毕业设计（论文）-柴油发动机高压共轨系统用喷油阀驱动特性研究.doc

沈阳化工大学学士学位论文 摘要本科毕业论文题 目：柴油发动机高压共轨系统用喷油阀驱动特性研究院 系： 信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 0901 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期：2012 年 06 月 25 日论文答辩日期：2012 年 06 月 26 日摘要毕业设计题目为柴油发动高压共轨系统用喷油阀驱动特性研究，其题目性质为科学技术研究。题目类型为毕业论文，题目内容为1)利用双电源技术、功率器件门极驱动技术，实现柴油发动高压共轨用喷油阀控制系统； 2)采用单片机及相关驱动电路完成柴油发动高压共轨用喷油阀控制系统设计； 3)为柴油发动高压共轨用喷油阀控制系统的实用化做必要的前期研究工作。其基本任务为1)在了解喷油电磁阀驱动要求、特点及提高喷油电磁阀驱动性能基本方法的基础上，完成柴油发动高压共轨用喷油阀控制系统的硬件及软件设计、各功能块程序设计及程序编制； 2)利用单片机专用软件开发系统完成系统硬件及各功能块的软件设计和功能调试；3)通过柴油发动高压共轨用喷油阀控制系统的性能测试实验结果，验证控制系统设计的正确性及实用性。随着排放法规的日益严格和柴油机电控燃油喷射技术的发展，高压共轨柴油机以其显著的优越性，已成为现代车用柴油机发展的趋势之一。电控高压共轨燃油喷射系统能够实现比较复杂的喷射要求，这需要优化高速电磁阀驱动技术来提高喷油器的响应性，本文的研究工作有着重大的实际意义。 本文完成了喷射驱动控制部分的硬件电路及控制软件的设计，并进行了实验研究。 硬件电路设计方面，根据本文控制对象的特点，本文采用了高低压双电源PWM驱动电路方案，采用仿真和计算相结合的方法，进行了高压源的升压电路以及驱动主体电路的参数研究，完成了单片机单元、信号处理、电源模块和功率驱动这四部分电路的设计。其中高压源的升压电路中设计了Boost变换器，并对其进行了详细的仿真研究。 控制软件方面，本文采用C51单片机，编程实现了控制，完成了驱动电路控制信号的精确输出控制。 本文最后进行了初步实验，实验结果表明本文所设计的软件功能和驱动电路基本都能满足控制要求，对电磁阀开启速度有着明显关键字：高压共轨系统； 喷油阀；双电源技术；控制系统；单片机。沈阳化工大学学士学位论文 AbstractAbstractThe graduation design topic is diesel engine high-pressure fuel injection valve driving characteristics of common rail system, the subject of science and technology. The type of questions for the graduation thesis, subject content1) driving technique using dual power technology, power device gate, realize the diesel engine high-pressure common rail injection valve control system;2) using SCM and related driving circuit to complete the diesel engine high-pressure common rail fuel injection valve control system design;3) for diesel engine high-pressure common rail to do preliminary research work needed for fuel injection valve control system.The basic task for1) based on understanding injection solenoid valve drive requirements, characteristics and improve