态的颗粒物， 氧化催化剂不需要再生， 可以长期连续使用。 b. 还原催化转化器。 柴油机是富氧燃烧， 排气中氧的含量很高， HC和CO含量很低。 借助于非选择性催化降低装置（NSCR）， 将还原剂氨、 尿素或HC喷入排气管中， 在催化转换器的作用下， 与废气中的NOx进行还原反应。 选择性催化降低装置（SCR） 的原理与NSCR相似， 也是将NH3加入到高温废气中与NOx发生反应生成N2和H2O， 只是催化剂配方不同。 c. 微粒的过滤技术。 颗粒捕集器是高效净化柴油机排气颗粒物的一种过滤技术。 它利用耐高温的过滤材料制成特定结构的过滤体， 将排气中的微粒截留在过滤体内， 从而达到净化的目的。 由于柴油机的NOx和PM的控制技术相互矛盾， 所以不同的技术措施对柴油机的控制效果不同。不同排放控制技术对柴油机性能及排放特性影响的比较结果如表 1-2 所示。 表 1-2 不同排放控制措施对柴油机性能及排放性能的影响效果 [21~25]。 实现废气再循环可降低NOx， 但不利于喷 射 系 统 后 处 理 喷射压力化 喷射压力控制 先导喷射喷射时期控制 EGR还原催化剂（NOx）氧化催化剂（HC） 静电除尘PM， SM，HC 明显 明显 恶化 恶化 明显 明显NOx 恶化 一般 明显明显 明显明显 油耗 一般 一般 一般恶化 一般 噪声 恶化 一般 明显一般 起动机 － 一般 一般恶化 行驶性 一般 明显 恶化 根据我国的柴油机的现有情况以及在发动机改动较少、 成本不高的条件下， 普遍采用 EGR 和涡轮增压的方式来改善发动机的性能。 4 章 绪论 1.2 EGR 概述 从以上介绍可以看出， 要在中国推广柴油车， 就要发展柴油机节能与控制排放的技术， 而由于电控EGR技术在柴油机上的实现不是很困难， 对柴油机的改动小， 而且还是一种非常有效地降低NOx排放的措施， 国外采用EGR系统的柴油机也越来越多[34]， 尤其是在汽油机和轻型车用柴油机上的应用[35]， 所以电控EGR很值得我们去研究与发展。 1.2.1 定义及特点 EGR即废气再循环（Exhaust Gas Re-circulation）， 是将排气中的一部分废气引入进气管， 进入气缸重新参与燃烧的过程， 是一种降低发动机NOx排放的非常有效的方法。 它有两种实现方式， 一种是内部EGR， 它是利用可变气门定时（Variable Valve Timing， VVT） 保留发动机前一工作循环的部分废气实现的； 另一种是外部EGR， 它是利用一根EGR管道将废气引入进气管， 再进入发动机下一工作循环参与燃烧[36]。 本系统用的是外部EGR， 受条件限制再循环废气进入进气管之前没有经过冷却。 EGR的评价指标通常用EGR率， 即进行EGR的废气质量与总进气质量之比[37]。 可按下式计算： %100)(22)(2%100G×+×+cexexexrrinacinstcexexexrrrareppTRpgATRnpVppTRpgAGGX＝＝ 式中 Gr废气再循环气体质量流量 Ga新鲜空气质量流量 Vst发动机排量 n发动机转速， rmin-1 c 充气效率 流量系数 A节流孔截面积， m2下标代号 а大气压力 in进气管 ex排气管处 rEGR 回路 c废气引出处 EGR率的合理控制对NOx的净化效果极其重要， 而如何测量EGR率则是进行EGR控制的前提。 虽然上式可以确切的表征引入的废气再循环量， 但实际测定却非常困难， 因此在研究中难以用于定量分析。就目前的技术条件而言，很的测量EGR率是很困难的。 在本试验研究过程中， 根据实际测试设条件， 将（1-1） 式改写成： 5 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 %100G)(EGRa×=raaGGR率 其中： Gra－有EGR时， 吸入的空气量； Ga－无EGR时， 吸入的空气量 即根据实验条件， 先测出未进行EGR时吸入气缸的空气量Ga， 再测出相同工况下， 进行废气再循环时吸入气缸的空气量Gra， 二者的差值（即Gr＝Ga－Gra） 近似相当于进入气缸内的废气量。 