發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)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(guò)程控制、ITS。

教師評(píng)語(yǔ)：該論文總體不錯(cuò)，可以發(fā)表。

0   引言

當(dāng)前水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)傳動(dòng)皮帶進(jìn)行連接，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后與曲軸轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的冷卻需求自動(dòng)調(diào)節(jié)，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：①低溫環(huán)境下水泵持續(xù)運(yùn)行，不能保證快速暖機(jī)的需求。②發(fā)動(dòng)機(jī)低扭矩平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中水溫較低時(shí)不能自動(dòng)啟?？刂疲瑢?dǎo)致燃油經(jīng)濟(jì)性略差。國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)冷卻系統(tǒng)控制策略和控制效果進(jìn)行了研究^[2]；吉林大學(xué)呂良建立冷卻系統(tǒng)傳熱動(dòng)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(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)控制水泵系統(tǒng)，冷卻水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶通過(guò)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(shí)開(kāi)發(fā)上位機(jī)測(cè)試軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫及電磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和在線分析，可實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境下特種車輛的快速暖機(jī)，并在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

1   系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)分為上位機(jī)部分及下位機(jī)部分：下位機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集及對(duì)電磁離合器的控制等硬件功能；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)曲線及報(bào)表等軟件功能。該系統(tǒng)采用發(fā)動(dòng)機(jī)自身的溫度傳感器，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。水溫信號(hào)通過(guò)傳感器傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給控制器?？刂破饔蓪Ｓ秒娫垂╇?，寫入控制模塊的程序根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)出不同指令，控制繼電器動(dòng)作。繼電器直接控制水泵電磁離合器的動(dòng)作，進(jìn)而控制水泵的啟停。為了避免頻繁震蕩，電磁離合器動(dòng)作后延時(shí)20 s，再次判斷水溫信號(hào)是否對(duì)離合器進(jìn)行輸入信號(hào)控制。以水溫信號(hào)為基礎(chǔ)控制電磁離合器吸合，在該項(xiàng)目中分兩步進(jìn)行，初期采用信號(hào)邏輯控制方式，當(dāng)溫度大于100 ℃，輸入高電平時(shí)，控制離合器吸合；溫度小于95 ℃，輸入低電平時(shí)，控制離合器分離，發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)完成后，通過(guò)自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)水泵合理的啟停時(shí)間優(yōu)化，以達(dá)到降低油耗的目的。硬件系統(tǒng)控制模塊的程序同時(shí)輸出信號(hào)，通過(guò)RS485 模塊輸出到電腦中與上位機(jī)進(jìn)行通信，硬件系統(tǒng)中控制溫度及延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度可由上位機(jī)設(shè)定，采集發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)的頻率可由上位機(jī)設(shè)定為：1 s、2 s、5 s、30 s、1 min、3 min。上位機(jī)主要采集水溫信號(hào)及輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，其功能為：實(shí)時(shí)顯示水溫信號(hào)及開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)；存儲(chǔ)水溫歷史數(shù)據(jù)、報(bào)表；實(shí)時(shí)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(jì)

系統(tǒng)硬件主要由系統(tǒng)供電模塊、控制模塊、信號(hào)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(jí)微處理器。

3）信號(hào)輸入：熱電阻溫度信號(hào)，經(jīng)信號(hào)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(jī)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(jī)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(dá)128 個(gè)接收器，RS485 接口采用平衡驅(qū)動(dòng)器的差分接收器組合，抗共模干擾能力強(qiáng)。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(jìn)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(gè)0.1 μF 無(wú)極性電容接地。

2.2 繼電器輸出模塊

本設(shè)計(jì)采用車用75 A 繼電器模塊作為控制開(kāi)關(guān)，以水溫信號(hào)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁離合器吸合的控制。繼電器的信號(hào)輸出電路接在單片機(jī)的P2.1 口，在單片機(jī)懸空的I/O 口引腳上拉10 kΩ，減少噪聲等的干擾，單片機(jī)通過(guò)對(duì)溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)本身設(shè)定溫度進(jìn)行比較，控制繼電器的吸合，進(jìn)而控制水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 繼電器信號(hào)輸出電路

3   上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

3.1.1 主程序設(shè)計(jì)

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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度進(jìn)行采集，然后調(diào)用開(kāi)關(guān)量控制子程序，對(duì)采集到的溫度與設(shè)置好的溫度進(jìn)行對(duì)比，輸出開(kāi)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(kāi)關(guān)量控制流程設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量輸出主要功用是輸出繼電器控制信號(hào)，完成電磁離合器的吸合與分離，有效可靠底使執(zhí)行機(jī)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(gè)系統(tǒng)隔離。

3.2 數(shù)據(jù)通信

軟件設(shè)計(jì)中硬件系統(tǒng)與上位機(jī)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(shí)時(shí)間：$ST01XX!，延時(shí)時(shí)間設(shè)定成功返回：$SV01!，讀取延時(shí)時(shí)間：$RE01!，讀取延時(shí)時(shí)間返回：$RE01XX!，其中XX 為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。

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

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

3.3 監(jiān)控中心客戶端軟件實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控中心軟件由模塊化設(shè)計(jì)方法實(shí)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(jìn)行通信測(cè)試）、系統(tǒng)標(biāo)定設(shè)置、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線界面

4   結(jié)束語(yǔ)

新型自適應(yīng)水泵與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶通過(guò)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(dòng)機(jī)的暖機(jī)工作，之后通過(guò)自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)水泵合理的啟停時(shí)間優(yōu)化。自適應(yīng)水泵系統(tǒng)通過(guò)電磁離合器對(duì)水泵的控制實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)的快速暖機(jī)；通過(guò)自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)適時(shí)非持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）