the injector solenoid valve drive performance basic method, complete the diesel engine high-pressure common rail in hardware and software design, injection valve control system each function block programming and programming;2) completed the system hardware and software design of each functional block and function debugging using special software exploitation system;3) by diesel engine high-pressure common rail fuel injection valve control system with the result of performance test, the correctness and practicability of the design of the control system.With the increasingly strict emission regulation and development of diesel engine electronic fuel injection technology, high pressure common rail diesel engine for its remarkable advantages, has become one of the diesel engine for the development of modern car trend. Fuel injection system can meet the complex requirements of electronically controlled high pressure common rail injection, it needs to optimize the solenoid valve to improve the response of the injector drive technology, has great practical significance in this research. This paper completes the design of hardware circuit and control software control part of the jet, and the experimental study was carried out. The hardware circuit design, according to the characteristics of the control object, this paper adopts the high and low voltage double power PWM driver circuit, use combine with simulation and calculation method, the boost circuit of high voltage source and parameters of the main circuit of the drive, the microcontroller unit, signal processing, power supply module and a power driving the four part circuit design. The boost circuit of high voltage source in the design of Boost converter, and has carried on the detailed simulation studies. The control software, this paper adopts C51 SCM, programming control, complete the precise drive circuit of output control signal control. Finally, the preliminary experiment is carried out, the experimental results show that the design of the software function and the driving circuit can meet the control requirements, the electromagnetic valve opening speed has obvious;新!为您提供类似表述，查看示例用法： Keywords: high pressure common rail system; fuel injection valve; dual power supply technology; control system; microcontroller. 沈阳化工大学学士学位论文 目录目 录引言1第一章 柴油发动高压共轨系统的简介21.1柴油发动高压共轨系统结构及原理21.2主要生产商21.3应用背景31.4发展前景31.5柴油发动高压共轨系统的优点及其发展3本章总结：4第二章 柴油发动高压共轨系统的组成与喷油阀驱动的关系52.1柴油发动高压共轨系统用喷油阀驱动方式的比较5本章总结：6第三章 驱动控制电路的设计73.1驱动控制电路的意义及控制要求73.2双电压式驱动的构成73.3升压电路的意义7本章总结:9第四章DC-DC升压电路的设计104.1设计要求及其条件104.2 设计分析104.3 DC-DC升压变换器主回路设计与参数的计算124.4DC-DC升压电路的仿真15本章总结：16第五章 控制电路的设计与仿真175.1控制电路的原理及其分析175.2光耦的联接与实际电路的联接185.3驱动控制电路的仿真21本章总结29第六章 双电源驱动系统的试验验证30第七章 结论33致谢34参考文献35ii沈阳化工大学学士学位论文 引言引言柴油机由于具有经济性、耐久性优良和排放低的优点,因此在21世纪作为交通运输领域主要动力的地位将继续保持下去,但其发展受到了颗粒排放高、噪声排放大等因素的挑战。面对世界各国日益严格的排放法规,柴油机除了应降低机油消耗、优化涡轮增压系统和发展先进的排气后处理系统外,还须进一步改善燃烧过程。而且目前看来,柴油机降低排放的对策主要是改善燃烧柴油机的富余氧气较多,排气后处理难以使用三元催化剂,另外提高后处理装置的可靠性和耐久性难度也很大。而喷油系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键因素。一个理想的喷油系统应具有如下性能高喷油压力且值大小可根据工需求灵活调整精确而灵活地控制喷油定时和喷油率的优化控制与整机匹配灵活实现以上柔性控制功能是燃油喷射系统发展的必然趋势高压共轨喷油系统正是顺应以上需求而诞生,且已得到了很大发展。它被世界内燃机行业公认为世纪三大突破之一另外两项是汽油直喷技术和代用燃料38沈阳化工大学学士学位论文 第一章 控制系统的工艺要求及其分析第一章 柴油发动高压共轨系统的简介1.1柴油发动高压共轨系统结构及原理高压共轨系统利用较大容积的共轨腔将油泵输出的高压燃油蓄积起来，并消除燃油中的压力波动，然后再输送给每个喷油器，通过控制喷油器上的电磁阀实现喷射的开始和终止。其主要特点可以概括如下：共轨腔内的高压直接用于喷射，可以省去喷油器内的增压机构；而且共轨腔内是持续高压，高压油泵所需的驱动力矩比传统油泵小得多。通过高压油泵上的压力调节电磁阀，可以根据发动机负荷状况以及经济性和排放性的要求对共轨 腔内的油压进行灵活调节，尤其优化了发动机的低速性能。通过喷油器上的电磁阀控制喷射定时，喷射油量以及喷射速率，还可以灵活调节不同工况下预喷射和后喷射的喷射油量以及与主喷射的间隔。高压共轨系统由五个部分组成，即高压油泵、共轨腔及高压油管、喷油器、电控单元、各类传感器和执行器。供油泵从油箱将燃油泵入高压油泵的进油口，由发动机驱动的高压油泵将燃油增压后送入共轨腔内，再由电磁阀控制各缸喷油器在相应时刻喷油。