这样不需要直接测量柴油机的废气参数， 就可以求出在相同状态下进入气缸的废气量， 简化了测量方法[38]。 1.2.2 EGR降低柴油机NOx排放的机理 影响NOx排放物生成的主要因素， 主要有以下三点[39~40]： 1. 氧的浓度： 在氧气不足的条件下， 即使温度很高 NO 的生成也受到抑止。 2. 温度： 随着高温的形成， NOx的平衡浓度也高， 而且生成速度也加快， 特别是在氧充足的条件下， 温度是相当重要的影响因素。 3. 高温滞留时间： 因为 NO 的生成反应比燃烧反应缓慢， 所以即使在高温下，如果停留时间短， NO 的生成量也不会多。 所以， 要控制 NOx 排放， 可从控制缸内燃烧温度和氧气浓度等方面入手。而采用 EGR 可以实现： 1. 废气中含有大量的N2和CO2等接近惰性的气体， 当这些废气部分回流到进气管后有稀释新鲜进气的作用， 使燃烧反映速率减缓， 还可以使O2的相对浓度下降； 2. 废气中含有的水蒸气和CO2为三原子分子气体， 比热容大， 可以有效的降低气缸内燃烧温度。 由于NOx的形成条件是高温富氧， 以上的两个方面分别降低发动机的缸内氧气浓度及峰值燃烧温度， 所以采用EGR后， 可有效地抑制NOx排放物的生成[41]。 1.2.3 EGR 在国内外的应用 EGR是目前发达国家先进内燃机中普遍采用的技术， 在汽油车和柴油车上的应用已非常成熟[42]， 且目前的应用基本上都结合了 电控技术， 使其控制更加， 所有工况都能实现EGR率。 各汽车生产家越来越多地用EGR来降低NOx排放， 如福特在其 1.8L TCI、 奔驰在其 2.5L OM605 以及大众汽车的 1.9L TDI轿车柴油机上都采用了EGR系统降低NOx的排放[43]。对重型车用柴油机而言， 目前倾向于使用中冷EGR技术， 因为其不仅能明显降低NOx， 还能保持其他污染物的低水平。 目前， EGR在国外的汽油车上已经作为成熟技术而广泛使用， 从 70 年代开始， 国外就将研究目标转向柴油机EGR技术， EGR在柴油机上的应用不尽人意， 其主要原因在于， 柴油机排放中大量6 章 绪论 的PM和其他有害排放物直接引入气缸会增加活塞环和缸套的磨损， 还会稀释润滑油并加速其变质[44]。 国内的一些高校和科研单位也已经对 EGR 进行了大量的研究， 但距产品化尚有一定距离。 1.3 本论文的内容、 意义以及方案 1.3.1 研究意义 控制 EGR 率， 就能够实现发动机在各种工况下， 其综合性能达到。混合式步进电机 采用直线式步进电机， 可根据试验要求比较灵活的控制 EGR 阀的开度，实现不同工况下 EGR 率的控制， 从而使 EGR 控制。 本文所采用的步进电机可以实现步长为 0.0127mm 的直线运动， 所采用的频率是 1000Hz。 在小负荷时， 步进电机的控制精度达到 0.2%； 大负荷时， 控制精度可达到 0.02%。 1.3.2 研究内容及方案 本论文的主要内容是针对 GW2.8TDI 轻型车用柴油机开发了一种直线步进电机式 EGR 控制系统， 具体来说主要有以下几方面的内容： 〔1〕 首先， 改进设计 EGR 阀， 并对其流量特性进行标定， 尽可能保证足够的 EGR 废气流量。 〔2〕 分析实施 EGR 的可能性。 针对 GW2.8TDI 型增压柴油机， 通过各转速下的涡前排压和进气压力随负荷的变化曲线对比， 分析各种工况下实施EGR 的可能性和可能的 EGR 率大小。 〔3〕 针对气电式 EGR 系统存在的缺点， 为了适应柴油机不同工况下控制 EGR 率的要求， 进一步改善该发动机的排放特性， 开发了基于直线式步进电机控制的 EGR 阀控制系统， 以实现 EGR 率的连续控制。 〔4〕 进行 EGR 电控系统软、 硬件设计； 〔5〕 编写所开发的 EGR 电控系统与 PC 机之间的串行通信程序； 〔6〕 进行发动机台架试验并验证系统工作的可靠性。 试验内容包括台架标定、 EGR-MAP 制取和 EGR 率控制效果的试验验证。 