缸內直噴航空活塞發動機接口模擬器設計

邊文超，于 兵

(南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇南京 210016)

缸內直噴技術又稱燃料分層噴射技術，是指將噴油嘴設置在進、排氣門之間，高壓燃油直接注入燃燒室平順高效地燃燒。缸內直噴技術通過均勻燃燒和分層燃燒能夠擴大稀燃極限，降低缸內最高燃燒溫度，使部分負荷燃油經濟性提高約30%，兼有柴油機熱效率高和汽油機升功率大的特點，因此，缸內直噴發動機有較大的研究意義和應用價值[1-3]。

為掌握缸內直噴航空活塞發動機的噴射和控制策略，設計相應的電子控制器。但是直接利用該電子控制器對未知特性的發動機進行臺架試驗面臨的風險很大，而在電子控制器開發中，進行實物在回路仿真實驗是一個重要環節，可以避免臺架試驗存在的高能耗和高風險[4]。

在發動機實物在回路仿真試驗中，接口模擬器是一個中間環節，它連接電子控制器和PC機的上位機模型[5]，實現計算機模擬模型和電子控制器之間的信號轉換和匹配。本文基于DSP對某型缸內直噴航空活塞發動機實物在回路仿真試驗接口模擬器進行設計。

1 接口模擬器功能介紹

圖1 缸內直噴航空活塞發動機實物在回路仿真系統結構框圖

缸內直噴航空活塞發動機實物在回路仿真實驗系統是將電子控制器接入仿真回路構成仿真系統，創造缸內直噴發動機在真實工作環境下的仿真實驗環境。在仿真系統中，計算機模擬的發動機模型相當于實際使用的真實發動機。但是計算機模擬僅以數字量的形式輸出發動機信號和輸入控制信號，這些數字信號與實際發動機輸入、輸出的信號類型不同，造成電子控制器與發動機模型兩者之間的信號無法匹配。接口模擬器的作用是對兩者之間的信號進行匹配和轉換，缸內直噴航空活塞發動機實物在回路仿真系統結構框圖如圖1所示。

如圖2所示，接口模擬器通過串口通信模塊接收發動機模型運行時產生的轉速信號、上止點信號、判缸信號、節氣門位置信號等數字信號，并轉變為電子控制器能識別的實際發動機信號。同時接口模擬器測量電子控制器輸出的噴油、噴氣和點火的脈沖電磁閥(PWM)輸出的脈沖寬度，并轉變成數字控制信號，通過串口通信模塊發送到計算機模擬的發動機模型，從而控制發動機模型的運行。

圖2 實物在回路仿真實驗連接示意圖

2 接口模擬器硬件設計

對接口模擬器實行模塊化設計，將其分為核心處理器模塊、信號采集模塊、信號模擬模塊、串口通信模塊、供電模塊等。核心處理器模塊將發動機模型發出的信號和信號采集模塊采集的信號進行接收和轉換。信號采集模塊將電子控制器發出的信號(12 V)轉變成接口模擬器能夠接受的信號(3.3 V)。信號模擬模塊根據發動機模型發出的狀態信息對發動機轉速和節氣門位置信號進行模擬。串口通信模塊負責接口模擬器和PC機進行通信。電源模塊為其它模塊提供電源。

2.1 核心處理器模塊

采用32位浮點DSP芯片TMS320F28335[6]作為數字信號處理器，兼顧了DSP強大的處理內核和MCU豐富的片上資源。TMS320F28335采用高性能靜態CMOS技術，低功耗設計，核心電壓為1.8 V，I/O電壓為3.3 V，內置256 K FLASH和34 K SRAM，采用8級指令流水線，主頻高達150 MHz，最高速度1 s可執行1.5億條指令，保證了信號采集和處理的快速性和實時性。有4路CAP捕捉通道，由于發動機是四缸雙點火發動機，接口模擬器只檢測1個氣缸的控制信號，滿足1路噴油信號、1路噴氣信號和2路點火信號的PWM信號的占空比測量。多達18路的PWM輸出，其中6路為高精度PWM輸出(HRPWM)，滿足了對轉速信號的模擬。SPI總線與數/模轉換芯片共同完成對節氣門位置信號的模擬。SCI總線與電平轉換芯片共同完成與上位機的通信。

