發(fā)動機自適應(yīng)水泵系統(tǒng)設(shè)計

作者簡介：

薛大偉（1999—），男，本科，車輛工程專業(yè)。

劉尊民(1980—)，通訊作者（指導(dǎo)老師），男，博士，副教授，主要從事過程控制、ITS。

教師評語：該論文總體不錯，可以發(fā)表。

0   引言

當(dāng)前水泵與發(fā)動機曲軸通過傳動皮帶進行連接，發(fā)動機啟動后與曲軸轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系持續(xù)運轉(zhuǎn)，不能根據(jù)發(fā)動機在不同工況下的冷卻需求自動調(diào)節(jié)，主要表現(xiàn)在兩個方面：①低溫環(huán)境下水泵持續(xù)運行，不能保證快速暖機的需求。②發(fā)動機低扭矩平穩(wěn)運轉(zhuǎn)過程中水溫較低時不能自動啟?？刂?，導(dǎo)致燃油經(jīng)濟性略差。國內(nèi)外很多機構(gòu)對發(fā)動機冷卻相關(guān)理論方法方面有諸多研究，并提出了高效率的發(fā)動機冷卻方案，如法雷奧公司1999年提出了智能熱調(diào)控電子調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)^[1]；天津大學(xué)楊鴻鑌對冷卻系統(tǒng)控制策略和控制效果進行了研究^[2]；吉林大學(xué)呂良建立冷卻系統(tǒng)傳熱動力學(xué)模型^[3]，并提出相關(guān)控制方法。但是，在應(yīng)用方面尚缺少低成本、穩(wěn)定可靠的成熟產(chǎn)品。

針對上述問題，設(shè)計了一種新型發(fā)動機自適應(yīng)控制水泵系統(tǒng)，冷卻水泵與發(fā)動機皮帶通過電磁離合器連接，采用自適應(yīng)算法控制水泵合理啟停，同時開發(fā)上位機測試軟件對發(fā)動機水溫及電磁開關(guān)狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并對歷史數(shù)據(jù)進行存儲和在線分析，可實現(xiàn)特殊環(huán)境下特種車輛的快速暖機，并在一定程度上提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。

1   系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)分為上位機部分及下位機部分：下位機實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集及對電磁離合器的控制等硬件功能；上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲、實時曲線及報表等軟件功能。該系統(tǒng)采用發(fā)動機自身的溫度傳感器，對發(fā)動機水溫信號進行精確監(jiān)測。水溫信號通過傳感器傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳遞給控制器。控制器由專用電源供電，寫入控制模塊的程序根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號發(fā)出不同指令，控制繼電器動作。繼電器直接控制水泵電磁離合器的動作，進而控制水泵的啟停。為了避免頻繁震蕩，電磁離合器動作后延時20 s，再次判斷水溫信號是否對離合器進行輸入信號控制。以水溫信號為基礎(chǔ)控制電磁離合器吸合，在該項目中分兩步進行，初期采用信號邏輯控制方式，當(dāng)溫度大于100 ℃，輸入高電平時，控制離合器吸合；溫度小于95 ℃，輸入低電平時，控制離合器分離，發(fā)動機暖機完成后，通過自適應(yīng)控制算法，實現(xiàn)水泵合理的啟停時間優(yōu)化，以達到降低油耗的目的。硬件系統(tǒng)控制模塊的程序同時輸出信號，通過RS485 模塊輸出到電腦中與上位機進行通信，硬件系統(tǒng)中控制溫度及延時時間長度可由上位機設(shè)定，采集發(fā)動機水溫信號的頻率可由上位機設(shè)定為：1 s、2 s、5 s、30 s、1 min、3 min。上位機主要采集水溫信號及輸出開關(guān)量信號，其功能為：實時顯示水溫信號及開關(guān)狀態(tài)信號；存儲水溫歷史數(shù)據(jù)、報表；實時曲線顯示、生成完整的系統(tǒng)日志文件。

2   硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由系統(tǒng)供電模塊、控制模塊、信號輸入模塊、串口通信模塊、繼電器輸出模塊等組成，如圖1 所示。