由于在发动机的整个工况范围内， EGR 率的分布规律复杂， 本系统采用查 MAP 的方法控制 EGR 阀开度， 从而达到改变 EGR 率的目的。 试验EGR-MAP， 是在发动机稳态工况下确定的 EGR 率与发动机工况、 步进电机的步数之间的对应关系。 该发动机主要配在轻型车上， 以降低整车排放为指导， 考虑到试验条件，稳态工况试验转速的选取是依据现行的欧洲轻型车排放测试循环中的等速工 7 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 况。 在 MAP 中， 任何一个工况点都可以找到一个对应的 EGR 阀开度信号，通过判断由传感器采集来的发动机工况(n， Pe)信号， 查询到对应的 EGR 阀开度， 然后可以通过步进电机对 EGR 阀进行相应控制。 8 第二章 系统硬件和软件设计 第二章 系统硬件和软件设计 系统根据两个输入信号（转速和油门开度信号） 以查表的方式控制步进电机的运行， 进而控制 EGR 阀的升程， 达到控制 EGR 率的目的。 为得到发动机整个稳态工况范围内的 EGR-MAP， 需要先在发动机上进行几个转速下的负荷特性试验， 比较每个工况点下不同 EGR 阀升程时的综合性能， 选择该工况点的 EGR 阀升程， 并将它对应到步进电机的步数存储到单片机 ROM 中。 考虑到经济性、 程序运行的响应速度， 本 EGR 电控系统设计为开环控制。该系统主要由传感部分、 控制部分、 执行部分等三部分组成。 传感部分由转速、油门传感器构成， 主要完成信号的采集， 为控制部分提供工况判据； 控制部分主要由 ECU 构成， ECU 根据工况信号通过查表计算步进电机的步数， 并根据相对位置和位置之间的差值给电机发出指令； 执行部分主要有驱动器和步进电机组成， 其主要作用是根据 ECU 指令使 EGR 阀置于设定的开度。 由于控制系统需要根据发动机的工况自动控制 EGR 阀， 所以进行了相应的硬件和软件开发。 2.1 控制系统硬件设计 考虑到功能要求， 控制系统的硬件需要完成转速、 负荷等信号的测量， 并具有串行通讯以及其他一些扩展功能。 在硬件设计中还考虑以下因素： 1. 硬件电路的设计结合软件设计一起考虑， 用软件实现硬件的功能时，混合式步进电机其响应时间比直接用硬件要长， 而且还占用 CPU 时间， 但由软件实现可以简化硬件结构， 提高硬件电路的可靠性。 为简化硬件结构， 本控制系统尽可能的用软件代替硬件来实现。 2. 可靠性及抗干扰设计时硬件设计不可缺少的一部分， 在硬件电路设计中， 从器件的选择、 去藕滤波、 印刷电路板不限以及通道隔离等各方面考虑这一问题，混合式步进电机 以提高系统的可靠性。 3. 在控制硬件电路设计时， 尽量采用典型的通用电路。 2.1.1 控制单元的选择 选择Intel的 80C196KC单片机为控制单元， 它是一种高性能的 16 位MCS-96 系列单片机， 具有 488 字节的RAM， 并且使用 12M的晶振。 如它的高速输入口可以测量转速， 高速输出口输出方波信号， 速度也能满足要求[47～ 9 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 49]。 2.1.2 转速测量电路设计 常用的转速传感器主要有磁电式、 光电式、 霍尔式等几种类型。 磁电式转速传感器是利用电磁感应原理把被测物体的转速非电量转换为感应电动势来进行测量的， 其产生的感应电动势大小受转速快慢等因素的影响较大， 输出信号需外加处理电路进行整形处理。光电式传感器是利用光电效应对物体的转速进行测量的， 它需要光源、 编码盘、 光电转换元件等辅助设， 应用成本较高，安装也不方便。 霍尔式传感器是利用霍尔效应进行转速测量的， 其输出是脉冲信号， 使用非常方便， 故本论文采用霍尔式传感器。 图 2-1 为采用霍尔传感器时的转速测量电路图。 设计中考虑到磁钢脉冲信号， 采用限幅电路 D10、 D11； R1 为限流电阻； L2 为转速信号指示灯。 图 2-1 转速测量电路图 2.1.3 油门位置测量电路设计 油门位置传感器实际上是一个电位计，混合式步进电机 具有较高的精度。 