预喷射在主喷射之前，将小部分燃油喷入气缸，在缸内发生预混合或者部分燃烧，缩短主喷射的着火延迟期。这样缸内压力升高率和峰值压力都会下降，发动机工作比较缓和，同时缸内温度降低使得NOx排放减小。预喷射还可以降低失火的可能性，改善高压共轨系统的冷起动性能。主喷射初期降低喷射速率，也可以减少着火延迟期内喷入气缸内的油量。提高主喷射中期的喷射速率，可以缩短喷射时间从而缩短缓燃期，使燃烧在发动机更有效的曲轴转角范围内完成，提高输出功率，减少燃油消耗，降低碳烟排放。主喷射末期快速断油可以减少不完全燃烧的燃油，降低烟度和碳氢排放。1.2主要生产商目前世界上主要有三大公司在研发和生产柴油机高压共轨系统，日本电装、德国博世和美国德尔福。共轨系统将燃油压力产生和燃油喷射分离开来，如果把单体泵柴油喷射技术比做柴油技术的革命的话，那共轨就可以称作反叛了，因为它背离了传统的柴油系统而近似于顺序汽油喷射系统。共轨系统开辟了降低柴油发动机排放和噪音的新途径 。 由于其强大的技术潜力，今天各制造商已经把目光定在了共轨系统第3代压电式(piezo)共轨系统，压电执行器代替了电磁阀，于是得到了更加精确的喷射控制。没有了回油管，在结构上更简单。压力从2002000帕弹性调节。最小喷射量可控制在0.5mm3，减小了烟度和NOX的排放。1.3应用背景日趋严重的能源危机，成为全世界内燃机行业关注的焦点，也使柴油机越来越受到用户青睐。与汽油机相比柴油机有很多优势：能减少20%25%的CO2废气排放，车速较低时的加速性能更有优势，平均燃油消耗低25%30%，能提供更多的驾驶乐趣。因此，有人大胆对全球汽车产量中柴油机的发展趋势进行了预测，并按区域划分世界汽车产量中的柴油机比例。但是，与汽油机相比，柴油机的排放控制又是一个难点。为满足排放标准，柴油机先进的燃油喷射系统高压共轨技术成为业内人士关注的焦点。前些年，高压共轨技术是外资一统天下，现在这种局面被打破了。排放标准的提升必然推动发动机技术的发展 。1.4发展前景2005年12月30日，北京率先实施国排放标准。2006年7月31日，上海公交、出租车行业新车实施国排放标准。2006年9月1日，广州开始实施国排放标准。今年7月1日全国将全面实施国排放标准。到2010年，全国将实施国排放标准。 排放标准的提升，必然推动发动机技术的发展。对于汽油发动机，由于技术相对成熟且有后处理，因此满足目前排放标准难度不大。对于柴油发动机，由于目前大部分还是机械式燃油系统，且柴油机直喷技术发展历程较短，因而为满足排放标准要求必须重新设计发动机。我国目前大部分采用引进技术来满足现阶段排放标准（国），但也有部分企业在进行自主研发，如中国一汽无锡油泵油嘴研究所、成都威特等。在更严格排放标准要求下，除电控燃油系统外，发动机整机也引进了许多新技术。世界著名的汽车研发机构Ricardo公司推荐在各排放阶段的发动机技术要求，从中可见共轨系统由于其独特的优势，是最具继承性和可持续发展的燃油喷射系统之一。 高压共轨系统在国外已得到普遍应用 柴油燃油喷射系统从机械控制式发展到电子控制式系统后，电子喷射系统又经历了三次变革，即位置式燃油喷射系统、时间式燃油喷射系统和时间压力式燃油喷射系统（共轨系统）。高压共轨系统实现了压力建立和喷射过程的分离，从而使控制过程更具有柔性，能更准确地实现小油量的精确控制，更好地实现多次喷射。 1.5柴油发动高压共轨系统的优点及其发展共轨式喷油系统于二十世纪 90 年代中后期才正式进入实用化阶段。高压共轨系统可实现在传统喷油系统中无法实现的功能，其优点有：a、共轨系统中的喷油压力柔性可调，对不同工况可确定所需的最佳喷射压力，从而优化柴油机综合性能。b、可独立地柔性控制喷油正时，配合高的喷射压力（ 120Mpa200MPa ），可同时控制 NOx 和微粒（ PM ）在较小的数值内，以满足排放要求。c、柔性控制喷油速率变化，实现理想喷油规律，容易实现预喷射和多次喷射，既可降低柴油机 NOx ，又能保证优良的动力性和经济性。d、由电磁阀控制喷油，其控制精度较高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，因此在柴油机运转范围内，循环喷油量变动小，各缸供油不均匀可得到改善，从而减轻柴油机的振动和降低排放。