摘 要

发动机的功率大小与其排量密切相关，在发动机体积及排量相同时，提高发动机功率的方法中最有效的是提高进气量以及增加燃料。废气涡轮增压是目前最有效的提高发动机功率的方法之一。而增压压力限压阀的作用是在进气管上安装一个阀门来控制压力的增幅。限压阀的开闭状态由ECU控制，ECU根据涡轮出气口处的压力大小来判断，当压力过高或过低时，就会对其控制的电感进行通电或断电操作，来开启或关闭限压阀。因此ECU能保证在阀门开启时能将多余的气体排出以减缓进气管气压，保护发动机进气管道，在限压阀关闭时提高进气管内的气压来维持进气。因此，限压阀的电感参数对阀体响应动态特性有着重要影响。

本文设计了一种电感参数自动测试系统，实现了数据的采样、传输及处理功能。设计分为以下几个部分：1）采样模块，包括电压采样模块和电流采样模块，其中由于本次设计中电压信号很小，需要放大处理，本文采用差分放大电路，能在放大信号的同时抑制共模噪声，电流采样模块使用51单片机进行控制，霍尔电流传感器采样；AD转换部分设计了4位逐次逼近型ADC，其中D触发器选用74LS74芯片，DA转换选用DAC0832芯片；2）数据处理模块，使用mtalab把采样数据绘制成曲线以直观地展示出来。由于时间和硬件设施的限制，本次设计硬件采用仿真软件进行仿真，采样参数使用模拟数据，通过单片机的按键界面传输数据至PC端进行数据处理。因此，在单片机模块中添加了按键输入代码以及按键消抖的功能。

关键词：汽车发动机；废气涡轮增压；增压压力限压阀

Abstract

The power of an engine is closely related to its displacement. When the volume and displacement of the engine are the same, the most effective way to improve the engine power is to increase the intake volume and to increase the fuel. Exhaust gas turbocharging is currently one of the most effective ways to improve engine power. The function of the booster pressure limiting valve is to install a valve on the intake pipe to control the increase of pressure. The opening and closing state of the pressure limiting valve is controlled by the ECU, and the ECU is judged according to the pressure size at the outlet of the turbine. When the pressure is too high or too low, the inductance of the control will be operated on or off to open or close the pressure limiting valve. Therefore, ECU can ensure that when the valve is opened, the excess gas can be discharged to slow down the air inlet pipe pressure, protect the engine intake pipe, and increase the air pressure in the intake pipe to maintain the intake air when the pressure limiting valve is closed. Therefore, the inductance parameters of the pressure limiting valve have an important influence on the dynamic response of the valve body.

In this paper, an inductance parameter automatic test system is designed, and the functions of data sampling, transmission and processing are realized. The design is divided into the following parts: 1) sampling module, including voltage sampling module and current sampling module. In this design, the voltage signal is very small and need to be amplified. This paper uses a differential amplifier to suppress the common mode noise while amplifying the signal, and the current sampling module uses 51 single-chip microcomputer for control. The Holzer current sensor sampling; the AD conversion part designs 4 bit successive approximation ADC, in which the D flip-flop selects the 74LS74 chip, the DA conversion selects the DAC0832 chip; the 2) the data processing module, and uses the Mtalab to draw the sample data into the curve to display intuitively. Due to the limitation of time and hardware, the design hardware is simulated by simulation software, and the sampling parameters use analog data. The data is transmitted to the PC terminal through the key interface of the single chip computer. Therefore, in the MCU module, the key input code and key function are added.

Key Words：automobile engine;Exhaust turbocharging;Pressurized pressure limiting valve

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容说明 2

第2章 方案论证及选择 3

2.1 需求分析及系统总体结构 3

2.2 技术方案选择 4

2.3 技术平台选择 4

第3章 硬件及软件设计 6

3.1 硬件设计分析 6

3.1.1 电压采样模块 6

3.1.2 电流采样模块 7

3.1.2 AD转换模块 8

3.2 软件设计分析 9

3.2.1 单片机模块 9

3.2.2 数据处理模块 11

第4章 结果分析 12

第5章 总结和展望 13

参考文献 14

致谢 16

第1章 绪论

废气涡轮增压是目前最为高效率的增压方法之一^【1】，可以有效地提升发动机充的气量和燃油供给量。增压压力限压阀作为涡轮增压系统中的核心零件其电感参数对整个系统响应动态特性有着重要影响，也是目前汽车研发中关注的热点问题之一。高度集成化以及自动化的电磁阀是提高系统效率的基础，为了解决输出数据智能化运行以及计算成本问题，本论文提出一种针对增压压力限压阀电感参数测试系统软件和硬件平台的具体设计。此次设计可用于提高限压阀整体的稳定性，对运行过程中数据信息进行准确处理，达到提高汽车性能的目的。