其安装方式为 3线V 之间变化， 有效旋转角度大于发动机实际要求角度， 但是需要安装在发动机上后进行标定。 怠速位置时， 传感器输出电压为 1.30V， 油门全开时， 输出电压为 4.85V。 图 2-2 为油门位置测量电路， 电容 C15 为滤波电路， LF353 起阻抗匹配的作用。 10 第二章 系统硬件和软件设计 图 2-2 油门位置测量电路 2.1.4 步进电机控制 2.1.4.1 步进电机工作原理[50]步进电机作为一种执行器， 是机电一体化的关键产品之一， 广泛应用于各种自动化控制系统中。 随着微电子和计算机技术的深入发展， 步进电机的需求量与日俱增。 本文采用的海顿 57H41 混合式直线性步进电机， 其结构原理如图 2-3 所示： 图 2-3 固定轴式直线步进电机示意图 在直线电机的转子中心安装一个螺母， 相应地一个螺杆与此螺母啮合， 并采用某种方法来防止螺杆与转子组件一同转动而使螺杆轴向移动， 上图中就是在电机内部采用固定螺纹轴组件实现螺杆转动的约束， 当转子旋转时， 螺杆就实现了线性运动。 在电机内部实现线性变换极大的简化了设计， 可以在不安装外部机械联动装置的情况下直接使用直线电机进行精密的线 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 ECU 发出的脉冲个数控制电机的位移量（每步步长×脉冲数）， 脉冲频率控制电机速度。 步进电机主要有以下特点： a） 能将数字的脉冲输入信号直接转换为输出轴的旋转运动， 不需要进行A/D 转换， 适合于单片机控制系统。 b） 步进电机实现高性能的闭环控制比较困难， 迄今多采用开环控制系统。 c） 在非超载情况下， 步进电机的转速和转动位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 不受负载变化的影响， 且步进误差是周期性的， 无累积误差。 d） 起动、 停止、 正反转控制灵活， 转动速度可以调节， 有较好的响应性。 e） 停转时有一定的保持转矩； 承载能力有限； 对驱动电路要求较高。 2.1.4.2 步进电机驱动器 本文采用的步进电机是混合式直线步进电机， 是由中国海顿直线电机（常州） 有限生产， 并配有 DCM8028 斩波驱动器。 该驱动器是采用美国 IMS先进技术合作生产的细分型高性能步进驱动器， 适合驱动中大型相电流为3.9A 的任何两相/四相混合式步进电机。 由于采用新型的双极性恒流斩波驱动技术， 使用同样的电机时， 可以比其他驱动方式输出更大的速度和功率， 并且输出转矩均匀、 共振现象得到消除； 其细分功能使步进电机运转精度提高， 振动减小， 杂讯降低。 另外， 驱动器还设置有保护级电路， 可以实现过电流保护、过热保护、 过压保护和欠压保护等。 步进电机控制系统接线 驱动器接线图 电机速度与推力曲线 所示。 电机的推力随着其脉冲频率的增大而逐渐减小 ， 考虑到步进电 机的 驱动力 以 及响 应， 选取脉冲频率为12 第二章 系统硬件和软件设计 1000step/s， 此时电机的推力为 T=240N。 直流电源供电电压 24V， 步进电机步长取 2 细分， 每步步长为 0.0127mm。 在本控制系统中， 采用 80C196KC 的高速输出口 HSO.0 和 P0.3 口分别作为电机脉冲和方向电平的控制信号。 图 2-5 电机速度与推力曲线 步进电机控制方法 （1） 步进电机的点-位控制 所谓点-位控制， 就是控制电动机拖动负载从一个锁定位置运行若干步到另一个位置进入锁定状态， 这里要求步进电机实际运行的步数要与目 标值相符， 减少失步。 采用点-位控制， 以便能更准确的控制 EGR 阀开度， 实现 EGR率的控制。 用单片机实现对步进电机的点-位控制时， 在系统内部设置两个坐标系，一个是相对起始位置的坐标系， 一个是增量坐标系。 所谓坐标系， 实际上就是整个系统设定的坐标系， 有一个起点， 有一个终点， 两点之间的电动机运行的总步数成为行程。 系统的坐标值， 即是电动机运行过程中所代表的位置坐标， 电动机运行中， 坐标值一直跟踪系统位置的变化。 