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    孔板流量計代替傳統車用流量計滿足發動機的要求

    作者: 來源: 發布時間:2018-05-21 11:05:00

        摘要:空氣流量作為發動機噴油量和點火時間的重要參數直接影響著發動機的空燃比, 因此, 孔板流量必須準確測量。利用孔板流量計直接測量空氣流量的特點, 提出以32位ARM Cortex M0+內核的MKE02Z32VLC2單片機為控制核心, 充分利用其內部的FLASH、ADC、FTM等硬件資源設計了一款發動機進氣孔板流量計。針對傳統車用流量計忽略環境溫度補償電阻自熱效應的缺陷進行改進;為提高信號采集的精確性, 提出改進型的濾波算法;設計的流量計輸出模擬和數字信號解決傳統流量計只輸出單一信號而無法通用的缺點。實驗測試表明, 流量計精度滿足發動機的要求。
     
        0 引言
        孔板流量計應用于汽車燃油噴射裝置上, 安裝在汽車空氣濾清器和節氣門之間的進氣通道上, 用于實時測定發動機吸入的空氣質量流量。電控單元 (ECU) 根據孔板流量計的輸出信號來決定基本噴油量和點火時間, 使得發動機在不同工況下都能獲得zui佳空燃比 (空氣質量/燃油質量) 。因此, 孔板流量計的測量精度對發動機提高燃油效率及減少汽車尾氣排放有著至關重要的作用。
        目前用于測量汽車發動機進氣流量的流量計按照測量參數可以分為體積流量型和質量流量型, 質量流量型流量計按其敏感單元不同又可以分為熱線式和熱膜式2種。熱線式和熱膜式的工作原理相同, 只是結構不同, 均可直接測量空氣的質量流量, 相比體積型流量計, 孔板流量計具有更高的精度和響應速度。
        本文以 E系列32位ARM Cortex M0+內核芯片MKE02Z32VLC為核心進行電路的設計與實現, 其具有強大的處理性能和強抗干擾性[1], 其推出的目的是取代傳統的8/16位單片機, 文中充分利用其內部資源進行軟硬件設計。設計的車用孔板流量計取得了較好的重復性和精度, 但是其忽視了溫度補償電阻也是有電流的, 當空氣流量增大, 這種自熱效應更加明顯[3], 本文對于發動機進氣流量計的電橋進行了優化;文獻[4]在標定時采用了256B的EE-PROM儲存偏差值, 標定值分辨率較低, 本文利用了處理器的內部程序存儲器, 使用4 KB FLASH存儲空間存儲偏差值, 提高了標定偏差值的分辨率。為提高測量數據的準確性, 對信號采集的濾波算法進行了優化。對于傳統車用孔板流量計只輸出一種模擬信號或數字信號進行改進, 使得流量計同時輸出模擬和數字信號以滿足不同電控ECU對信號的需求。
        1 孔板流量計的原理
        孔板流量計在測試管道放置2個鉑電阻, 加熱電阻通過較大電流, 另一個溫度補償電阻通較小電流用于溫度補償 (傳統車用流量計忽略其自熱) 。根據托馬斯理論[5]:“氣體的吸熱量或放熱量與該氣體的質量流量成正比”, 可得氣體質量流量和加熱電阻所消耗的電能關系為


    計算公式


        式中:E為單位時間內加熱電阻對流換熱所散失的熱量, J;C為空氣的比熱容, J/ (kg·℃) ;ΔT為空氣溫度定常值, ℃;q為單位時間內空氣的質量流量, kg/h。
        由于空氣比熱容是一個定值, 則質量流量只與加熱電阻所消耗的電能和溫差有關, 因此有2種方案:恒溫差式和恒流式[6-7]。由于恒流方案存在響應滯后等缺點, 無法滿足發動機的要求, 所以一般采用恒溫差方式。
        根據傳熱學原理, 加熱電阻存在強迫對流、自然對流、導熱、輻射等幾種方式的傳熱。由于流量計加熱電阻與空氣溫差小于300℃, 因而熱輻射影響極小。在流速大于0.5 m/s時, 自然對流、導熱也可忽略不計。因此, 加熱電阻主要在于強迫對流傳熱, 可以推導出散熱量與空氣的質量流量Qm的關系式為
     