由于高压共轨系统具有以上的优点，现在国内外柴油机的研究机构均投入了很大的精力对其进行研究。比较成熟的系统有：德国 ROBERT BOSCH 公司的 CR 系统、日本电装公司的 ECD-U2 系统、意大利的 FIAT 集团的 unijet 系统、英国的 DELPHI DIESEL SYSTEMS 公司的 LDCR 系统等。本章总结：在论文的开始首先了解了柴油机高压共轨系统的相关内容，明确了一些基本概念。为后文的论述加以铺垫。第二章 柴油发动高压共轨系统的组成与喷油阀驱动的关系柴油发动高压共轨系统有1.高压油泵2.高压共轨管3.电控喷油器4.高压油管四部分组成。在高压共轨柴油机系统中，喷油器中的电磁阀是最为核心的部件，通过对电磁阀开启时刻的控制来实现对发动机的喷油正时的控制 。通过电磁阀通电时间（即喷油脉宽 ）决定喷油量。喷油正时和喷油量控制精度除了和喷油器电磁阀本身的特性参数有关外 ，还与其驱动电路的设计有关 。驱动电路的形式一般采用电流驱动方式 ， 该方式利用电流调节电路实现驱动电流的波形控制。2.1柴油发动高压共轨系统用喷油阀驱动方式的比较2.1.1PWM式驱动方法共轨喷油器电磁阀的一种现有PWM式驱动电路. 该驱动电路主要由一个高位功率管和一个低位功率管组成. 其中, 二极管用来实现喷射过程结束后电磁阀能量的泄流. 整个喷射过程主要可分为电磁阀启动过程和保持过程两个阶段. 启动过程促使电磁阀尽快开启, 保持过程则维持电磁阀的开启. 电磁阀的开启持续时间的长短决定了喷油量的多少. 该驱动电路采用单电源系统, 在电磁阀启动过程中采用恒定电源电压驱动, 在保持过程中采用了PWM调制实现保持电流。PWM式驱动方法的驱动波形较复杂, PWM信号的开始时刻和关闭时刻难以控制, 频率及占空比不易确定. 该驱动方法需要微控制器参与PWM信号的产生和调节, 增加了微控制器的负荷, 且PWM高频信号会对电路产生电磁干扰, 使电路不稳定因素增加.实际上, PWM调制电压的目的在于保持电流恒定, 在较短的喷油时间内恒定的电压也可实现电流恒定. 因此对喷油器来说, 在电磁阀保持阶段可取消PWM调制电压, 采用恒定的低压来保持电流恒定.2.1.2双电压式驱动方法双电压式驱动方法在电磁阀工作过程中的不同阶段分别给电磁阀加载大小不同的两种恒定工作电压, 以提供较大的启动电流和较小的维持电流来调节电压的方式调制电流.从功能上它可分为两个部分: 驱动电压产生电路和控制电路. 驱动电压产生电路产生高压和中压两种电压, 并使其保持稳定, 以避免蓄电池电压变化影响到电磁阀驱动电压; 控制电路控制两种电压在电磁阀上的开启和关闭, 以形成理想电流波形. 电磁阀的驱动过程由软件来实现.2.1.3两种驱动方式的比较分析1.的电磁阀驱动方法为脉宽调制式, 该方法通过改变PWM信号占空比(正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值)的方式调节保持电流大小, 软件实现比较复杂且占用较多的ECU资源。2.压式驱动方法使用两种功率不同的电压驱动电磁阀, 用调节电压的方式调制电流, 硬件和软件实现都比较简单。本文将分析设计双电压式驱动电路及驱动程序, 并进行电磁阀驱动的相关仿真和实验。本章总结：在开始论文的设计前明确了研究的大致方向，通过对两种驱动方式的分析，确定了使用双电源方式的驱动方式进行研究。沈阳化工大学学士学位论文 第三章 控制系统下位机程序设计第三章 驱动控制电路的设计3.1驱动控制电路的意义及控制要求电控喷油器功能的实现离不开喷油器电磁阀的快速响应 。电磁阀理想的驱动特性是在需衔铁吸合时应对电磁阀线圈尽快的注 入 峰值电流，使其迅速吸合；一旦吸合后，因磁路中气隙减小，磁阻降低，电磁阀仅需较小的电流就可以可靠的维持吸合；在释放时，为减少电磁阀释放延时应尽快切断驱动电流。驱动控制电路的要求：1.加快电磁阀的响应速度（升压）2.减少电源能耗（低压PWM调制）3.减少电磁阀的热损耗（限流）4.提高可靠性（PWM调制 反馈）本设计驱动指标及相关参数:高压电压30V；低压电压15V；峰值电流2A；保持电流1A。电磁阀参数：27mH；6欧3.2双电压式驱动的构成电磁阀双电源驱动大体分为硬件电路和驱动程序。硬件电路有电压产生电路和控制电路组成。驱动电路中的电压产生电路通过DC-DC升压电路产生所需要的高电压，控制电路负责高电压和低电压的切换与开启。