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2007年1月自考证券投资与管理》试题

摘要 ...................................... 错误！未定义书签。ABSTRACT .................................... 错误！未定义书签。第一章柴油机电子控技术 .. (3)

1.1柴油机电控系统的历史发展和现状 (3)

1.2柴油机电控技术的特点、难点 (4)

1.3柴油机电控技术未来的发展趋势 (5)

第二章柴油机电控单元设计 (7)

2.1电控柴油机的结构及标定技术 (7)

2.2柴油机电子控制系统铺助电源设计 (9)

2.3柴油机控制系统常用输入、输出电路设计 (11)

2.3.1 电控单元（ECU）的输入级 (12)

2.3.2 电控单元的输出级 (14)

2.4开关量的输出通道及功率放大器 (16)

第三章柴油机电控系统中的传感器 (22)

3.1加速踏板位置传感器 (22)

3.1.1非接触式（霍尔式）加速踏板位置传感器 (22)

3.2压力传感器 (24)

3.2.1压阻式压力传感器 (24)

3．3热敏电阻温度传感器 (26)

3.3.1柴油机内常用温度-频率转电路 (27)

3.3.2 柴油机电子控系统温度测量及报警系统设计 (28)

第四章柴油机电控喷油系统和执行器 (29)

4.1柴油机电喷系统控制原理 (29)

4.1.1 喷油驱动电路 (30)

4.2电控喷油系统中变换器参数对喷油器性能的影响 (32)

4.2.1 DC-DC变换器参数对喷油器性能的影响 (32)

4.2.2 脉宽调制控制电路 (33)

4.3电-机转换的基础 (35)

4．3.1 高速电磁转换开关 (36)

第五章柴油机的其他电控系统 (38)

5.1可变喷嘴涡轮增压系统电控技术 (38)

5．2可变气门区动系统 (39)

5．2．1可变气门驱动机构在柴油机上的应用 (39)

5．2．2可变气门驱动机构的实现 (40)

5．3柴油机的废气再循环控制 (42)

结论 (44)

致谢 ....................................... 错误！未定义书签。附录1 .. (45)

附录2 ...................................... 错误！未定义书签。参考文献 (46)

第一章柴油机电子控技术

1.1柴油机电控系统的历史发展和现状

柴油机电控技术源于上世纪八十年代，首先应用的是燃油喷射系统的电子控制。目前先进的燃油喷射系统如共轨燃油喷射系统已在轿车和重型卡车柴油机上得到批量应用。世界各大船舶公司都在进行电控柴油机的研发。如Wart Si la、MAN B&W、MTU等公司都已相继推出了电子控制的柴油机，而且都已装船营运。除了电控燃油系统外，其它系统也开始改用电控方式，MAN B&W 柴油机的燃油喷射系统、排气柴油机电控技术源于上世纪八十年代，首先应用的是燃油喷射系统的电子控制。

MAN B&W柴油机的燃油喷射系统、排气门正时系统及气缸机油系统等都实行电子控制；Wartsi la的电控柴油机喷油系统、排气门电控、伺服控制系统、起动系统和WECS9500控制系统等组成。柴油机电子管理技术可对柴油机性能实现更高层次的控制，主要完成柴油机监测、控制和故障诊断和与外延设备的联系等功能，柴油机电子管理系统可以使柴油机的控制更完整，功能更强大。国外的柴油机电控技术发展日趋完善，形成了包括柴油机电子控制系统、柴油机运行模式管理、多机通讯管理技术等对柴油机进行全面电控的智能化柴油机控制系统。我国对柴油机电子控制技术的研究起步较晚，多家单位对车用柴油机高压共轨系统进行了研究。但总的来说，国内对柴油机电控技术的应用仅局限于小功率车用柴油机，整机控制系统可靠性和将整机控制系统纳入整车、整船控制系统方面仅处于研究阶段。

鉴于我国柴油机电控技术研究水平与国外差距呈增大趋势，致使我国经济建设和发展存有隐患，关键时刻将会受制于人，所以掌握先进的设计方法，对大功率柴油机智能化控制系统进行快速的研究，具有重要的现实意义。

随着发动机的应用日益增多，世界石油资源日渐枯竭，要求不断地提高发动机的燃油经济性。与此同时在20世纪80年代中期采用电控技术、增压技术和三元催化器使汽油机的燃油经济性和升功率有了进一步提高，HC、CO、和NO 的排放量均可满足日趋严格的排放法规要求。但由于柴油机不同于汽油机，其颗粒(包括炭黑)排放量远远高于汽油机，从而使降低颗粒排放成为柴油机研究面临的重大课题。因此柴油机电控技术是以降低NO和颗粒排放、提高升功率、降低噪声和降低油耗为主目标的。

自2O世纪8O年代开始进入以电控单元为核心的柴油机电控系统，随着

控制项目的不断增多。控制任务从简单到复杂逐步发展起来。即从仅具有循环供(喷)油量控制、供(喷)油正时控制等最基本的控制项目的燃油喷射到包括供(喷)油速率控制和喷油压力控制在内的多项目标的燃油喷射控制；从单一的燃油喷射控制扩展到包括怠速控制、进气控制、增压控制、排放控制、启动控制、故障自诊断、失效保险、发动机与变速器的综合控制等在内的全方位控制。但目前国内外对柴油机电控的研究仍然集中在燃油喷射方面。