所谓增量坐标值， 实际是记录在一个工步内系统位置的变化， 例如， 系统从一个位置按一定的速度运行到另一个位置， 两个位置坐标值的差称为增量坐标值。 如正方向运动时， 增量坐标值为正。 单片机内部所存的都是坐标系数值， 但步进电机运行时， 是按照两个位置坐标值的插值（即增量坐标） 来控制的， 这里还必须有方向电平信号。 （2） 步进电机的速度控制 由于步进电机是通过脉冲信号激励， 而且发动机对瞬态工况要求严格， 所以需要考虑电机的响应特性。 控制步进电机的运行速度， 实际上就是控制系统发出脉冲 CP 的频率。 采用恒流斩波驱动细分型驱动器， 其细分功能能使步进电机运转精度提高， 振动减小， 干扰降低； 而采用恒流斩波驱动技术， 可以减 13 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 少共振现象的发生， 在任何频率下， 电机都可以稳定的运行， 故采用恒速的控制方法， 选取脉冲频率为 1000 步/秒， 而此时的电机的推力 T=200N。 （3） 步进电机的程序控制 在步进电机的控制程序中， 对电机采用恒速控制方法； 对发动机的每一个工况进行 MAP 查询得到一个坐标值， 均与前一个工况点对应的坐标值进行比较， 如果二者之差的值小于 5 步时， 电机不工作， 以免电机来回运动， 造成电机过热。 2.1.5 故障显示电路 当转速和油门位置传感器信号经过单片机处理后， 如果超过允许范围就显示故障， 以供试验过程中监测控制系统和发动机的工作状态。 如图 2-6 所示： BI/RBORBILTABCD4537126abcdefgLS47abfcgdeVCC12345678abcdefgdpdp9VCC 图 2-6 故障显示电路 2.1.6 其他扩展电路 其他扩展电路包括水温测量、 串行通讯电路等。 水温测量电路可以作为以后判断发动机的状态如冷起动用； 串行通讯电路可以在上位机上监测发动机的工作状态， 实现远程监控。 图 2-7 水温处理电路 14 第二章 系统硬件和软件设计 C1-C2-C2+354781112V+2V-61314910C1+1GND15MAX232TXD3RXD2GND5PCGND68RXD17TXD1880C196KCC3 1.0uFC41.0uFC51.0uFC11.0uFC21.0uF 图 2-8 串行通信电路 控制系统硬件集成如图 2-9 所示： 图 2-9 控制系统硬件集成图 2.2 系统软件设计 系统程序分为制取发动机各工况点 EGR 率的控制程序和终控制系统程序。前者是在各个工况点分别设置 5 个开度值， 分别测取发动机性能指标；后者是靠 ECU 自己判断发动机的工况， 并根据预设的 EGR-MAP 计算出对应的 EGR 阀开度值， 然后进行控制。 控制软件采用 MCS-196 汇编语言编写， 根据功能和控制目的的不同采用模块化的设计方法。 控制程序主要包括系统初始化和工作循环部分， 初始化部分主要完成电控系统的初始化， 比如寄存器初始化和故障检测等； 工作循环部分主要负责各种信号的采集、 发动机工况的判别以及相应的处理等。 发动机的不同运行状态对应于发动机的不同工作特性， 相应的 EGR 率也具有不同的控制要求。 实际发动机的运行状态十分复杂， 本研究中将其简化为起动、 怠速、 超速、 过渡和稳态 5 个典型工况， 通过状态标志的设置作为不同 15 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 功能模块的依据。 为简化处理， 发动机处于起动、 怠速和超速状态时， EGR阀全关； 稳态工况下采用 ECU 自动根据发动机工况查询 MAP 的方式； 过渡工况判断采用一定时间内油门位置变化确定加、减速工况， 然后作相应的处理。 2.2.1 系统的宏观管理 为方便编程、 调试， 将软件系统模块化， 分为软件前处理部分、 工况判断及相应处理模块、 步进电机控制子程序、 故障诊断处理子程序等， 这些功能块都作为子程序的形式以方便主程序的调用。 