一种光学发动机控制方法及其装置与流程

本发明涉及内燃光学测试技术领域，尤其是涉及一种光学发动机控制方法及其装置。

背景技术：

现有的光学发动机电子控制器有的方案采用国内采购的软硬件，配套专用的上位机采集、试验、标定软件，这种方法能较好地进行试验的开展，但缺点是通用性和灵活性不够，当需要对接口和软件进行更改时无法进行，或者需要通过国外供应商才能实现。有的方案是通过16位单片机，或者是通过32位单片机书写代码方式实现控制器开发，其存在控制算法更改困难，标定方案变化时修改软件部分较多难度较大。更重要的是，现有的燃烧分析仪、数据采集系统、测功机等子系统之间的数据往往无法同步、共享，这对试验数据的有效利用造成了浪费。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种方便子系统数据共享，灵活性高可快速实现控制策略，通用性高易于调整的光学发动机控制方法及其装置。

本发明中一种光学发动机控制装置所采用的技术方案是，一种光学发动机控制装置，包括上位机，所述上位机与控制器通讯连接，所述控制器分别与喷油点火单元，采样单元以及信号处理单元信号连接。

本发明一种光学发动机控制装置的有益效果是：采用上述结构的光学发动机控制装置，使用通用、高性能、高可靠性、高精度的电子控制器嵌入式软硬件和装载了虚拟仪器数据采集控制系统的上位机，使得本发明可根据信号特征稍加修改用于不同接口的传感器、执行器，可打通燃烧分析仪、数据采集系统、测功机等不同子系统间数据共享，方便结果保存、分析、显示、处理。

作为优先，所述喷油点火单元包括通过第一i/o接口电路与控制器信号连接的隔离电路，所述隔离电路分别连接有喷油驱动电路和点火驱动电路，所述第一i/o接口电路还与高速相机信号连接；所述采样单元包括通过adc接口电路与控制器信号连接的ad采样电路，所述ad采样电路分别连接有进气温度传感器和进气压力传感器；所述信号处理单元包括通过第二i/o接口电路与控制器连信号连接的信号处理电路，所述信号处理电路分别连接凸轮轴信号传感器和编码器信号传感器。采用上述设置，可以使得控制器能够和不同的功能子系统连接，将一个子系统中的数据处理分析后用于另一个子系统的工作任务。

作为优先，所述控制器还连接有电压转换电路，并且所述控制器还设置有与外部机器进行通讯的通讯接口，电压转换电路能将外部电源的电压转换为该装置的供电电压，所述通讯接口在光学发动机测试中连接测功机。

本发明中一种光学发动机控制方法所采用的技术方案，包括：

s1、系统初始化各项参数，然后由用户在上位机设置实验各项参数，检查无误后，通过通讯接口将各项参数向控制器发送；

s2、用户通过上位机对控制器进行操控，使得控制器能够通过通讯接口向上位机发送各项检测数据；

s3、使用实验室测功机的控制系统控制电机转动，所述电机与光学机飞轮连接，光学机飞轮达到预定转速后，由用户在上位机操控控制器开始工作；

s4、所述控制器持续收集处理光学机的工作信息并根据收集到的信息对光学机工作进程进行干预；

s5、检测所述控制器是否完成预设参数设定的任务目标，若完成，控制器发出停止工作指令，重置各项参数，并关闭系统；若没有完成，继续执行s4。

本发明一种光学发动机控制方法的有益效果是：本发明的控制方法打通了燃烧分析仪、数据采集系统、测功机等不同子系统间的数据共享，方便结果保存、分析、显示、处理。由于采用基于模型设计和仿真，可快速实现控制策略，并根据柴油、汽油、天然气等喷射、点燃特性调整控制软件。上位机软件数据范围检查和提示全面，人机交互良好，从而提升光学发动机的实验价值。

作为优先，所述步骤s1中的实验各项参数包括喷油点火的角度和脉宽，循环数，喷油器点火器开关，凸轮轴循环次数，所述通讯接口使用can通讯，使得用户可以在上位机控制喷油点火以及机器循环次数，该设置能够让用户通过上位机更好的控制整个系统的运行。

