汽油机电控系统模拟教学演示台设计

摘要

随着我国汽车保有量的大幅度上升，高新技术产品和装置在汽车上的不断引入和普及与汽车维修业高素质从业人员不足之间的矛盾显得日益突出。发动机电控技术是汽车专业的一门核心技术，理论性与实践性很强。开发发动机电控系统模拟教学实验台，能便于学生认识和学习发动机电控系统的工作原理。发动机电控系统模拟实验台可以广泛应用于科研、教学等方面，通过对发动机工作过程的模拟、显示，可以提高汽车从业人员的知识掌握水平及实际操作能力，增强对汽车电控系统的认识和掌握，为学生学习和掌握发动机电控系统的工作原理提供帮助。

本设计是以教学展示为前提，主要介绍了发动机电控系统的控制内容、发展简史与前景、组成与工作原理，并在此基础上设计电控系统模拟实验台的相关内容。主要包括实验台架的设计、电控系统的零部件布置、电动机转速控制等内容。这个教学实验台能够演示发动机的起动和正常工作过程，并且设置了测量点。通过完成对实验台的设计，可以深刻理解和掌握发动机电控系统的组成和工作原理、机械设计与机械制图的相关知识，最终设计出一款及机械、电控于一体化的产品。

关键词：发动机电控系统；电动机控制；实验台；单片机；PWM

ABSTRACT

With significant increase of the number of automobile，the contradiction between high-tech products and devices, the constant introduction in the car and popularization of high-quality vehicle maintenance trade and lack of practitioners become increasingly prominent. Engine electronic control technology is the theoretical and practical of a core technology and theoretical and practical very strong. Electronic control system simulation teaching test can make students to understand and learn the engine electronic control system works easy. Engine electronic control simulation system can be widely used in scientific research, teaching, etc. By displaying of the course of the engine simulation process, it can be employed to improve motor vehicle mastery level of knowledge and practical ability, and enhance the automotive electronic control system of understanding and mastering, for the students to learn and master the engine control system works to help.

The design is based on the premise of teaching show, this paper introduces control content system of the engine electronic control, brief history of and prospects for development, composition and working principle and design on the basis of electronic control system simulation test-bed of related content. It mainly includes the design of bench testing, electrical control system layout of components, such as motor speed control. The teaching experiment platform to demonstrate the engine start and normal work processes, and set the measurement points. The design of the test-bed by accomplish can help learns to understand and master the engine electronic control system components, a final design and mechanical and electrical control products in the integration.

Key words: Engine Electrical Control System；Motor Control；Test-bed；microcontroller；PWM

目录

摘要......................................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................................. I I 第1章绪论 .. (1)

1.1 汽油机电子控制系统概述 (1)

1.1.1汽油机电控系统发展简史 (1)

1.1.2 汽油机电子控制系统开发现状及趋势 (2)

1.2 汽油机电控系统模拟演示台设计概述 (2)

1.2.1设计的背景与意义 (2)

1.2.2总体设计功能要求 (3)

1.2.3本次设计的主要研究内容 (3)

第2章汽车发动机电子控制技术 (4)

2.1概述 (4)

2.2汽油机电子控制系统的功能与组成 (4)

2.3电子控制燃油喷射系统的组成与工作原理 (5)

2.3.1空气供给系统 (5)

2.3.2燃油供给系统 (5)

2.3.3控制系统 (6)

2.4 本章小结 (10)

第3章教学演示实验台设计 (11)

3.1实验台面板的布置设计 (11)

3.2教学演示实验台台架设计 (12)

3.2.1 实验台架的设计 (12)

3.2.2 实验台面板、操作台设计 (14)

3.3 模拟教学实验台尺寸的确定 (15)

3.4 实验台材料的选择与强度校核 (17)

3.4.1 实验台架材料的选择 (17)

3.4.2 实验台强度校核 (17)

3.5 滑动螺旋副传动 (20)

3.5.1滑动螺旋传动 (20)

3.5.2滑动螺旋的特点 (21)

3.5.3螺旋传动的应用 (21)

3.7本章小结 (23)

第4章实验台电路设计与电机控制原理 (24)

4.1 实验台电路优化设计 (24)

4.2 电动机的选择与转速控制原理 (25)

