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多缸柴油机主—从ECU分布式控制系统研究

作　者: 宋雪桦
导　师: 袁银男
学　校: 江苏大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 分布式发动机控制系统车载总线 CAN总线多缸柴油机
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

柴油发动机由于具有油耗低、功率大、扭矩大等特性,越来越广泛地应用于交通运输中。随着社会的进步,车用发动机这一传统的动力装置出现了许多新的挑战,表现为动力性、经济性、耐久性和排放等方面必须满足更高的要求,而现代科技的飞速发展,使电子控制技术成为改善发动机性能的重要手段。因此,研究开发出具有自主知识产权且符合国情的柴油机控制系统,对提高我国车用柴油机自主开发能力和市场竞争能力,保证车用动力产业持续、稳定和健康发展具有重要意义。作为车用柴油机的重要应用领域,内燃机车出于牵引功率较大,不受电力系统故障的影响,具有稳定发展的潜力。论文针对16缸柴油发动机电控系统研究了基于车载网络CAN总线的分布式结构、控制策略和系统的软硬件,进行了详细设计,并经发动机台架实验获得验证。为了进一步提高车载网络通信速度、提高网络容错和纠错能力,论文还研究了高速FlexRay通信网络,并设计各节点的硬件和软件,最终整合成高速分布式控制系统。论文在对车用电控系统发展现状、关键技术及未来趋势的基础上,展开了下述研究工作：(1)研究多缸柴油机分布式系统构架。通过分析现有乍载网络结构特点、柴油机对电控系统的需求,针对机车多缸柴油发动机提出了基于CAN总线的主-从电控单元(ECU)的系统构架,创造性的采用两个具有完全相同软、硬件结构的ECU,研制成主-从ECU的发动机分布式控制系统,通过设置ECU所在物理位置相应I/O口线电平高低,自动识别ECU的主-从身份。(2)分布式控制系统软件和硬件设计。分析了16缸柴油机分布式控制系统硬件工作原理,研究了主要器件的选型并设计了主要硬件电路,设计了CAN网络通信接口和网络通信协议,对系统软件做了整体规划。(3)分布式发动机控制策略的研究。根据机乍柴油机工作特性,设计了整体控制策略和分模块控制策略,主要控制包括转速采集、工况判别、转速控制、励磁控制和故障诊断五大模块。基于发动机硬件系统对分布式主-从发动机电控单元控制软件底层和应用层设计做了详细分析,包括主从ECU位置确定、喷油时间同步原理、主ECU的系统软件流程、从ECU的系统软件流程、发动机控制的数据和指令通信协议设计。设计了转速计算、最大油量限制、供油触发参数计算、故障诊断设计、排放控制等算法。(4)基于高速FlexRay网络的分布式控制系统的研究。为适应粒下一代高速车载网络的需求,特别是实现车联网技术与发动机系统的接入,论文进一步研究了高速FlexRay总线网络的发动机分布式控制系统,包括FlexRay网络系统的特点,数据帧结构定义,时间同步机制,FlexRay系统的主—从ECU的同步机制。更新设计了带有FlexRay总线控制器和总线驱动器的电控单元,研究了通信协议,并实现了分布式控制系统。(5)分布式控制系统试验研究。对基于CAN网络的主-从发动机控制系统做了分项测试和台架测试实验,通过对主-从ECU系统进行实验标定,得到实验数据。测试表明,主-从ECU控制系统可稳定实施对多缸柴油机的联合控制,发动机在预定的各实验工况转速比较稳定,误差可控制在0.5%以内,通过进一步优化标定可以实现更好的效果。搭建了两个节点的FlexRay控制系统试验平台。实验表明,在两个或更多时槽中,实现了比CAN速度更高和信息量更多的实时数据交换,系统最高通信速度可以达到10 Mbit/s。同时采用FlexRay定时高速发送曲轴位置同步信号,可取消基于CAN总线分布式系统中的同步信号专递专用接口线,进一步简化系统,提高了系统的可靠性,并为新一代车载网络提供了一种可资借鉴的解决方案。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
1 绪论  13-35
  1.1 课题研究背景  13-16
  1.2 研究现状及发展趋势  16-31
    1.2.1 发动机控制技术发展  17-20
    1.2.2 车载网络发展  20-29
    1.2.3 分布式控制系统发展  29-31
  1.3 研究目的和意义  31-32
  1.4 论文研究内容及组织结构  32-34
  1.5 本章小结  34-35
2 基于车载网络的多缸柴油机分布式控制系统研究  35-55
  2.1 基于车载网络的分布式控制系统结构  35-37
  2.2 柴油发动机分布式控制系统结构及工作原理  37-43
    2.2.1 系统硬件  37-40
    2.2.2 系统软件  40-43
  2.3 柴油发动机电控单元结构  43-48
    2.3.1 数据采集模块  45-47
    2.3.2 电控单元  47
    2.3.3 电控系统执行器  47-48
  2.4 ECU硬件电路  48-52
    2.4.1 ECU开发平台  48-51
    2.4.2 ECU核心处理器  51-52
  2.5 系统抗干扰设计  52-54
  2.6 本章小结  54-55
3 分布式主-从ECU控制策略与软件研究  55-83
  3.1 电控单元程序设计  55-64
    3.1.1 ECU位置确认  55-57
    3.1.2 主-从ECU时间同步  57-59
    3.1.3 软件程序设计  59-61
    3.1.4 分布式发动机的通信协议  61-63
    3.1.5 出错处理  63-64
  3.2 动力总成电控单元主要控制策略  64-77
    3.2.1 燃油喷射系统控制  65-66
    3.2.2 曲轴转速计算  66
    3.2.3 转速控制  66-67
    3.2.4 最大油量限制  67
    3.2.5 供油触发参数计算  67-70
    3.2.6 诊断优先级设置  70-73
    3.2.7 恒功率控制  73-74
    3.2.8 排放控制  74-77
  3.3 电控单元主要工况控制  77-81
    3.3.1 工况判别  77-79
    3.3.2 停止工况处理  79
    3.3.3 起动工况处理  79-80
    3.3.4 PID工况处理  80
    3.3.5 超速工况处理  80-81
  3.4 本章小结  81-83
4 分布式主-从ECU发动机控制系统实验  83-93
  4.1 分项测试  83-86
    4.1.1 VGT和EGR控制测试  83-86
  4.2 台架实验  86-91
    4.2.1 实验装置及测量系统介绍  86-88
    4.2.2 测试结果  88-91
  4.3 本章小结  91-93
5 基于FlexRay的分布控制系统研究  93-114
  5.1 FlexRay总线介绍  93-102
    5.1.1 总线特点和拓扑结构  94-97
    5.1.2 总线协议结构和通信周期  97-100
    5.1.3 时钟同步机制和运行状态  100-102
  5.2 基于FlexRay的分布式发动机控制系统  102-105
    5.2.1 基于FlexRay系统结构  102-103
    5.2.2 基于FlexRay通信的同步机制  103-105
  5.3 FlexRay节点硬件电路设计  105-111
    5.3.1 FlexRay节点组成  105-110
    5.3.2 FlexRay节点电路设计  110-111
  5.4 FlexRay通信软件设计  111-112
  5.5 本章小结  112-114
6 FlexRay分布式控制系统试验研究  114-119
  6.1 FlexRay节点之间通信测试  114-118
  6.2 本章小结  118-119
7 总结与展望  119-122
  7.1 论文主要工作  119-120
  7.2 论文的创新点  120
  7.3 研究展望  120-122
参考文献  122-127
致谢  127-128
在学期间发表的学术论文及其他科研成果  128

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