作为优先，所述步骤s4包括：

s41、控制器接收到开始命令后，发送ttl开始信号，使得高速相机开始拍摄光学机；

s42、控制器对光学机工作过程中发出的编码器信号进行解析，得到当前光学机的转速和曲轴角度；

s43、控制器对光学机工作过程中发出的凸轮轴信号进行解析，对光学机进行判缸，得到目前光学机所在的冲程；

s44、使用凸轮轴信号对曲轴角度进行补偿，将上止点位置的角度置为0°；

s45、判断凸轮轴当前所在的角度是否等于上位机传输来的喷油和点火角度，若与喷油设定的角度相等，则执行喷油信号发送模块；若与点火设定的角度相等，则执行点火信号发送模块。上述步骤为对光学机工作中产生的数据的采集工作，用来作为喷油点火的决策依据。

作为优先，步骤s5中，凸轮轴在转动一个周期后，所述控制器检测所述凸轮轴的循环次数是否达到上位机设定的循环次数，若没有达到，继续检测角度值，若已经达到，退出循环，发送ttl停止信号，关闭高速相机拍摄，然后重置各项参数，关闭系统，该方法确定了整个系统的关闭条件。

作为优先，所述编码器信号的编码器信号处理模块使用分辨率360p/r编码器，所述编码器一共有三个输出信号，分别为a、b、z三路信号；所述编码器与光学机曲轴同步旋转，a跟b输出信号皆为一圈输出360个方波信号，且a与b之间相差90°相位；z信号为用于编码器旋转一圈输出计数清零的一圈一个的脉冲信号，通过ab相的信号正交，一圈则有1440个信号，即曲轴转动一圈，编码器输出的计数值为1440。

作为优先，所述凸轮轴上设置有n个间隔角度不全部相同的信号间隔标记，所述凸轮轴的上止点在其中一个信号间隔标记上，该方法在确定上止点位置时，只要观测两次测得的上止点之间经过的角度符合信号间隔夹角的排列，则可以确定上止点检测无误，通过这个方法能有效的确定上止点位置，避免信号干扰产生错误。

作为优先，所述喷油和点火的信号由喷油点火时间控制模块进行控制输出，喷油和点火信号输出的周期和占空比通过配置喷油点火时间控制模块的寄存器确定，所述寄存器包括cmpld1跟cmpld2，所述占空比=cmpld1/cmpld2，所述喷油和点火信号输出的频率=8*10⁷/(cmpld1+cmpld2)，通过寄存器来控制占空比与周期，能够精准控制喷油点火的发生。

附图说明

图1为本发明的系统总流程示意图；

图2为本发明的系统工作流程示意图；

图3为本发明的硬件连接示意图；

图4为本发明的控制方法流程示意图；

图5为本发明上位机软件示意图；

图6为本发明控制器软件示意图；

图7为本发明单次喷油信号示意图；

图8为本发明单次点火信号示意图；

图9为本发明凸轮轴上止点示意图。

具体实施方式

以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的公开中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

本发明所要解决的技术问题是提供一种方便子系统数据共享，灵活性高可快速实现控制策略，通用性高易于调整的光学发动机控制方法及其装置。

如图1所示，图1为本发明公开的系统的总流程框架示意图，在该图中我们可以得到，用户与上位机之间发生人机交互，上位机有用户输入数据，用户可以从上位机中读取数据。上位机在得到用户输入的数据后，分别通过can通讯向控制器发送数据，通过以太网向缸压采集系统发送数据，从而实现对控制器以及缸压采集系统的控制。

控制器在接收到上位机传来的数据后，用户再在上位机上操作软件，使得控制器中的单片机开始持续向上位机发送数据。

在控制器开始向上位机持续发送数据后，使用实验室测功机的控制系统控制与光学机飞轮连接的电机转动，当达到理想转速（如1800转/分钟）后，在上位机点击开始运行按钮，给控制器发送开始运行指令，使得控制器向高速相机发送ttl开始信号，高速相机开始拍摄光学机缸内的转动情况。ttl信号控制高速相机进行拍摄，系统开始运行到停止期间，高速相机都在拍摄光学机的喷雾燃烧过程。