4.2.1 电动机的选择 (25)

4.2.2 实验台电动机的转速控制原理 (25)

4.3 PWM调速控制的优点 (27)

4.4 本章小结 (27)

第5章电动机控制系统设计 (28)

5.1 概述 (28)

5.1.1 节气门位置传感器与电机转速控制 (28)

5.1.2 水温传感器与电机转速控制 (28)

5.2 硬件装置的选择 (29)

5.2.1单片机的选择 (29)

5.2.2电动机驱动芯片的选择 (29)

5.2.3转速传感器的选择 (30)

5.3 控制原理 (30)

5.3.1电动机控制器原理 (30)

5.3.2发动机控制电路图 (31)

5.3.3软件程序设计 (32)

5.4本章小结 (40)

结论 (41)

参考文献 (42)

致谢 (43)

附录 (44)

第1章绪论

1.1汽油机电子控制系统概述

近年来，随着电子技术、计算机技术和信息技术的应用，汽车电子控制技术得到了迅猛的发展，尤其在控制精度、控制范围、智能化和网络化等多方面有了较大突破。汽车电子控制技术已成为衡量现代汽车发展水平的重要标志。发动机电子控制系统的综合应用大大改善了发动机的性能：提高了发动机的充气效率及动力性、提高了发动机的燃油经济性、降低了排放污染等等，使发动机的性能更加完善。

汽车电子控制系统基本由传感器、电子控制器（ECU）、驱动器和控制程序软件等部分组成，与车上的机械系统配合使用（通常与动力系统、底盘系统和车身系统中的子系统融合），并利用电缆或无线电波互相传输讯息，即所谓的“机电整合”，发动机电子控制系统的综合应用大大改善了发动机的性能：提高了发动机的充气效率及动力性、提高了发动机的燃油经济性、降低了排放污染等等，使发动机的性能更加完善。

1.1.1汽油机电子控制系统发展简史

电子技术的迅速发展，促进了汽车发动机电子控制系统技术的发展。汽车发动机电子控制系统的技术是逐步完善的过程，从最初的电控汽油喷射技术发展到如今集汽油喷射控制、点火控制、怠速控制、进气控制、排放控制、增压控制等于一身的发动机综合电子控制系统[1]。

从1948年发明晶体管，到20世纪60年代硅二极管应用于交流发动机并第一次在汽车上采用，继而出现点火系统和调节器；后来集成电路（IC）、模拟计算机和数字计算机等相继出现，使电子技术在汽车上的应用越来越广泛，改善了汽车的各种性能，起到了机械装置不可替代的作用。

世界汽车电子技术的发展过程大致可分为以下三个阶段：

第一阶段：从20世纪60年代中期到70年代中期，主要是为了改善部分性能而对汽车产品进行的技术改造，主要产品有交流发电机、电子电压调节器、电子闪光器、汽车收音机、电子点火控制器等。

第二阶段：从20世纪70年代末期到90年代中期，汽车进入了微机控制时代，在此期间，汽车上广泛应用集成电路和16位以下的微处理器。为解决安全、污染、和节能三大问题，先后研制出电控汽油喷射系统、电子控制防滑制动装置和电控点火系统等。

第三阶段：20世纪90年代中期以后，电子技术广泛的应用在底盘、车身、和车

用柴油发动机多个领域。主要侧重于汽车性能的进一步提高、各种功能的进一步完善。主要产品有四轮转向控制系统、轮胎气压监控系统、故障自诊断系统、驱动防滑系统等[2]。

1.1.2 汽油机电子控制系统开发现状及趋势

目前，我国自主开发的汽车电子产品正处于加速发展阶段。汽车发动机电子控制系统的开发与应用已逐渐从过去的院校和研究机构的研发向以企业为主导并以产业化为目标的局面发展。随着奇瑞、吉利等民营汽车制造企业的崛起、国家的政策支持和国内汽车市场的发展潜力将给汽车发动机电子控制系统开发商带来难得的机遇。尽管市场巨大，但生产汽车发动机电子产品也充满了挑战。发动机电子产品对于汽车电子产业来说是技术门槛最高的一块，也是当前利润率最好的产业，其在汽车电子产业中的产值和规模也是最大。所以，未来几年，来自国际知名品牌垄断企业的打压以及国内大批厂商的涌进也是自主开发汽车发动机电子产品目前所面临的现状。汽车市场发展的焦点是围绕安全、节能、环保、舒适、方便的主题为消费者提供高质量、安全可靠、多功能低价位的创新产品。开发商面临的挑战是快速研发这类产品，在最短的时间内将新产品推向市场。汽车电子技术的发展为提高整车性能起到了关键性的作用。随着汽车电子化发展的深入，32位微控制器将逐渐取代8位、16位微控制器而成为主流应用产品。