1.1研究目的及意义

随着经济发展以及人们的生活水平的提高，汽车成为大众化也是较为基础的交通工具，大众对于汽车的持有量不断提高，同时对于其行驶质量也有了更高的要求。根据调查研究表明2017年，我国汽车产量达到2901.54万辆，同比增长3.19%；销量达2887.89万辆，同比增长3.04%^【2】，2018年4月份，全国范围内汽车销量突破181.2万辆，同比增长9.6%^【3】；同时据相关研究预计2020年中国汽车年产量可能突破3 600万辆^【4】。如此快速发展对汽车制造行业带来了巨大机遇，同时也带来了巨大的挑战，市场竞争日趋激烈。因此，无论是基于市场研发还是大众需求，更加高效率、高性价比的汽车软硬件的开发都是一个十分热门的研究方向，在投入了众多的人力物力。

汽车需要更为智能、便捷、高效率的电子电力系统。自动控制以及其他装置的应用大大提高了汽车的各方面性能，使得汽车在使用过程当中始终处于最佳工作状态，相关功能体验得到了有效提升，如汽车的动力性、可靠性、安全性和舒适性等等^【5】。发动机作为汽车的关键性装置之一，其性能的稳定在整个系统中具有十分重要的作用。而压力阀作为其中的最为主要的部件有极具潜力的研究价值与意义。电磁阀作为控制软件其性能可以影响到整个系统的稳定性^【6】，因此电磁阀的研制以及其在线测试系统的设计也是一项非常重要的工作。

基于此背景下，我们对于汽车压力阀电感器的软硬件进行设计改良，提出一种增压压力限压阀电感参数在线测试系统的设计方案，其意义在于提供一种更为方便、快捷、准确、节省人力物力的测试方式。与此同时通过提高电磁阀的性能从而提高汽车系统整体的性能。

面对如此高速发展的汽车产业，其相关配件以及软件的研究具有更高的价值。电磁阀不仅在发动机压力阀当中有着重要应用，其在变速器、防抱死系统（ABS系统）、主动控制悬架系统等当中均具有应用^【7】。电磁阀现在已经广泛应用于航空、航天、汽车和工业制造等领域^【8】。

1.2  国内外研究现状

在研究早期，对于电磁阀的相关参数主要通过人工来进行，期参数测定装置也非常简单，通过对应量程的电流表、电压计秒表之类基础硬件进行监测。随着科学技术的发展，电磁阀参数的在线检测得到了很好的发展，特别是计算机技术，集成软件，嵌入技术的发展使对电磁阀研究进入一个新阶段。

国内外对于电磁阀的研究程度有一定差距，特别是相对一些工业化程度比较高的国家如美国，英国，日本等，这些国家对于电磁阀在线测量研究时间早，技术较为成熟。国内电磁阀研究的起步相对国外较晚，但近些年来随着工业化发展以及集成技术，计算机技术等研究的深入也取得了一系列显著成就。如温济全等人在1998年即研究出可以用于卡车启动软件测试平台，近年来我国在高铁上搭载的电磁阀系统更是列于世界先进水平^【9】。

国内对于电磁阀的研究是一个热点，一部分位于国内厂商研发机构，另一部分则主要为国内高等院校内研究。目前在浙江大学、武汉理工大学、北京理工大学等高校先后致力于电磁阀在线测试研究，构筑了一系列电磁阀研究平台取得了一定的成果^【10】。2014年北京交通大学林子淳研发出适用于永磁同步牵引电机电感参数的测试方法^【11】。该方法致力于调高列车的性能，通过电机磁场交叉饱和对电感参数的影响以及由此产生的电感原理进行研究，利用遗忘因子递推最小二乘法对电感参数进行在线识别，通过一系列实验证实该方法可以较为准确与快速的获得实时电感参数值。2006年，我校汪志刚、张敬国、杨建国等人以单缸柴油机电控燃油喷射系统和柴油机可变气门系统为研究对象，研制了该类电磁阀开发设计方法，提出其电磁阀测量装置，实现了对电磁铁静态电磁力、阀芯运动特性、励磁电流和阀芯运动合力的综合测量^【12】。2017年浙江大学阿勇嘎设计出基于网络的电磁阀测试平台，实现电感参数无限自动化测试以及其远程访问数据库的功能。

综合来看，国内外电磁阀的开发主要围绕着更为便捷化、智能化、虚拟化、网络化等方面进行展开。电磁阀测试系统解决的问题关键在于实时通讯控制系统系统，数据测试精度以及虚拟化网络化。

1.3 研究内容说明

本文在全面分析增压压力限压阀结构以及工作特性的基础上，提出增压压力限压阀电感参数在线测试系统的设计方案，并对系统功能模块进行具体分析和设计。通过对增压压力限压电感参数的理论分析，提出系统的整体设计方案，实现了增压压力限压阀电感参数测试系统软件和硬件平台的具体设计，同时根据对综合性能测试系统、实验数据分析和展示，对该系统的重复性和准确度进行验证，完成系统整体的调试。该设计基本实现了电磁阀在线测试数据处理需要，为其进一步改良提供了参考。