同时，光学机系统开始向控制器发送编码器信号与凸轮轴信号，控制器对编码器信号与凸轮轴信号进行解析后得到光学机的转速，曲轴角度以及光学机目前所在冲程等信息。

使用凸轮轴信号对曲轴信号进行补偿，将上止点位置与编码器上的0°位置对齐。在上止点位置标定后，上位机中输入的喷油点火角度即可与光学机的实际工作状态对应起来。

在控制器标定编码器和上止点的0°位置后，控制器根据输入的喷油点火角度，向光学机发出多路喷油控制输出信号与点火控制输出信号。

另外，在控制器和光学机数据交互处理的同时，实验室缸压采集系统也在同时收集光学机的缸内压力测量信号和编码器测量信号，处理得到缸内的压力，温度等信号，然后向上位机发送。

在一个实施例中，本发明通过以太网通讯模块连接了燃烧分析仪（或定制的缸压采集系统）、数据采集系统，采用用tcp/ip通讯方法传输时间、压力、温度、转速等参数，方便数据同步、保存、分析、显示、处理。外部连接燃烧分析仪还可以用来监控混合气燃烧后的情况来计算燃料输入量。

如图5所示，图5为上位机的控制软件示意图，上位机软件由硬件驱动、界面管理、参数输入与检查、数据解析显示、数据保存回放导出等组成。上位机硬件由计算机，usbcan通讯模块组成。上位机软件由虚拟仪器软件（如labview）开发，界面分为系统初始化，控制器主界面，控制器数据回放。在系统初始化界面，使用usb与ecu进行连接成功后，右上角can通讯连接状态的指示灯会变亮。在控制器主界面，左上角为can通讯从ecu传输过来的各项数据的显示区域，包括发动机转速、供电电压、进气压力、进气温度等等；左下角为各项试验参数设定及检查的区域，可输入的参数有：喷油角度和脉宽、点火角度和脉宽、总循环次数、喷油点火器的开关等；右上角为控制按钮区域：包括开始运行、紧急停止、开始接收ecu数据和停止接收ecu数据、生成excel报告等；右下角为数据的实时显示和保存区域。在控制器数据保存回放界面，软件将解析的数据实时存入文件（如tdms），试验结束后，通过选取不同项目名称、试验时间进行相应数据文件的读取、解析，并显示在界面的相应控件上，以数值、曲线等形式交由用户处理、分析、保存试验数据。

如图6所示，图6位控制器的控制软件示意图，所述控制器为电子控制器，电子控制器软件由单片机底层驱动、信号分析模块、判缸同步模块、喷油控制模块、点火控制模块、ttl信号控制模块等组成。

如图7和图8所示，图7为单次喷油信号示意图，图8位点火信号示意图，喷油点火信号由etimer进行控制输出，通过配置etimer的寄存器可以确定信号输出的周期和占空比，两个寄存器cmpld1跟cmpld2,占空比=cmpld1/cmpld2，频率=8﹡107/(cmpld1+cmpld2)。（如程序中将cmpld1+cmpld2的值固定设为8000，即频率为10khz，周期为0.1ms，即喷油点火脉宽的控制精度为0.1ms）。其中，图7和图8中的纵轴v为电压，v1为单片机输出的高电平的电压幅值。

当编码器计数角度达到设定喷油角度时，输出喷油信号，信号长度为设定的喷油脉宽值；完整的单次喷油信号如图7所示，其中t1段定时器etimer的占空比为100%，周期为0.1ms，共20个周期，即t1段时间为2ms，这是喷油信号的固定输出，目的是为了打开喷油器；之后的占空比为0%，周期为0.1ms，共10个周期为1ms，这也是喷油信号的固定输出。其中n×t2段为用户可以控制的喷油输出时长，该段占空比为50%，周期为0.1ms，共n个周期，n的值为上位机用户设定的值，通过can传输给控制器得到的。在喷油速度一定时（如19.22kg/hr）喷油脉宽决定喷油量。