圖1 硬件系統(tǒng)組成

圖中：

1）電源模塊：12 V 轉(zhuǎn)為5 V 穩(wěn)壓電源。

2）控制模塊：工業(yè)級微處理器。

3）信號輸入：熱電阻溫度信號，經(jīng)信號調(diào)理與A/D

轉(zhuǎn)換后輸入MCU。

4）串口通信模塊：采用RS485 芯片，與上位機通信。

5）繼電器輸出模塊：采用車用75 A 繼電器模塊。

2.1 串口通信模塊

該系統(tǒng)與上位機的通信方式選擇RS485 有線通信，RS485 接口在總線上允許連接多達128 個接收器，RS485 接口采用平衡驅(qū)動器的差分接收器組合，抗共模干擾能力強。由于微控制器與RS485 的輸入、輸出電平不同，因此采用MAX485 芯片進行電平的轉(zhuǎn)換。為了增加模塊的抗干擾能力，電路中的電源端增加一個0.1 μF 無極性電容接地。

2.2 繼電器輸出模塊

本設(shè)計采用車用75 A 繼電器模塊作為控制開關(guān)，以水溫信號為基礎(chǔ)實現(xiàn)對電磁離合器吸合的控制。繼電器的信號輸出電路接在單片機的P2.1 口，在單片機懸空的I/O 口引腳上拉10 kΩ，減少噪聲等的干擾，單片機通過對溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)本身設(shè)定溫度進行比較，控制繼電器的吸合，進而控制水泵運轉(zhuǎn)。

圖2 繼電器信號輸出電路

3   上位機軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

3.1.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)初始化，等待系統(tǒng)初始化完成之后，調(diào)用溫度采集子程序，對發(fā)動機冷卻液溫度進行采集，然后調(diào)用開關(guān)量控制子程序，對采集到的溫度與設(shè)置好的溫度進行對比，輸出開關(guān)控制量。具體流程圖如圖3。

圖3 主程序流程框圖

3.1.2 開關(guān)量控制流程設(shè)計

開關(guān)量輸出主要功用是輸出繼電器控制信號，完成電磁離合器的吸合與分離，有效可靠底使執(zhí)行機構(gòu)工作，而且不受其他因素的影響。溫度采集電路和繼電器控制電路與RS485 總線相互完全隔離，與整個系統(tǒng)隔離。

3.2 數(shù)據(jù)通信

軟件設(shè)計中硬件系統(tǒng)與上位機數(shù)據(jù)通信采用中斷方式，其通信協(xié)議如下：

1）設(shè)定延時時間：$ST01XX!，延時時間設(shè)定成功返回：$SV01!，讀取延時時間：$RE01!，讀取延時時間返回：$RE01XX!，其中XX 為十六進制數(shù)據(jù)。

2）設(shè)定啟動溫度：$ST02XX!，設(shè)定成功返回：$SV02!，讀取啟動溫度：$RE02!，讀取啟動溫度返回：$RE02XX!。

3）讀取溫度指令：#RD01 ！，讀取開關(guān)量指令：#SW01 ！，收到溫度數(shù)據(jù)：#RD01XXX.X<n>，收到開關(guān)量數(shù)據(jù)：#SW01X<n>，其中XXX.X 表示十六進制數(shù)據(jù)，X 采用二進制，即0 為關(guān)，1 為開。

3.3 監(jiān)控中心客戶端軟件實現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件由模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)的，其主要功能包括串行口設(shè)置（設(shè)置、選擇串口、選擇通信波特率等參數(shù)，可進行通信測試）、系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)置、實時數(shù)據(jù)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)處理等。系統(tǒng)功能模塊如圖4 所示，實時數(shù)據(jù)曲線界面如圖5 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能模塊

圖5 實時數(shù)據(jù)曲線界面

4   結(jié)束語

新型自適應(yīng)水泵與發(fā)動機皮帶通過電磁離合器連接，該系統(tǒng)前期采用邏輯方式控制電磁離合器的吸合，完成發(fā)動機的暖機工作，之后通過自適應(yīng)控制算法，實現(xiàn)水泵合理的啟停時間優(yōu)化。自適應(yīng)水泵系統(tǒng)通過電磁離合器對水泵的控制實現(xiàn)極端環(huán)境下發(fā)動機的快速暖機；通過自適應(yīng)算法實現(xiàn)適時非持續(xù)運轉(zhuǎn)，提高發(fā)動機燃油經(jīng)濟性。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）