2.2 信號采集模塊

圖3 信號采集模塊電路圖

航空活塞發動機執行機構包括噴油閥、噴氣閥及點火線圈的驅動信號為脈寬調制信號(PWM信號)。這些信號由電子控制器產生，必須經過接口模擬器采集測量，再轉換成發動機模型接收的數字信號。驅動信號的電平為12 V，先經過光電耦合器降低到3.3 V，然后將信號輸入給TMS320F28335的CAP捕捉管腳。光電耦合器采用TLP521，驅動信號先經過限流電阻把電流降至10 mA后輸入TLP521，在輸出端集電極C管腳和3.3 V電源間接上拉電阻，信號從集電極引出，信號采集模塊電路如圖3所示。

2.3 信號模擬模塊

信號模擬模塊在試驗過程中將串口通信模塊接收的發動機轉速、上止點信號、判缸信號、節氣門位置等數值(這些數值由發動機模型通過計算得到)模擬成相應的脈沖信號和節氣門位置傳感器信號送給電子控制器ECU采集。

圖4 電壓調理電路圖

實際發動機的轉速、上止點信號和判缸信號具有對應頻率的方波，所以接口模擬器模擬轉速等信號的實質就是模擬對應轉速等信號的方波。TMS320F28335根據發動機模型輸出的轉速、上止點信號和判缸信號的數值大小，對PWM模塊進行初始化，使輸出的信號頻率等于發動機模型的輸出數值。輸出信號幅值經過74HC245[7]邏輯芯片轉換為5 V。74HC245是一款高速CMOS器件，由于CMOS電平的特點，需要在輸出端接下拉電阻。74HC245具有寬電壓工作范圍(3～5 V)，雙向三態輸出，因此可以將PWM模塊發出的3.3 V信號模擬成實際發動機輸出的5 V信號。

接口模擬器接收到節氣門位置信號后，根據某型節氣門位置傳感器旋轉角度與電壓的關系，運用具有外置SPI接口的D/A MAX532芯片[8]輸出相應電壓值。 TMS320F28335將發動機模型輸出的節氣門位置數據通過SPI總線傳給MAX532，使用REF102為MAX532芯片提供10 V穩壓電源。MAX532芯片的輸出電壓由DSP芯片SPI總線輸出寄存器的數值決定，輸出電壓為-10～0 V。經過圖4所示的電壓調理電路，將信號調整為0～5 V。調理電路采用LM358集成運算放大器，將信號反向和降低幅值。

式中VNum為TMS320F28335通過SPI總線傳給MAX532輸出寄存器的電壓；VMAX532為MAX532的輸出電壓；Vout為調理后的輸出電壓；Vin為輸入電壓。

2.4 串口通信模塊

串口通信模塊采用MAX323收發器芯片。MAX3232具有2路接收器和2路驅動器，能夠確保在120 kbps數據傳輸速率下維持RS-232輸出電平，滿足接口模擬器與PC機的通信速率和接口數量要求。

2.5 供電模塊

由于接口模擬器的構成較為復雜，供電模塊需要提供多種不同形式的電源。核心處理器模塊TMS320F28335的IO、數據采集模塊的TLP521以及串口通信模塊的MAX3232需要3.3 V電源，TMS320F28335的內核需要1.9 V電源，信號模擬模塊的74HC245需要5 V電源，MAX532、REF102以及LM358需要12 V電源。供電模塊結構框圖如圖5所示。

圖5 供電模塊結構框圖

供電模塊以車用鉛酸電瓶為能源輸入，在回路中串聯整流二極管1N5404，1N5404反向峰值電壓為400 V，可有效預防電路正負極接反。采用美國國家半導體公司的LM2576HV-ADJ[9]開關電源芯片作為降壓芯片，LM2576HV-ADJ是可調電壓輸出型號，輸入電壓為7～60 V，輸出電壓范圍在線性和負載條件下為1.23～57 V，本設計通過調節取樣電阻的阻值(選擇誤差為±1%的精密電阻)使輸出電壓(VCC)為5 V，作為74H245的電源。采用AS1117-3.3芯片將輸入的5 V電壓轉換為3.3 V作為TLP521和MAX3232的電源，AS1117-3.3芯片使用比較簡單，只需要接入電源、濾波電容就能輸出穩定的3.3 V，但此芯片電源效率不高，電流過大時芯片發熱。采用TPS767D301芯片為DSP核心處理器供電，該芯片是一款輸入輸出的低壓降穩壓器，提供兩路電壓輸出，將5 V輸入電壓轉化為3.3 V和1.9 V分別為核心處理器TMS320F28335的外部管腳和內核供電。需要12 V電源的器件直接由電瓶供給。