当编码器计数角度达到设定点火角度时，输出点火信号，信号长度为设定的点火脉宽值；点火脉宽计算方法与喷油脉宽一样，周期为0.1ms，为100%占空比，没有固定的输出信号，默认输出20个周期，即默认点火脉宽为2ms，这个值也可以通过上位机进行更改。

如图9所示，图9公开了本发明中凸轮轴的上止点设置结构。凸轮轴转动一圈，曲轴转动两圈，所以通过凸轮轴信号来确定光学机当前所处的冲程，通过凸轮轴信号与上止点对应的关系。得出当前上止点时，编码器输出的计数值，这个值返回去对编码器输出计数值进行补偿，使光学机在上止点时，编码器输出的计数值为0。凸轮轴信号特征及上止点如图9所示，凸轮轴和编码器安装夹角为θtb（安装时需要标定），凸轮轴上设置有七个信号触发点，凸轮轴信号一圈触发七次，也就是一共七个信号间隔，角度值分别为θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，θ7（如其中五个信号间隔为60°，一个为40°，一个为20°）；为了得到上位机的位置，采用的方法是，通过接收凸轮轴信号，存储两个信号间的角度差值，共存储最新的得到的七个角度差值，若这最新的七个角度差值为θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6，θ7（如60、20、40、60、60、60、60），则此时的光学机运行正处于上止点的位置，通过这个方法能有效的确定上止点位置，避免信号干扰产生错误。光学发动机安装完成后，上止点对应的凸轮轴信号位置是可知的，由于编码器与凸轮轴对应关系无法提前知道，所以在光学发动机转动起来之后，得出相应的值，进行补偿，最后得出确定上止点的位置。

本发明中的一种光学发动机控制装置，包括上位机，所述上位机与控制器通讯连接，所述控制器分别与喷油点火单元，采样单元以及信号处理单元信号连接。采用上述结构的光学发动机控制装置，使用通用、高性能、高可靠性、高精度的电子控制器嵌入式软硬件和装载了虚拟仪器数据采集控制系统的上位机，使得本发明可根据信号特征稍加修改用于不同接口的传感器、执行器，可打通燃烧分析仪、数据采集系统、测功机等不同子系统间数据共享，方便结果保存、分析、显示、处理。所述喷油点火单元包括通过第一i/o接口电路与控制器信号连接的隔离电路，所述隔离电路分别连接有喷油驱动电路和点火驱动电路，所述第一i/o接口还与高速相机信号连接；所述采样单元包括通过adc接口电路与控制器信号连接的ad采样电路，所述ad采样电路分别连接有进气温度传感器和进气压力传感器；所述信号处理单元包括通过第二i/o接口电路与控制器连信号连接的信号处理电路，所述信号处理电路分别连接凸轮轴信号传感器和编码器信号传感器。采用上述设置，可以使得控制器能够和不同的功能子系统连接，将一个子系统中的数据处理分析后用于另一个子系统的工作任务。所述控制器还连接有有电压转换电路，并且所述控制器还设置有与外部机器进行通讯的通讯接口，电压转换电路能将外部电源的电压转换为该装置的供电电压，所述通讯接口在光学发动机测试中连接测功机。

本发明中一种光学发动机控制方法所采用的技术方案，包括：

s1、系统初始化各项参数，然后由用户在上位机设置实验各项参数，检查无误后，通过通讯接口将各项参数向控制器发送；

s2、用户通过上位机对控制器进行操控，使得控制器能够通过通讯接口向上位机发送各项检测数据；

s3、使用实验室测功机的控制系统控制电机转动，所述电机与光学机飞轮连接，光学机飞轮达到预定转速后，由用户在上位机操控控制器开始工作；

s4、所述控制器持续收集处理光学机的工作信息并根据收集到的信息对光学机工作进程进行干预；

s5、检测所述控制器是否完成预设参数设定的任务目标，若完成，控制器发出停止工作指令，重置各项参数，并关闭系统；若没有完成，继续执行s4。

本发明的控制方法打通了燃烧分析仪、数据采集系统、测功机等不同子系统间的数据共享，方便结果保存、分析、显示、处理。由于采用基于模型设计和仿真，可快速实现控制策略，并根据柴油、汽油、天然气等喷射、点燃特性调整控制软件。上位机软件数据范围检查和提示全面，人机交互良好，从而提升光学发动机的实验价值。