驱动程序通过PWM调制实现电流波形在低压段的控制。3.3升压电路的意义电磁阀的动态响应特性直接影响着整个系统的主要性能指标。由于共轨式燃油喷射系统每次喷射的时间很短,电磁铁必须能在很短的时间内产生很强的吸力来克服复位弹簧的拉力,电磁阀的快速响应特性为实现最小喷油量和预喷射提供了系统硬件保证。由公式 ( F为电磁吸引力; K为常数; I 为线圈电流; W为线圈匝数;S为铁芯截面积;为气隙大小)可知,电磁吸力与电磁阀线圈中的电流的平方成正比,要使电磁铁产生足够的吸力必须加大线圈中的电流。而要使线圈电流在短时间内迅速增大,就要求为一个较大的数值。因为电磁线圈在电路形式上为一个几欧的电阻R和一个几毫亨的电感L的串连,当施加外电压U时,线圈中的电流变化规律满足电压平衡方程。在电磁阀结构参数一定的情况下,尽可能提高驱动能量输入,即增大外加电压U值,可以得到较高的,实现电磁阀的快速开启。但大电流通过线圈必然会造成发热现象,为了避免电磁阀线圈过热,当阀门开启后应迅速磁力克服复位弹簧拉力之后,只需要较小的吸力就将线圈电流下降到一个较小的数值。因为在电磁铁可以维持阀门开启状态,这样既减小功耗,还便于及时关闭电磁阀,实现快速停油, 此时的电流称为维持电流。式中IP为电磁阀线圈的峰值电流;R为电磁阀线圈的铜阻;TP为达到最大峰值的持续时间; IS 为电磁阀开启后维持电流的大小; TS 为维持电流持续时间;TD为喷油循环工作周期。由公式分析可知,电磁阀开启阶段消耗的功率占较大比例,若使用单一大电流,线圈功耗将很大，而分段工作方式节省功率,并且随着电流维持阶段所占比例的增大,会产生更少的功率损耗。本章总结:说明了驱动控制电路的意义及控制要求，给出了一些相关的参数。阐明了双电压式驱动的构成，以及升压电路的意义，并从功耗的角度进行了分析。第四章DC-DC升压电路的设计4.1设计要求及其条件1.电压15V；2.电压30V：3.1V-2V；4.20KHZ；5.电流2A4.2 设计分析4.2.1DC-DC升压变换器的工作原理 DC-DC 功率变换器的种类很多。按照输入输出电路是否隔分，可分为非隔离型和隔离型两大类。非隔离型的DC-DC变换可分为降压式、升压式、极性反转式等几种；隔离型的DC-DC器又可分为单端正激式、单端反激式、双端半桥、双端全桥等下面主要讨论非隔离型升压式DC-DC变换器的工作原理。图1（a）是升压式DC-DC变换器的主电路，它主要由功率开关管VT、储能电感L、滤波电容C和续流二极管VD组成。路的工作原理是：当控制信号Vi 为高电平时，开关管VT导通，能量从输入电源流入，储存于电感L中，由于VT导通时其饱和压降很小，所以二极管D反偏而截止，此时存储在滤波电容C中的能量释放给负载。当控制信号Vi 为低电平时，开关管VT截止，由于电感L中的电流不能突变，它所产生的感应电势将阻止电流的减小，感应电势的极性是左负右正，使二极管D导通，此时存储在电感L中的能量经二极管D对滤波电容C充电，同时提供给负载。电路各点的工作波形如图1（b）。4.2.2DC-DC升压变换器输入、输出电压的关系假定储能电感L充电回路的电阻很小，即时间常数很大，当开关管VT导通时，忽略管子的导通压降，通过电感L的电流近似是线性增加的。即：其中是流过储能电感电流的最小值。在开关管VT导通结束时，流过电感L的电流为：,的增量为。在开关管VT关断时，续流二极管D导通，储能电感L两端的电压为 ， 所以流过储能电感L的电流为：，当开关管VT截止结束时，流过电感L的电流为：，的减少量为。在电路进入稳态后，储能电感L中的电流在开关管导通期间的增量应等于在开关管截止期间的减量，即 ，所 以其中。可见改变占空比大小，就可以获得所需要的电压值,由于占空比总是小于1，所以输出电压总是大于输入电压。4.3 DC-DC升压变换器主回路设计与参数的计算该升压电路结构选择图1所示的电路。该变换电路设计主要是确定关键元件：输出滤波电容C、电感L、开关管VT和二极管D。4.3.1 输出滤波电容的选择假如输出滤波电容必须在导通的期间供给全部负载电流，设在期间上的电压降,为要求的纹波电压。则,又因为，所以，选择开关频率等于20KHz，在本设计给定的条件及要求下，计算输出滤波电容的值为：50F，实际选择100F/50V的电容。