電控滑油注油器試驗裝置測控系統的設計與實現

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(武漢理工大學 能源與動力學院,武漢 430063)

相比較以往機械注油系統而言，電控注油系統注油壓力高，具有比較精確的定時，并且能隨柴油機的負荷變化而變化，在節約能源，提高經濟效益，提高運用可靠性和減少排放等方面能收到明顯的效果。而要研究開發電控注油系統，最終形成產品，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速度。因此設計這樣一個開環控制的試驗臺架，通過電磁閥來控制自制注油器的噴射，對各個壓力信號和電磁閥控制信號以及一些其他相關信號進行實時采集保存、顯示，經過數據分析來達到對所開發的注油器的性能和系統的響應速度進行研究，進而對注油器進行改進，讓其各個噴嘴油量的大小及均勻性、壓力大小滿足實際船舶主機的需求。

整個試驗中要測的參數包括注油器各噴嘴的壓力、流量和系統的響應時間。

1 系統要求

本系統主要針對的對象是大型低速船舶柴油機，轉速在80～120 r/min，其注油峰值持續時間選擇在上止點來后某2道活塞之間，約10 ms，因此本系統的采集、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，其中系統中控制板對上止點的采樣頻率達到0.8 MHz，以保證精確、實時的控制。

2 系統的組成與結構

實驗室進行臺架搭建的目的是為了對所研發的注油器的特性及系統的響應特性進行研究，因此用電動機來模擬上止點信號，通過角標傳感器人為的標定一個上止點，在上止點來后某個特定時刻開始注油。電動機轉速的控制通過變頻器來調節。注油動作的開始與結束由電磁閥控制，注油器的動作執行予否由注油器上電感式接近開關來指示。各個信號數據的實時采集由研華PCI-1712采集卡來實現，整個采集、顯示監控通過工控機內的VC采集/顯示程序來完成。控制指令由工控機里的串口調試助手發給控制板，結構原理圖見圖1。

圖1 原理

3 系統的工作原理

檢測系統包括5個部分：信號調理部分、電磁閥驅動部分、隔離電路部分、控制板部分、采集/顯示部分。從臺架各個傳感器過來的信號經過調理后送往采集卡采集并顯示。同時上止點信號經隔離電路送給控制板，控制板接收工控機發過來的控制指令，當收到上止點信號后就按控制指令通過驅動電路對電磁閥進行控制進而對注油器進行控制。系統運行時每來一次或多次上止點信號后延時特定時間發出持續一定時間的脈沖控制信號。系統控制流程圖見圖2。

圖2 控制流程

4 測控電路及軟件設計

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。同時為了避免調理板、驅動板、ARM芯片的控制板之間相互干擾，其間采用電路隔離，三部分采用各自獨立的電源模塊以避免相互的干擾。其中驅動電路因有較大電流沖擊，是隔離的重點部分，隔離電路圖見圖3。

圖3 電磁閥驅動電

驅動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，以驅動電磁閥。在三極管前加一光電耦合器進行電路隔離，光電耦合器的信號傳遞采取電—光—電的形式，發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個部分自成系統不需共地，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，且其響應速度快，一般在μs甚至ns以內，能很好的完成隔離控制。光電耦合器由同向驅動器驅動。整個電路運行過程中三極管工作在飽和、截止兩種交替狀態，作為24 V的開關管。當控制脈沖信號過來時三極管處于飽和狀態相當于短路，24 V電壓直接加在電磁閥上驅動電磁閥工作。當無脈沖時三極管截止，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，調用其外部中斷功能、定時器功能以及串口通訊功能。上止點信號作為外部中斷輸入，控制板接受工控機上串口調試助手發過來的指令，然后定時器按照指令的要求，在上止點信號(外部中斷)來后延時發出控制信號。

圖4 采集、顯示程序流程圖

4.3 采集/顯示部分

整個采集存儲、顯示監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實時采集程序。PCI-1712采集卡安裝在工控機的PCI插槽內，它通過PCI-bus來傳遞數據，具有16路模擬量采集通道，對模擬量可以進行16路單端模式采集或8路差分模式采集，12位的A/D轉換，采樣頻率高達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采樣點和32 k的D/A采樣點。