    計算公式


        式中:Qfc為強制對流散熱, J;K為常數;KT為溫度系數, 隨溫度升高而增大, KT=0.15~0.18%/℃, 這種溫度漂移可以通過點橋上電阻的配置來抵消) ;Th為加熱電阻溫度, ℃;Tat為進氣溫度, ℃。
        2 系統框圖設計
        硬件框圖如圖1所示。加熱控制電路保持惠斯登電橋的平衡, 當有空氣流過加熱電阻, 加熱控制電路維持加熱電阻與環境補償電阻的溫度差。由于流量信號非常微弱且變化范圍小, 因此需要調理, 并且進行A/D轉換后還要再經過濾波算法進行濾波處理, 進而對得到的基本流量信號再處理, zui后輸出PWM流量信號, 經過12位DAC7512進行轉換輸出模擬信號。
        3 主測量電路
        圖2是傳統溫差式熱式孔板流量計的工作原理圖, RK、R1、R2、RH、RM組成惠斯登電橋。RH是加熱電阻, RK是環境溫度補償電阻 (其作用是測量進氣溫度, 進氣溫度變化時該電阻阻值變化進而使得加熱電阻溫度變化, 惠斯登電橋進行調整, 使加熱電阻的溫度保持比溫度補償電阻高出一定值) 。將RH和RK置于惠斯登電橋的兩臂, RH通入的電流需要50 m A以上, 用于測量空氣流量。R1、R2、RM均為精密電阻。通過合理設置R1、R2、RM的電阻阻值, 在電路通電時使得UM>UN, 運放輸出高電平, 功率三極管Q加大電流, 使得RH溫度上升, 阻值上升。當電路平衡時有UM=UN, 也即:

    圖1 系統硬件框圖

    圖1 系統硬件框圖

     
    計算公式


        當有空氣流過加熱電阻時帶走熱量, 通過功率三極管Q加大電流補償空氣帶走的熱量, 保持加熱電阻RH與環境溫度的恒定溫差。通過RH上電流的改變引起的電壓變化來得到空氣流量信號。

    圖2 基本測量電路

    圖2 基本測量電路


        以上基本電路忽略了RK的自熱效應, 只有當RK上的電流遠小于RH上的電流才能使得RK的發熱忽略不計。我們三暢儀表為解決發動機用孔板流量計的溫度補償電阻進行改進:其基本思想是將環境溫度補償電阻RK上的電壓設置為原來的1/K倍, 在保持電路平衡時, 再利用差動放大電路將其電壓值放大K倍, 當K較大時, 可以有效地降低溫度補償電阻對電橋的影響, 保證電橋的準確度。如圖3所示, 三極管的發射極經過R3、R4進行分壓, 經過運算放大器進行電壓跟隨之后給RK、R2進行供電, 這樣就降低了電壓K倍數, 可得N點的電壓如式 (4) 。
     

    計算公式


        運算放大器將VN的電壓通過差動放大電路進行放大, 由運放“虛短”和虛斷可以得到點N'的電壓如式 (5) :

    計算公式
     


        通過調整RI1、RI2、RF1、RF2、R3、R4使其得到式 (6) :

    計算公式



        當R4+R3遠大于R4時, 則可以解決溫度補償電阻RK因自熱效應造成的偏差。

    圖3 加熱與控制電路改進

     
        流量信號檢測原理圖如圖4所示, 從惠斯登電橋輸出的流量信號先經過放大電路進行放大, 其輸出信號再經過差動放大電路輸出, zui后通過ADC模擬接口電路進行輸出信號的調整后送入MKE02Z32VLC2進行相關處理, 控制器自帶12位SAR AD, 32 KB的FLASH, 并有PWM、SPI等模塊。