4.3.2 储能电感的选择根据电路的工作波形，电感电流包括直流平均值和纹波分量两部分。假若忽略电路内部损耗，则变换器的输出能量和变换器的输入能量相等，即，所以，即从电源取出的平均电流也就是流入电感的平均电流。电感电流的纹波分量是三角波，在期间，电流的增量为 ; 在期 间， 电 流 将 下 降， 其 减 少 量 为;在稳态下， 。在选择时，一般要求电感的峰值电流不大于其最大平均电流的20%，以免使电感饱和；同时流过电感中的电流最小值也应大于或等于零。实际设计时，选择电感电流的增量 所以;在开关频率选择20kHz和给定的条件及要求下，计算电感量为67H，实际选择100H/2A的电感。电感可以买成品也可自己绕制。4.3.3 开关管的选择开关管在电路中承受的最大电压是，考虑到输入电压波动和电感的反峰尖刺电压的影响，所以开关管的最大电压应满足。实际在选定开关管时，管子的最大允许工作电压值还应留有充分的余地，开关管的最大允许工作电流，一般选择。开关管的选择，主要考虑开关管驱动电路要简单、开关频率要高、导通电阻要小等。本设计选择沟道功率场效应管，该器件的VDSM=55V，导通电阻仅为8m.，IDM=110A，完全满足设计要求。4.3.4 续流二极管的选择在电路中二极管最大反向电压为，流过的电流是输入电流，所以在选择二极管时，管子的额定电压和额定电流都要留有充分大的余地。另外选择续流二极管时还要求导通电阻要小，开关频率要高，一般要选用肖特基二极管和快恢复二极管。本设计选用MBR10100CT，其最大方向工作电压为100V，最大正向工作电流为10A，完全满足设计要求。4.4DC-DC升压电路的仿真DC-DC升压电路的仿真要运用MATLAD中的SIMULINK仿真软件。软件的相关介绍和各项功能的应用在此不做过多的介绍，读者可以参考相关书籍。电力系统模块库是专用于电力电子、电气控制系统和电力系统仿真的模块库。包括：1.电源库2.元件库3.电机库4.电力电子库5.测量库6.相量库7.应用库8.附加库电路在仿真软件中搭建如下图：其中电感L由串联RLC元件设置得到；电容C和电阻R（电磁阀线圈的电阻）由并联RLC设置得到。（设置通过双击模块，修改设置选项）。将计算所得道德各个电路元件的相关参数对其对应的仿真元件进行参数设置，设置时间start time 0；stope time 0.05.设置运行模式为ode23tb（stiffTR-BDF2）.点击窗口上方的运行键，运行仿真，等待运行完毕后，用鼠标双击示波器模块。弹出示波器框图（可右键单击进行设置坐标范围），从而获得电路所需要的相关波形。但是其波形并不符合预想的标准，因此调整个援建的设置参数和输入信号占空比。对所获得的波形进行调整，并使其更加理想。在获得相对理想的波形后保留波形图，并记录相关数据。此时占空比为95%，其波形如下图：DC-DC升压电路在SIMULINK仿真软件中电路运行仿真得出的波形图，由上倒下与电路图一一对应。本章总结：就此DC-DC升压电路部分的设计、参数计算和simulink软件下的仿真就基本完成了，整理所需要的相关数据与图像。接下来将完成的是控制电路部分的设计、相关参数的测定、simulink软件下的仿真、单片机程序的编写、实物电路的搭建和整体试验的进行。沈阳化工大学学士学位论文 第四章 控制系统上位机程序设计第五章 控制电路的设计与仿真5.1控制电路的原理及其分析控制电路部分是由使用C51单片机通过程序的编写并运行完成两路控制信号的输出，输出信号经过电阻和光耦作用于MOSFET管，通过对MOSFET管的通断控制来实现对电路的控制（1.完成高电压与低电压之间的快速切换；2.完成在电磁阀在低电压状态下的PWM脉宽调制）下图为驱动控制电路的大体结构图：如图所示，其工作流程为：1.控制信号P1处于高电平经光耦后使MOSFET管1导通，高电压源接入电路（高低电压源之间联的二极管起防止高压倒灌的作用）控制信号P2处于高电平经光耦使MOSFET管2导通，电磁阀在高电压下电流迅速上升已达到快速开启的目的。2.控制信号P1变为低电平经光耦是MOSFET管1关断。高电压源切出，低电压源接入电路。控制信号P2以Pa段波形对电流进行PWM脉宽调制。使电磁阀中的电流在峰值部分（2A）保持一段时间，从而使电磁阀开启更加充分。接着控制信号在一段时间内保持低电平，使电磁阀中的电流从峰值回落到保持电流（1A）。