編程時，用一個子函數對板卡進行初始化，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程序的編寫了，為了讓采集和顯示盡量實時，程序里開通了一個線程，專門負責信號實時監測、顯示和數據的采集、存儲。程序里為了保證所采到的數據不丟失和溢出，每當FIFO半滿時讀一次數據，在內存空間上開辟兩塊緩存，一塊用來放監測顯示的數據，一塊用來放采集存儲的數據。監測顯示的數據的點數不能過多或過少，過多會造成曲線顯示刷新不過來，過少會造成顯示的信號曲線不連續。存儲的數據也一樣，點數過少，不能滿足研究的要求，過多會造成數據的丟失。畫曲線進行實時顯示調用了一個已形成習慣用法的CurveCtrl類。對模擬通道進行讀操作調用了一個外部頭文件dlportio.h，里面包含了所需要的接口函數。

圖4為對所信號進行采集顯示、保存的程序流程圖，主程序開始后，即開一個線程，然后判斷state的狀態，若state=0, 進入監測狀態，開始實時監測，當Discomplete為true時，進行板卡初始化，然后對flag標志進行判斷，若為2，則FIFO中的數據已半滿，繼而把FIFO中的數據轉移到開辟的緩存中，一直到緩存中的數據個數大于設定要顯示的點數時，主程序即調用畫圖子函數進行曲線的實時顯示。完成后接著又進行下一輪的采集顯示。當在VC的基本對話框上點擊“保存”按鈕后，state=2,進入采集保存狀態，整個過程類同監測部分，不同的是，數據最后從開辟的緩存中保存到硬盤的數據庫表格中，且保存完后，狀態自動切換為監測狀態[2]。

5 關于系統的抗干擾

由于是用電動機代替柴油機，而電動機轉速的調整靠的是變頻器，所以整個電子系統來自變頻器的干擾很大，根本不能正常工作，在經過反復的摸索試驗后，得出幾點基本的解決措施：

1) 和PCI-1712采集卡相連的調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，必要時要人為的增大其接觸面積，這一點很重要(這里的地是指保護地)。

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，盡量不要有金屬部分裸露在外面。

另外，在對保存的數據進行處理時，還可以進行軟件加窗濾波，以便到更好的效果。以下是濾波前和濾波后的對比： 圖5是未采用以上幾點抗干擾措施時的信號波形，由圖可以看出信號受干擾后的波動范圍為1 V，且看不出來注油時應有的壓力峰值，根本不能用于實際計算、分析。圖6為采用以上幾點抗干擾措施后的信號波形，圖中信號波動范圍僅為0.04 V,相對誤差范圍為2.3%,且波形峰值明顯，基本滿足實際對信號的計算、分析和處理。圖7是在matlab軟件里把VC采集程序保存的數據加高斯窗和三角窗進行濾波后所得結果，可見經過軟件加窗濾波后，信號曲線更明朗，已經可以完全滿足分析、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 結論

以上控制系統經過基本的抗干擾措施后，已經用于實際注油器試驗研究平臺。圖8為實際平臺整個控制系統在上死點來后按規定的延時發出持續一定時間的脈沖控制信號控制電磁閥動作，注油器開始注油的壓力曲線時序圖。如圖8所示在電磁閥打開后共軌壓力略微下降起到蓄壓、穩壓的作用，同時各高壓和低壓噴嘴起壓開始噴油，且經分析圖中壓力的大小和時序關系和實際情況相符。

圖中整個壓力波形持續約30 ms，而真正的注油時間為波形的上半部分大約10 ms的時間。上死點信號的采集顯示出的跨度不是很明顯，是因為采集程序的采樣頻率只有5 k,因受系統所限，頻率過高時，實時圖形顯示刷新不過來，選擇5 k基本已滿足要求。

圖8 系統時序圖

[1] 余永權.單片機應用系統的功率接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1993.

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

[3] 張智星.MATLAB程序設計與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.