共轨式柴油机半物理仿真平台开发设计研究

论文摘要

高压共轨柴油机电控单元(ECU)的结构和控制策略复杂,导致其开发非常困难。对于高压共轨柴油机的ECU而言,采用传统的方法进行调试需要做大量的发动机台架试验,开发成本高,开发周期长,难以适应市场的需求。对此,本文采用硬件在环仿真技术,开发了一个可以进行柴油机动态模型实时计算并能模拟柴油机多种工况的共轨式柴油机半物理仿真平台。在确定柴油机仿真平台的设计方案之后,完成了以TMS320F2812芯片为核心的仿真平台硬件电路设计。硬件电路主要包括柴油机模型实时计算仿真模块电路和直流电机转速控制相关电路,其中实时计算仿真模块电路由DSP模块电路和相关接口电路构成。为了使仿真平台能够较好地模拟和输出曲轴转速和气缸识别信号,本文制作了小型直流电机实物台架。本文采用平均值法建立了高压共轨柴油机动态仿真数学模型,并以该模型为基础在CCS3.3环境中完成了以柴油机模型实时计算程序为核心的高压共轨柴油机仿真平台软件的主体设计。此外,还基于LabVIEW软件开发了仿真平台的PC机监控系统。监控系统通过CAN总线与DSP进行数据交换,不仅可以实现对柴油机仿真模型计算结果的实时采集和显示,还可以完成柴油机模型和直流电机控制参数的在线修改。经实验验证,本文设计开发的共轨式柴油机半物理仿真平台可以在实验室环境下模拟柴油机的多种工况,并且能够向外输出时序和相位正确的曲轴转速和判缸信号。通过监控界面,仿真平台可以直观的显示ECU对柴油机动态模型的控制效果。仿真平台能为ECU的标定、测试提供良好的在线仿真环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 柴油机电控技术的发展现状
• 1.2.1 柴油机电控技术的发展历程
• 1.2.2 国内柴油机电控技术的发展现状
• 1.3 柴油机硬件在环仿真
• 1.3.1 柴油机硬件在环仿真的意义
• 1.3.2 硬件在环仿真在柴油机电控系统开发过程中的应用现状
• 1.4 本论文的主要工作
• 第2章 柴油机仿真平台的方案设计
• 2.1 柴油机仿真平台的总体构成
• 2.2 实时计算仿真模块的设计方案
• 2.2.1 主控制芯片的选型
• 2.2.2 TMS320F2812介绍
• 2.3 直流电机模块设计方案
• 2.3.1 直流电机台架构建方案
• 2.3.2 直流电机选型
• 2.3.3 传感器的选型
• 2.3.4 信号盘的设计方案
• 2.3.5 直流电机的转速控制系统方案设计
• 2.4 PC上位机监控模块设计方案
• 2.5 仿真平台硬件电路总体设计思路
• 2.6 柴油机仿真平台软件总体设计方案
• 2.7 本章小结
• 第3章 柴油机仿真平台硬件设计
• 3.1 DSP模块相关电路设计
• 3.1.1 TMS320F2812电源电路设计
• 3.1.2 时钟电路设计
• 3.1.3 JTAG接口电路设计
• 3.1.4 DSP工作模式和启动方式设置模块电路
• 3.1.5 存储器的扩展电路设计
• 3.2 控制板上数据交换接口电路设计
• 3.2.1 仿真平台外部信号采集处理模块电路设计
• 3.2.2 柴油机工作状态参数输出模块电路设计
• 3.2.3 模数转换相关接口电路设计
• 3.2.4 CAN通讯接口电路设计
• 3.3 电机驱动板上相关电路设计
• 3.3.1 驱动板上的电源电路设计
• 3.3.2 PWM功率驱动单元设计
• 3.3.3 转速信号采集处理电路设计
• 3.4 硬件的可靠性设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 高压共轨柴油机动态仿真数学模型
• 4.1 高压共轨柴油机数学模型
• 4.1.1 柴油机动态模型建立的步骤和方法
• 4.1.2 建模时的假设和模型的组成
• 4.2 柴油机本体数学模型
• 4.2.1 气缸充气效率计算模块
• 4.2.2 进气质量流量计算模块
• 4.2.3 平均排气温度模块
• 4.2.4 指示热效率计算模块
• 4.2.5 指示扭矩计算模块
• 4.2.6 摩擦扭矩计算模块
• 4.2.7 柴油机动力学模型
• 4.3 增压器数学模型
• 4.3.1 压气机模型
• 4.3.2 中冷器模型
• 4.3.3 涡轮机模型
• 4.3.4 增压器动力学模型
• 4.4 高压共轨燃油系统数学模型
• 4.4.1 高压共轨系统的构成
• 4.4.2 高压油泵模型
• 4.4.3 高压油轨模型
• 4.4.4 压力控制阀模型
• 4.4.5 喷油器模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 柴油机仿真平台软件设计
• 5.1 DSP系统软件开发工具
• 5.2 DSP系统软件设计
• 5.2.1 主程序设计
• 5.2.2 柴油机仿真模块相关程序设计
• 5.2.3 直流电机模块程序设计
• 5.2.4 CAN通讯模块程序设计
• 5.2.5 辅助程序设计
• 5.3 PC上位机监控界面设计
• 5.3.1 Labview和USBCAN卡简介
• 5.3.2 USBCAN接口卡函数库的调用
• 5.3.3 监控界面程序设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 柴油机仿真平台实验
• 6.1 实验方案设计
• 6.2 实验过程及结果分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