3 接口模擬器軟件設計

圖6 軟件流程圖

軟件實現對轉速、上止點、判缸和節氣門位置信號的模擬以及執行機構狀態的采集。軟件采用模塊化結構，基于前后臺監控程序方式進行設計。主要包括初始化模塊、位置信號模擬模塊、轉速等方波信號模擬模塊、PWM占空比測量模塊與發動機模型通信模塊。軟件流程如圖6所示。

SetWDT()函數是看門狗初始化程序，可以使接口模擬器的控制器在進入錯誤狀態后一定時間內復位，本程序中設定時間為20 ms。GetEngineData()函數能夠判斷并接收從發動機模型發送的數據。TP_D/A()函數實現節氣門信號的模擬。Square_D/A()函數實現轉速等脈沖信號的模擬。PWMcollect()函數實現執行機構控制信號的采集。SendEngineData()函數向發動機模型發送數據并判斷是否發送成功。WdtFeed()函數是喂狗程序。

4 試驗

電子控制器與接口模擬器接口采用接插件形式，載有發動機模型的計算機與接口模擬器的連接采用RS-232串口線，便于安裝和連接。圖7為電子控制器與接口模擬器實物圖及發動機模型界面。

將實物在回路仿真實驗平臺搭建好，給電子控制器和接口模擬器供電，啟動發動機模型，檢查接口模擬器和電子控制器的電路工作是否正常。檢查接口模擬器采集和模擬的信號是否正確。對電子控制器進行測試，改變發動機模型的節氣門位置，檢測電子控制器的控制信號是否能隨節氣門位置做出相應變化。

結果表明：接口模擬器能夠有效地接收發動機模型運行時產生的轉速信號、上止點信號、判缸信號、節氣門位置信號等數字信號，并將其轉變為電子控制器所識別的實際發動機信號。同時接口模擬器測量電子控制器輸出的噴油、噴氣和點火的PWM脈沖寬度，將其轉變成數字信號發送到發動機模型，從而對電子控制器的性能進行驗證。接口模擬器抗干擾性和穩定性比較好，完全滿足系統的分開設計需要。

圖7 電子控制器與接口模擬器實物圖及發動機模型界面

5 結語

針對某型缸內直噴航空活塞發動機設計了實物在回路仿真試驗接口模擬器，成功實現了發動機模型與電子控制器的信息交換。該接口模擬器具有開發周期短、費用少、體積小、穩定性高、實時性強的優點，為電子控制器控制邏輯測試和性能驗證程序的驗證以及先進控制算法的嘗試提供了便捷的平臺，大大縮短了發動機電子控制系統的開發時間和降低了臺架試驗的風險，同時為其它實物在回路仿真試驗的接口模擬器設計提供了很好的借鑒。

該接口模擬器的研究成果對于渦輪噴氣式發動機、渦輪軸發動機的電子控制器驗證具有一定的參考作用。

參考文獻：

[1]薛云，劉伍權，趙麒.缸內直噴技術在小型汽油機上的應用研究[J].車用發動機, 2010, 2(1): 41-43.

[2]白云龍，王志，帥石金，等.缸內直噴汽油機噴霧、混合氣形成和燃燒過程的三維數值模擬[J].燃燒科學與技術, 2010, 16(2): 97-103.

[3]馬喬林.汽油機缸內直噴技術的研究現狀及技術難點[J].北京汽車, 2008(6): 1-4.

[4]魏芳, 張天宏，李秋華.渦輪發動機控制系統信號接口模擬器開發[C]//南京航空航天大學第八屆研究生學術會議論文集.南京：南京航空航天大學，2006.

[5]秦琦峰.航空活塞發動機的建模仿真及控制器開發研究[D].南京：南京航空航天大學,2008.

[6]TI Company.TMS320F28335 Digital Signal Controllers Data Manual[K].Texas：TI Company, 2011.

[7]Philips Semiconductor Inc.74HC245/74HCT245 Octal Bus Transceiver[K].Amsterdam：Philips Semiconductor Inc, 2005.

[8]MAXIM Inc.Dual,Serial-Input,Voltage-Output,12-Bit MDAC, MAX532[K].Sunnyvale：MAXIM Inc, 1994.

[9]National Semiconductor Inc.LM2576/LM2576HV Series SIMPLE SWITCHER 3A Step-Down Voltage Regulator[K].Santa Clara：National Semiconductor Inc, 1999.