另外编程时， 也需要考虑程序存储器、 数据存储器的容量。 2.2.2 软件的前处理 在软件的前处理程序中主要初始化单片机的 RAM 以及定时器等， 为主程序服务。 2.2.3 软件主程序流程图 软件包括上电复位到后根据发动机的工况， 实现目标。 主程序流程图如图 2-10 所示： 16 第二章 系统硬件和软件设计 系统初始化测量转速n根据转速信号和开度信号查询内部负荷-MAP，得到不同转速下负荷与油门开度的对应关系测量油门开度判断工况故障判断插值计算该工况的EGR开度 稳态工况？非稳态工况处理故障显示ECU根据相邻两次的开度值的不同作相应的处理步进电机驱动程序 YesNO YesNO超速子程序超速判断 YesNO 图 2-10 主程序流程图 2.2.4 起动工况子程序 发动机刚起动时由于转速和负荷， 考虑到发动机转速的稳定性， 将EGR 开度均设为 0。 程序流程图如 2-11 所示： 17 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 n700?说明是起动工况 Input_Pe0%静态油门电压？Yes说明是怠速工况NOYesEGR开度为0EGR开度为0 图 2-11 起动工况流程图 2.2.5 稳态工况控制子程序 稳态工况控制是 EGR 的主要控制模式之一， 它是通过查取 EGR-MAP 进行控制的。 为简化程序流程图， 将其余各功能子程序以方框图表示在相应的功能块中处理。 如图 2-12 所示： 插值计算该工况的EGR开度ECU根据相邻两次的开度值的不同作相应的处理步进电机驱动程序 进入稳态工况工况判断 图 2-12 稳态控制程序流程图 18 第二章 系统硬件和软件设计 2.2.6 过渡工况控制子程序 瞬态工况也是 EGR 控制的主要模式之一， 但由于瞬态工况控制策略及其控制 MAP 的研究较为复杂， 软件设计中暂时对其简化处理， 即当程序判别为瞬态工况时， ECU 控制 EGR 阀位置保持不变。 过渡工况程序流程图如图 2-13所示。混合式步进电机 n800?说明是稳态工况 20Yes说明是过渡工况NO =本次油门值-上次油门值Yes延时50ms保持EGR阀位置不变 图 2-13 过渡工况程序流程图 2.2.7 步进电机控制子程序 图 2-14 为步进电机控制程序流程图： 对发动机的每一个工况进行 MAP查询得到一个坐标值， 均与前一个工况点对应的坐标值进行比较， 如果二者之差的值小于 5 时， 电机不工作， 以免电机来回运动， 造成电机过热。 19 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 计算与上一次的开度值的差值△ △0？ECU保存本次工况对应的EGR阀开度 △0？ △5？令电机反转令电机正转 △5？保存好本次的开度值， 并作为下次比较的基准YesNONOYesNOYesYes △=0？NO 图 2-14 步进电机控制程序流程图 2.2.8 超速工况子程序 设定当转速超过某一设定值（0r/min） 时， 判断为超速工况， 并控制EGR 阀全关。 2.3 串行通信系统的开发 为了 能实时监控系统的工作情况， 本文开发了 基于 LabWindows/CVI 的RS-232 串口通信系统。 LabWindows/CVI 是 National Instruments 开发的面向计算机测控领域的虚拟一起软件开发平台。 它提供交互式 C 语言开发环境，将 C 语言平台与测控专业化工具有机的结合起来， 为建立检测系统、 自动测量系统、 过程监控系统和数据采集系统等提供了一个理想的软件开发环境。 图2-15 是串行通信程序流程图， 执行步骤如下： 〔1〕 让 PC 机发送取数“命令”给单片机；〔2〕 让单片机收到“命令” 之后立刻发送相应的数据给 PC 机以显示。 然后再循环不断地执行以上两步， 方法是用一个定时器让程序每隔 500ms产生一个执行上述步骤的命令。 