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基于MC9S12XS128的氢内燃机电控系统硬件研究与开发

作　者: 祁儒明
导　师: 杨振中；裴普成
学　校: 华北水利水电学院
专　业: 机械设计及理论
关键词: 氢发动机电控系统硬件设计抗干扰回火台架试验
分类号: U464
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着我国汽车保有量的持续增加,汽车排放污染加剧和石油资源短缺的问题日益突出,寻求一种清洁可再生的代用能源已经成为汽车行业发展的趋势。氢燃料以其独特的可再生无污染等特性,作为汽车代用燃料很有优势。但是发动机在使用氢燃料的过程中会出现一些问题,如早燃、回火、功率下降等。开发氢发动机专用的电子控制器是解决发动机工作异常问题和提升性能的有效手段。然而目前常见汽油机电控系统由于系统功能比较固化,控制参数只能适用于汽油机。并且由于其底层软件设计属于核心机密,所以很难对现有电控系统进行参数调整使其适用于氢发动机。基于这个原因,本文开发一款具有自主知识产权的氢发动机电控系统,并以此为平台研究了氢发动机异常燃烧的问题。本文是基于飞思卡尔公司MC9S12XS128微处理器开发了电控系统硬件部分。硬件系统共包括数字量采集处理电路、模拟量采集处理电路、控制单元微处理器电路、功率输出驱动电路、SCI串口通信电路、CAN通讯电路和BDM背景调试电路。针对氢发动机喷氢阀特性,设计了具有大电流快速开启阀门小电流维持打开状态功能的喷气阀驱动电路,增加喷氢阀响应速度,同时降低了喷气阀功耗,有效解决了喷气阀过热损坏的问题。针对氢发动机回火故障设计了回火故障检测电路。为了让电控系统运行可靠稳定,电路设计了多种抗干扰的措施,同时运用硬件仿真软件OrCAD PSpice对硬件电路进行了仿真试验。开发了基于CodeWarrior IDE开发环境的控制软件;设计了发动机基本的控制程序;本文简单介绍了电控系统软件的总体架构和方案,以及核心控制策略,如喷氢控制策略、点火策略、早燃回火抑制策略。根据氢发动机的工作特点,开发出了氢发动机电子控制系统。文中论述了电控系统硬件的详细设计方案及部分软件方案。在发动机试验台架上进行了电控系统的调试,结果表明本设计可以控制氢发动机在各个工况下稳定运行,并能有效抑制氢发动机回火故障。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题来源  10
  1.2 本课题研究背景  10-11
    1.2.1 能源危机与汽车排放污染  10-11
    1.2.2 氢能的利用  11
  1.3 汽油发动机电控系统国内外研究现状  11-12
    1.3.1 国外研究现状  11-12
    1.3.2 国内研究现状  12
  1.4 发动机电控系统的发展趋势  12-13
  1.5 氢燃料发动机的特点及其对电控系统的要求  13
  1.6 氢发动机电控系统硬件设计准则和设计过程  13-14
    1.6.1 设计准则  13-14
    1.6.2 设计思路  14
  1.7 本文研究的主要内容及意义  14-15
    1.7.1 本文研究的主要内容  14-15
    1.7.2 本文研究的意义  15
  1.8 本文的特色和创新之处  15-16
第二章氢发动机电控系统硬件设计  16-35
  2.1 氢发动机电控单元硬件组成  16-17
  2.2 控制单元设计  17-22
    2.2.1 微处理器的选型  17-18
    2.2.2 MC9S12XS128 单片机的特点  18-19
    2.2.3 单片机电路设计  19-22
  2.3 输入通道配置及处理电路设计  22-29
    2.3.1 异常燃烧检测模块  22-24
    2.3.2 常规传感器及处理电路设计  24-29
  2.4 输出通道配置及处理电路设计  29-31
    2.4.1 喷氢模块驱动电路设计  29
    2.4.2 点火模块驱动电路设计  29-30
    2.4.3 怠速电磁阀驱动电路  30-31
  2.5 串口通信和软件写入及调试电路  31
  2.6 硬件系统的抗干扰措施  31-34
  2.7 本章小结  34-35
第三章硬件电路仿真和电路板制作及调试  35-46
  3.1 硬件电路仿真  35-37
    3.1.1 硬件电路仿真工具简介  35
    3.1.2 电路仿真软件特点  35-36
    3.1.3 仿真电路的搭建  36-37
  3.2 硬件电路板设计与制作  37-40
    3.2.1 电路板设计软件  37
    3.2.2 电路图原理图绘制  37-39
    3.2.3 电路PCB 设计  39-40
  3.3 硬件电路板的焊接与调试  40-45
    3.3.1 信号发生器介绍  42-43
    3.3.2 调试工具BDM  43-44
    3.3.3 输入电路的调试  44
    3.3.4 输出电路的调试  44-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章氢发动机电控系统软件开发  46-52
  4.1 软件开发工具  46-47
    4.1.1 软件开发语言选择  46
    4.1.2 软件开发工具  46-47
  4.2 总体程序架构设计  47-48
  4.3 喷氢控制策略  48-49
  4.4 点火控制策略  49-51
  4.5 回火抑制策略  51
    4.5.1 早燃和回火的定义  51
    4.5.2 回火抑制与降负荷策略  51
  4.6 本章小结  51-52
第五章发动机台架调试与试验  52-60
  5.1 台架试验介绍  52-57
    5.1.1 氢发动机原型介绍  52-53
    5.1.2 发动机的改造  53-55
    5.1.3 测功机介绍  55-56
    5.1.4 发动机燃烧分析软件  56-57
    5.1.5 上位机软件的设计  57
  5.2 发动机启动试验与调试  57-59
  5.3 调试过程问题与试验结果分析  59-60
第六章结论与展望  60-61
  6.1 结论  60
  6.2 展望  60-61
攻读硕士期间发表的论文及参加科研课题  61-63
致谢  63-65
参考文献  65-68

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