然后再以Pb段波形对电流进行一段时间的PWM脉宽调制。使电磁阀在维持电流下保持开启状态。最后控制信号P2处于低电平，MOSFET管关断，切断电磁阀供电，电流迅速下降到0A，电磁阀迅速完成关闭动作。就此完成一个完整的电磁阀控制工作周期。下图为控制信号P1与控制信号P2的波形的大体形状：5.2光耦的联接与实际电路的联接本文中使用的光耦为TLP250，其作用为放大信号抗干扰防漂移。光耦的结构如下图TLP250光耦：输入阀值电流IF=5mA（max）电源电流Icc=11mA（max）；电源电压Vcc=10-35V；输出电流Io=0.5A（min）；开关时间0.5微秒（max）可直接驱动小功率MOSFET管，提高PWM脉宽调制的可靠性，隔离内部，待图腾柱驱动快。下图为光耦在实际电路里的引脚连接方法： 控制电路实际搭建按照如下图：控制电路在完成选件和电路的搭建连接后，硬件部分的工作就基本完成了。接下来是电路的仿真部分。5.3驱动控制电路的仿真电路的仿真的目的在于获得控制信号P1和P2的波形及其相关参数，以及对电路的可行性加以验证。下图为驱动控制电路在仿真中的图像：下图为电磁阀电流理想波形的大致样子：沈阳化工大学学士学位论文 结束语5.3.1利用仿真求控制信号的相关参数控制信号P1与控制信号P2的波形的获得方法都是通过仿真的手段来实现的。下图为其仿真的电路：1.控制信号P1的仿真：首先对仿真中的直流电源设置为30V。给MOSFET管一个高电平使其导通得到下图：因为纹波为0.1A所以峰值取2.1A。找到电流升到2.1A所对应的时间为2.4431毫秒，此时间便是控制信号P1电平变换时间。2.控制信号P2为5个波合成的，设期分别为P3,P4,P5,P6,P7。下面分别对其仿真。P3和P1波形和数据一样。30V求P4和P5的相关数据（P4，P5基准电压相反，开始时加点不同，其他参数相同）：接入P1运行仿真得到图像如下图：查找1.9A对应的时间2.9025毫秒将其输入下一个添加的波重复3次得到下图：如此重复找出4个拐点对应的时间分别为：12.4431毫秒2. 2.9025毫秒3. 3.2071毫秒4. 3.6685毫秒用相同方法求电源电压15V下的4个数据：1. 2.5824毫秒2. 3.4234毫秒3. 4.0185毫秒4. 4.8707毫秒由图可以看出24是一个周期，这可算出P4P5的周期为0.766毫秒占空比约为40%；P6P7的周期为1.4473毫秒占空比约为41%设计给定第一次PWM脉宽调制段时间10毫秒第二段PWM脉宽调制时间15毫秒。经数学计算和仿真调整确定，P4启动时间为2.4434毫秒P5启动时间为12.4014毫秒。下图为波形图：根据所得到的电流波形图确定P6的开启时间，并通过计算和仿真调节的方法确定P7的开启时间。下图为电流的波形图：沈阳化工大学学士学位论文 参考文献看电流值下降到1.1A时对应时间，从而确定P6的开启时间为15.2毫秒；则P7的开启时间经调节确定为31.1203毫秒。就此控制信号P1和控制信号P2的相关数据获取完毕。将控制信号P1和控制信号P2按上述数据设置运行仿真，得到波形并不十分理想通过调整将占空比分别改为82%和41%。就此得到比较理想的电流波形图如下图：下图为孔子信号的波形：本章总结经过驱动控制电路的仿真研究，熟练了仿真的使用，确定了控制信号的相关参数。通过仿真同时也验证了本设计方案具有可行性。沈阳化工大学学士学位论文 附录第六章 双电源驱动系统的试验验证将一边写好的单片机程序下载到单片机中，按顺序连接好各个电源，电磁阀和示波器。在检查没有短路和断路的条件下，一部分一部分的加载电压，对各部分的功能进行验证。确定电路无误，个电路元件均能正常工作后，将电路完整的联接运行起来。通过示波器观察电流的波形变化，做进一步的调整，知道获得理想的电流波形。下图为试验获得的波形图和试验的现场照片：单片机程序：#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit D1=P12;sbit D2=P11;uint i;/void delay();void delay100us(uint z);void main()D1=1;D2=1;delay100us(50000);while(1)D1