1.2汽油机电控系统模拟演示台设计概述

1.2.1设计的背景与意义

我国汽车发动机的电控化的起因与西方国家相同，但发动机电控化所经历的过程却完全不同。西方国家经历了从起步到发展的几十年的漫长的发展过程。而我国主要是通过技术引进的方式实现发动机电控化的，在短短的几年内，实现了小客车发动机的电控化。我国电控发动机的发展过程如此之快，以至于汽车发动机的研制、使用、维修人员在如此短的时间内难以接受和消化这些技术，这对我国汽车工业的发展是非常不利的。从长远看，我国的汽车工业要在国际舞台上占有一席之地，必须走自主开发、自主研制的道路，因此，无论是研制人员还是使用维修人员，都必须尽快掌握电控发动机的原理和技术，迅速缩短与世界先进水平的差距。

本次设计的发动机电控系统模拟教学实验台不必放置整体的发动机，这样做减少了实验台的制作成本和实验时产生的噪声。此外，由于实验台没有放置整体的发动机，因此在实验过程中使用循环液代替燃料，这样就减少了燃料的消耗和废气污染。设计发动机电控系统模拟实验台，锻炼学生通过动手操作，从而达到理论与实践相结合。

1.2.2总体设计功能要求

1、故障诊断功能

结合控制系统本身的故障自诊断功能可以任意设置故障,通过台面设计的功能区,进行设置故障和诊断故障,利用实验台模拟汽车电喷系统,实现电喷系统的功能演示,使学生了解和掌握系统的结构原理及工作特性。

2、与外设匹配功能

实验台设有一个诊断端子接口，可以与发动机分析仪、故障分析仪等相连,直接测量输出信号,进行实车故障诊断与分析的实验教学过程。

3、教学演示台效果

实验台可以比较真实的反映出系统的组成及控制过程,并且实验具有可操控性能,可以动态测试,实验台的制作解决了学生不便于基本概念的形成、工作原理的理解、实际共性的认识和专业技能的掌握等问题。

1.2.3本次设计的主要研究内容

实验台设计中主要涉及到实车发动机电控系统的组成与工作原理的掌握、教学演示台架的设计、实验台面板的布置、电动机转速控制，主要内容如下：

1、汽油机电控系统组成与工作原理

本文以丰田卡罗拉发动机电控系统为例，主要介绍了电控燃油喷射系统和点火系统的组成与工作原理。掌握电控系统的组成与工作原理至关重要，这些内容是制作实验台的基础，为实验台的实际应用与故障诊断分析提供了理论依据。

2、教学演示台架的设计

实验台架的设计中主要介绍了实验台架结构的设计、材料的选择及强度校核等内容。实验台架是实验台的主体部分，是整个电控系统零部件的载体。除了满足实验要求之外，还要具有占用空间小、方便操作等特点。

3、实验台面板布置

实验台是电控系统零部件的载体，总体布置应该直观、简洁、方便操作。在考虑实验台布置时，遵循的基本原则是ECU—传感器—执行器，这样的布置可以清晰的看清楚系统的工作过程，对电控系统的组成和工作原理也可以得到很好的理解。

4、电动机转速控制

由于实验台采用了电动机来代替实际发动机的工作情况，所以就要求电动机的转速变化与实际发动机的转速变化大体一致。因此，在实验台上就要采用一定的方法把传感器信号的变化反映到电动机转速变化上来。

第2章汽车发动机电子控制技术

2.1概述

汽车发动机电子控制系统的英文名称是Engine Electronic Control System，简称为EECS或EEC系统。发动机电子控制系统主要由信号输入装置、发动机控制模块和执行部件等组成。在不同车系的车型上，组合型式和控制项目各有异同。就发动机集中控制系统而言，主要包括：进气控制、燃油喷射控制、点火控制、怠速控制、排放控制、自我诊断与报警系统控制、失效保护控制等。