第2章 方案论证与设计

2.1需求分析及系统总体结构

增压压力限压阀是汽车发动机废气涡轮增压系统的核心零部件之一，它的电感参数对阀体响应动态特性有着重要影响。

电感器的主要测试参数有：

1. 电感量，是衡量电感器自感应能力大小的物理参数。电感量主要与电感器的尺寸、绕主线圈的匝数、绕阻方法、是否含有铁芯以及铁芯的材质、尺寸规模等因素有关。一般来说，电感器尺寸更大、绕主线圈的匝数更多、绕制的方法更紧凑、有铁芯、铁芯导磁率更大的电感器的电感量越大。国际上用亨利作为电感量的基本单位。
2. 允许误差，指的是在电感器上标注的电感量与工作使用时的电感量之间存在的误差的可接受范围。通常用在滤波等电路中的电感器的精确度要求相对较高，而用在阻流等电路中的电感器的精确度要求相对较低。
3. 品质因数，也叫做Q值，是指在某一频率的交流电压下工作时的电感器所呈现出的感抗XL与其等效的损耗电阻R之比。
4. 分布电容，指的是线圈绕制的每一圈之间以及线圈与铁芯之间产生的电容。电感器的稳定性与分布电容成反比关系。
5. 额定电流，指的是电感器在正常工作的情况下允许通过电感器的最大电流值。若工作电流过高，电感器会因为线圈发热而导致自身参数产生变化，甚至会因为温度过高使电感器烧坏。

基于上述问题，本文设计了一种基于单片机控制采样和数据传输、采用matlab处理数据的方法来测量电感参数。设计过程中的一些关键点如下：

1. 在采样模块，由于电感自身特性，要求采样精度要尽可能高，否则会产生数据曲线特性不明显的问题；
2. 在数据处理模块，尽可能使用简单方便的方式，把数据绘成图表展示并计算出电感量即可。

根据功能需求，确定系统结构如图2.1所示。

电压采样

电流采样

单片机模块

数据处理模块

图2.1系统总体结构图

通过电压电流采样模块采样出电路中的参数，经过单片机进行交互和控制，把数据传输至PC端随后进行数据处理打印图表。

2.2技术方案选择

通常，测量电感参数的主要工具有：Q表、电感测量仪、微处理器电感测试装置等。电感测量仪和Q表的价格相对偏高，且体积偏大，不易携带和操作。微处理器测试装置造价较低，但缺点是测量的范围较小，而且不能测量电感器的Q值和分布电容。

1. 电压采样模块。由于功率电感的工作频率较高，绕组匝数较少，因此它的直流电阻很小仅为毫欧级别，其两端的电压信号很小，所以需要对电压信号进行放大处理。对于微弱的电压信号采样，选用差分放大电路来抑制共模噪声，提高采样的精度和分辨率^【13】。
2. 电流采样模块。考虑到本系统所测量的电流是汽车发动机中增压压力限压阀的电路电流，其电路处于废气涡轮增压系统中，属于高温环境，且最大电流较高，不适合用采样电阻的方法进行采样，否则温度的剧烈变化会影响阻值产生变化并且损耗过大，因此采用霍尔电流传感器对电流进行采样。
3. 单片机控制模块。单片机的选择上我选用STC89C52单片机。这是一款由宏晶科技研发出的处理速率高、功耗小、抗干扰能力超强的单片机，它的指令代码与传统的8051单片机完全兼容；其工作频率范围是0~40MHz，实际工作时的频率可达48MHz；包含有E²PROM以及看门狗功能。但它没有AD/DA转换功能，因此需要使用者自行设计转换电路。

ADC选用逐次逼近型，它转换的速率为微妙级，满足本次设计的需求。理论上精度越高越好，但本次设计中的数据使用模拟数据，因此设计时使用4位ADC，其他高精度的如8位、16位与4位ADC电路的主要区别只在于D触发器的数量和DA转换器的选择。关于D触发器芯片的选择，本次设计中选用74LS74，它包含两个一模一样但相互独立的D触发器。DA转换器选用分辨率为8位的集成DA转换器DAC0832，它的优点有：造价成本低、接口使用方便等。

1. 数据处理模块可以使用数据库、matlab等软件，鉴于本次设计中，数据处理模块只需要把数据绘制成图展示，不需要过多的人机交互界面，因此选用matlab来绘图更为简单方便。

2.3技术平台选择

采样模块由于需要单片机仿真，因此我选择了Proteus进行仿真。Proteus软件是由英国某公司研究推出的EDA工具软件，这款软件在国内由广州某公司代理^【14】。它包含有基础的EDA工具软件仿真功能，同时具有单片机及其外围元器件的仿真功能。目前它在单片机仿真领域有广泛的使用，虽然在国内开始推广的时间不长，但在单片机仿真领域已经大受欢迎。其特点有：

1）元器件含括量超大：proteus中包含有超过20000种元器件，可以满足大部分电路需求；

2）元器件检索智能化：使用检索快速寻找用户仿真需要的电子元件；