控制界面如图 2-16 所示： 20 第二章 系统硬件和软件设计 单片机与PC机串口初始化PC机发送取数命令， 单片机接受单片机发送数据给PC机PC机对数据进行处理和显示此循环每0.5s执行一次 图 2-15 串行通信程序流程图 图 2-16 实时显示界面 21 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 2.4 系统性能评价 将 EGR 控制系统的各个部分组装成为一个整体， 并安装在发动机台架上，其主要的性能参数如表 2-1 所示。 表 2-1 执行机构主要性能参数 定位精度 0.0127mm 安装完的控制系统结构图如图 2-17 所示。 执行机构在发动机上的安装主要考虑振动和传热的影响， 本研究中的执行机构的总体尺寸、 质量较气电式执行器大， 其在固定支架上的安装相当于一个悬臂梁， 为减弱其振动，混合式步进电机 在支架的两端都采用跟发动机一起振动的支架来固定。 驱动力 200N 全开-全关时间 0.67s 工作温度 300℃ 步进电机EGR 阀 进气总管EGR 管 图 2-16 执行机构在发动机上的安装 2.5 本章小结 本章完成了系统的软硬件设计， 包括发动机转速、 油门位置传感器的选择以及电路设计、 电控单元及控制电路设计、 执行机构部分电路设计以及程序执行的硬件仿真等。 同时在设计中综合考虑了成本、 效率、 控制精度以及可靠性的因素。 主要结论有： 1. 电控系统的整体结构由信号采集、 电控单元（ECU） 和执行机构三部分组成。 发动机的转速采用霍尔式转速传感器测量， 油门位置采用可变电阻式22 第二章 系统硬件和软件设计 旋转油门传感器测量。 2. 以 Intel 80C196 系列模板为主体设计了电控系统控制电路。 该控制电路具有较多的 I/O 扩展功能、 较低的成本和良好的工作可靠性等优点。 3. 选取步进电机作为 EGR 电控系统执行机构中的执行器， 它具有灵活的正反转响应性、 高的位置精度、 速度受驱动脉冲频率调节、 有一定的自锁能力等特点。 4. 控制软件总体上分为初始化和工作循环两部分并采用模块化的结构设计，便于进行软件的调试和功能的补充和完善。 5. 开发了基于 LabWindows/CVI 的 RS-232 串行通信监控程序， 为控制结果的分析处理和故障检测提供了支持。 23 吉林大学硕士学位论文： 基于步进电机的柴油机 EGR 系统开发与试验研究 第三章 试验台架标定获得柴油机各个工况下的EGR率是完成EGR系统设计的关键步骤， 要获得EGR率， 首先要研究发动机各个工况下不同EGR率对发动机性能和排放的影响规律， 即找出各个工况点的NOx、 CO、 HC、 烟度等参数随EGR率的变化规律， 在此基础上， 可为EGR率选择提供依据。 对于发动机的每个工况， EGR率是由EGR阀的位置确定， 所以可由步进电机的步数来标定EGR阀的开度。 3.1 GW2.8T 发动机基本参数 原机主要技术参数如下表 3-1 所示： 表 3-1 GW2.8TDI 型增压柴油机主要技术参数 项目 单位 型式 缸数 缸 缸径 mm 冲程 mm 供油提前角 CA 压缩比 排量 L 标定功率/转速 kW/ r min-1转矩/转速 N m/r min-1燃油消耗率 g/kW h 技术参数 直列、 立式、 强制水冷、 增压、 四冲程 4 93 102 8 17.5:1 2.771 683/3600 2105/2100～2 ≦220 3.2 主要测试设 试验中所用到的测量设如表 3-2 所示。 表 3-2 试验用测量设表 设名称 电涡流测功机 设型号 Schenck W230 生产家 Schenck 废气分析仪 AVL Digas0 Light AVL Diesmoke 奥地利 AVL 烟度计 奥地利 AVL 24 第三章 试验台架标定 0 AVL 734 空气流量计 奥地利 AVL 油耗仪 FCMM-2 洛阳南峰机电 3.3 EGR 实施可能性分析 由于试验样机为增压发动机， 额定工况下的增压比为 1.8， 所以进气压力较高。 为了分析各工况下 EGR 实施的可能性， ...
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