     

    圖4 信號處理電路

    圖4 信號處理電路

     
        4 濾波算法
        在流量檢測電路檢測出空氣流量后, 經過信號處理電路處理的流量信號需要進行A/D轉換, 因此需要較高精度的A/D轉換器, 本文采用MKE02Z32VLC2處理器自帶12位分辨率的SAR ADC。對基本流量信號進行多次重復測量, 并通過改進后的濾波算法進行濾波, 某次測量得到的A/D值如表1所示。

        表1 某次流量信號測量A/D值

        表1 某次流量信號測量A/D值


        數字濾波算法步驟如下:
        (1) 首先對流量值使用希爾排序算法進行排序, 希爾算法的平均時間復雜可以達到O (N1.3) , 其思想是先將整個排序元素分割成若干個子序列, 然后分別進行直接插入排序。對數據用希爾排序后得到:2 192, 2 197, 2 198, 2 209, 2 212, 2 213, 2 217, 2 217, 2 218, 2 220, 2 237, 2 341。
        (2) 然后求平均值及標準差:平均值為2 222.58, 標準差為39.2。
        (3) 可以剔除的數可能為zui大值、zui小值, 計算2個數的殘差:2 192-2 222.58=-30.58;2 341-2 222.58=118.42。
        (4) zui小值的Gmin= (平均值-zui小值) /標準差, zui大值的Gmax= (zui大值-平均值) /標準差。
        (5) 確定檢出水平, 一般為0.01或0.05, 值越大置信區間越寬松, 根據實際條件進行確定, 本論文使用0.01, 查表可以得到固定的臨界值, 與G1、Gn作比較;若G1 (Gn) 大于臨界值, 則剔除, 反之保留。顯然, zui大值2 341被剔除了。
        (6) 重復步驟2至步驟5, 直到所有數據滿足要求。
        (7) 進行均值濾波, 輸出信號。
        本系統使用的濾波算法能有效濾除干擾, 保證數據的平滑性而又不失實時性, 能夠快速對外界的干擾進行響應。每次采樣后先進行一次排序, 排序后對數據進行格拉布斯準則進行數據剔除, 降低計算周期提高濾波效果。

        5 測試結果
        在設計完流量計后, 對流量計進行標定, 為不破壞單片機的應用程序, 將標定的偏差值保存在MKE02Z32VLC的FLASH存儲器的zui尾部4 KB扇區內。由于受測試儀器的限制, 并沒有作出整個空氣流量范圍內的 (8~370 kg/h) 的數據測量。只測量前半段的數據。設計的流量計滿足汽車級寬范圍的輸入直流電壓7~18 V。基本流量測試結果如表2所示。

    表2 流量測試結果

        表2 流量測試結果


        從上面可以看出, 所設計的孔板流量計的輸出電壓與標準流量計數據非常吻合, 說明精度能達到汽車發動機的要求。
        6 結束語
        本文對傳統孔板流量計忽視溫度補償電阻的自熱效應問題, 通過降低溫度補償電阻的電流來降低其對流量信號的影響。對流量信號的采集濾波算法結合格拉布斯準則進行了優化, 并集成模擬信號和數字信號的輸出, 使其能夠同時輸出模擬和數字信號, 適應不同的電控單元。在標定時, 通過使用MKE02Z32VLC2內部32 KB的FLASH程序存儲器, 將標定偏差值存儲在FLASH的高4 KB地址處而無需另外擴展存儲器。電路設計采用了汽車級的集成電路, 并使用小型貼片封裝減少電路板的面積以便能適用于取樣件。測試結果表明, 流量計具有較高的精度, 能夠滿足汽車發動機的需求。

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