所述步骤s1中的实验各项参数包括喷油点火的角度和脉宽，循环数，喷油器点火器开关，凸轮轴循环次数，所述通讯接口使用can通讯，使得用户可以在上位机控制喷油点火以及机器循环次数，该设置能够让用户通过上位机更好的控制整个系统的运行。

所述步骤s4包括：

s41、控制器接收到开始命令后，发送ttl开始信号，使得高速相机开始拍摄光学机；

s42、控制器对光学机工作过程中发出的编码器信号进行解析，得到当前光学机的转速和曲轴角度；

s43、控制器对光学机工作过程中发出的凸轮轴信号进行解析，对光学机进行判缸，得到目前光学机所在的冲程；

s44、使用凸轮轴信号对曲轴角度进行补偿，将上止点位置的角度置为0°；

s45、判断凸轮轴当前所在的角度是否等于上位机传输来的喷油和点火角度，若与喷油设定的角度相等，则执行喷油信号发送模块；若与点火设定的角度相等，则执行点火信号发送模块。上述步骤为对光学机工作中产生的数据的采集工作，用来作为喷油点火的决策依据。

步骤s5中，凸轮轴在转动一个周期后，所述控制器检测所述凸轮轴的循环次数是否达到上位机设定的循环次数，若没有达到，继续检测角度值，若已经达到，退出循环，发送ttl停止信号，关闭高速相机拍摄，然后重置各项参数，关闭系统，该方法确定了整个系统的关闭条件。

所述编码器信号的编码器信号处理模块使用分辨率360p/r编码器，所述编码器一共有三个输出信号，分别为a、b、z三路信号；所述编码器与光学机曲轴同步旋转，a跟b输出信号皆为一圈输出360个方波信号，且a与b之间相差90°相位；z信号为用于编码器旋转一圈输出计数清零的一圈一个的脉冲信号，通过ab相的信号正交，一圈则有1440个信号，即曲轴转动一圈，编码器输出的计数值为1440。

所述凸轮轴上设置有n个间隔角度不全部相同的信号间隔标记，所述凸轮轴的上止点在其中一个信号间隔标记上，该方法在确定上止点位置时，只要观测两次测得的上止点之间经过的角度符合信号间隔夹角的排列，则可以确定上止点检测无误，通过这个方法能有效的确定上止点位置，避免信号干扰产生错误。

所述喷油和点火的信号由喷油点火时间控制模块进行控制输出，喷油和点火信号输出的周期和占空比通过配置喷油点火时间控制模块的寄存器确定，所述寄存器包括cmpld1跟cmpld2，所述占空比=cmpld1/cmpld2，所述喷油和点火信号输出的频率=8*107/(cmpld1+cmpld2)，通过寄存器来控制占空比与周期，能够精准控制喷油点火的发生。

本发明设计了通用、高性能、高可靠性、高精度的电子控制器嵌入式软硬件和虚拟仪器数据采集控制系统，可根据信号特征稍加修改可用于不同接口的传感器、执行器，可打通燃烧分析仪、数据采集系统、测功机等不同子系统间数据共享，方便结果保存、分析、显示、处理。由于采用基于模型设计和仿真，可快速实现控制策略，并根据柴油、汽油、天然气等喷射、点燃特性调整控制软件，由于采用高性能单片机，便于处理复杂实时信号，当需要egr、vvt控制，也可通过模型修改方便地实现控制策略算法。上位机软件数据范围检查和提示全面，人机交互良好，从而提升光学发动机的实验价值。本发明采用的嵌入式软硬件，加上标定和诊断软件的使用也可用于混合动力整车控制器、纯电动整车控制器的开发。