2.2汽油机电子控制系统的功能与组成

2.2.1汽油机电子控制系统的功能

汽车发动机电子控制系统的主要功能是控制燃油喷射式发动机的空燃比和点火时刻。除此之外，还有控制发动机启起动、怠速转速、极限转速、排气再循环、闭缸工作、二次空气喷射、进气增压、爆震、发电机输出电压、电动燃油泵和系统自诊断等辅助功能[3]。

2.2.2汽油机电子控制系统的组成

发动机（以汽油机为例）电子控制系统主要由以下几大系统组成[4]：

1、微机控制点火系统（MCIS）

汽油发动机采用MCIS能将点火提前角控制在最佳值。燃烧后产生的气体温度和压力达到最大值。从而提高发动机的动力性。同时降低燃油消耗量，减少有害气体的排放。其主要由凸轮轴位置传感器（CLS）、曲轴位置传感器（CPS）、空气流量传感器（AFS）、节气门位置传感器（TPS）、进气温度传感器（IATS）、车速传感器（VSS）、爆震传感器（EDS）等组成。

2、发动机爆震控制系统（EDCS）

增大点火提前角可使汽油发动机获得最大功率和最佳燃油经济性．但点火提前角过大又会引起发动机爆震。只有推迟点火提前角才能消除爆震。实践证明：当发动机工作在爆震的临界点或有轻微的爆震时。发动机热效率最高，动力性和经济性最好。发动机爆震控制系统可有效控制点火提前角，以使发动机工作在爆震临界状态。

3、废气再循环控制系统（EGRC）

ECU根据发动机的转速、负荷、温度、进气流量、排气温度控制电磁阀适时地打开，进气管真空度经电磁阀进入EGR阀真空膜室，膜片拉杆将EGR阀门打开，排气中

的少部分废气经EGR阀进入进气系统，与混合气混合后进入气缸参与燃烧。当发动机在怠速、低速、小负荷及冷机时，ECU控制废气不参与再循环，避免发动机性能受影响；当发动机超过一定的转速、负荷并达到一定的温度时，ECU控制小部分废气参与再循环，参与再循环的废气量根据发动机转速、负荷、温度及废气温度的不同而异，从而降低废气中NO x的含量。

4、电子控制发动机燃油喷射系统（EFI）

汽车发动机电子控制燃油喷射技术是借鉴飞机发动机汽油喷射技术而诞生的，汽车发动机采用燃油喷射技术的主要目的是：降低燃油消耗量和减少有害气体的排放。汽车发动机电子控制系统跟其它电子控制系统一样，也是由传感器（开关信号）、电子控制单元（ECU）和执行器（执行元件）组成，如图2.1所示。

图2.1汽车发动机电子控制系统基本结构

2.3电子控制燃油喷射系统的组成与工作原理

尽管电控燃油喷射系统类型丰富、种类繁多，但它们都具有相同的控制原则：即以电控单元（ECU）为控制核心，以空气流量和发动机转速为控制基础，以喷油器等为控制对象，保证获得与发动机各种工况相匹配的最佳混合气成分。发动机电子控制燃油喷射系统主要由空气供给系统、燃油供给系统和控制系统组成。[5]

2.3.1空气供给系统

空气供给系统的功能是测量和控制发动机不同工况下所需的空气量，为发动机可燃混合气的形成提供必需的空气。

根据检测进气量方式的不同，可以分为质量－流量型（L型）和压力－速度（D 型）进气系统。丰田卡罗拉轿车发动机的PFI系统属于L型PFI系统。空气经空气滤清器过滤后，由空气流量计测量吸入的空气量，空气通过节气门体进入进气总管，再分配到发动机各进气歧管。其主要部件包括空气滤清器、节气门体、空气阀、空气流量计、进气管等。

2.3.2燃油供给系统

燃油供给系统的功能是向气缸内供给燃烧所需的汽油。发动机工作时，电动汽油泵将汽油从油箱泵出，经过燃油滤清器后再经压力调节器调压，然后经输油管配送给