1.2柴油机电控技术的特点、难点

柴油机电控技术与汽油机电控技术有相似之处, 都是由传感器, 电控单元和执行器三大部分组成, 在传感器中, 大多数传感器, 如转速、压力、温度传感器, 油门踏板传感器等等, 都是一样的。电控单元在硬件方面相似在整车管理系统的软件方面也很近似。电控单元都在朝着集成化、智能化、综合控制化方向发展。国外汽油机电控技术已经成熟, 商品化程度很高, 因此大部分传感器和电控单元已不是难点, 但是柴油机的燃油喷射具有高压、高频、脉动等特点, 其喷射压力为汽油喷射的几百倍, 上千倍, 要求有很好的可靠性和耐久性, 而且柴油喷射对喷射正时的精度要求很高, 相对于上死点的角度位置要求很准确, 这就导致了柴油喷射的执行器复杂得多。从控制对象来看, 从机械控制时机械调速器控制喷油量, 机械式提前器控制喷射正时, 到电子控制时, 不仅控制喷油量, 喷射正时, 而且控制喷射速率, 喷射压力所感应的工况由单一的转速工况发展到感应整个发动机运行工况和环境条件, 这样势必带来了控制的复杂性。因此柴油机电控技术的关键是执行器,也即是电控柴油喷射机构, 各个国家都在致力于开发研制各种类型的电控柴油喷射机构, 以寻求最佳方案, 这也是柴油电控技术的难点所在。

发动机电控单元标定系统的研制。发动机电控单元标定系统的作用是在不影响发动机正常运行的情况下修改发动机电控单元的控制参数，使发动机按照不同的控制数据运行，同时监控发动机性能，实现对控制参数的优化。

1)对电控单元(ECU)的研究。2)电控标定系统的硬件设计。3)标定系统与电控单元之问的通信设计。

柴油机的优化控制,发动机的优化包括控制参数的优化和MAP数据的生成。目前汽车发动机电控系统有各种优化标定方法，包括离线稳态标定方法、在线稳态标定方法、自动优化标定方法、最新的瞬态优化标定方法等。目前在国外，发动机电控系统的优化标定方法越来越多地采用自动优化标定方法，这样可以缩短标定周期，降低标定费用，同时能得到更好的标定结果。发动机电控系统的瞬态优化标定也口益受到重视．是目前发动机优化标定的最新

研究发展方向。

(3)标定系统与电控单元、喷油泵、柴油机的配试。为了检验所研究开发的电控标定系统的各项功能，检验其可靠性及稳定性，需使用该系统进行柴油机电控系统配装某柴油机机型的实验。

1.3 柴油机电控技术未来的发展趋势

能源危机，环境污染，使人们对柴油机的经济性、有害排放、可靠性提出了更高的要求，这需要多种改进措施，对柴油机进行高精度、全工况的优化控制。传统的机械控制已无法满足这种新的要求，由于电控柴油机的控制精度高、响应速度快、控制策略灵活、适应性强等特点，柴油机电控化就必然成为现代柴油机技术的发展趋势。微电子技术的快速发展，集成度不断提高，成本大幅度下降，功能强化，可靠性日益改善，为柴油机电控喷油系统的发展创造了良好的条件。与传统的机械式燃油喷射系统相比较，电控喷油系统具有如下优越性：

(1)排气污染降低，经济性提高。

高压喷射可提高燃油经济性，显著地减少微粒和烟度；合理地控制喷油定时和喷油量可减少NOx和HC排放；电控燃油喷射系统能根据发动机工作要求实现喷油量、喷油定时、喷油压力以及喷油速率的综合控制，在满足排放法规的同时获得最佳的经济性。

(2)操作控制自动化。

电控系统将驾驶员要求转换成相应的控制信号，借助于各种传感器和执行器自动地实现发动机的管理。如可实现怠速自动控制、过渡工况最佳控制等。

(3)改善可靠性。

电控柴油机具有智能化自诊断、故障保护和备用功能，能实现故障诊断和处理，电控柴油机还能根据发动机的运行状况进行相关标定参数的自我修正，以保证发动机在整个工作寿命内始终处于最佳状态。柴油机电控技术未来的发展趋势是：高的喷射压力为满足排放法规的要求，柴油喷射压力从10MPa提高到200MPa。如此高的喷射压力可明显改善柴油和空气的混合质量，缩短着火延迟期，使燃烧更迅速、更彻底，并且控制燃烧温度，从而降低废气排放。独立的喷射压力控制，传统柴油机的供油系统的喷射压力与柴油机的转速负荷有关。这种特性对于低转速、部分负荷条件下的燃油经济性和排放不利。若供油系统具有不依赖转速和负荷的喷射压力控制能力，就可选择最合适的喷射压力使喷射持续期、着火延迟期最佳，使柴油机在各种工况下的废气排放最低而经

济性最优。改善柴油机燃油经济性，用户对柴油机的燃油消耗率非常关注。高喷射压力、独立的喷射压力控制、小喷孔、高平均喷油压力等措施都能降低燃油消耗率，从而提高了柴油机的燃油使用经济性。

(4)独立的燃油喷射证时控制

喷射正时直接影响到柴油机活塞上止点前喷入汽缸的油量，决定着汽缸的峰值爆发压力和最高温度。高的汽缸压力和温度可以改善燃油使用经济性，但导致NOx增加。而不依赖于转速和负荷的喷射正时控制能力，是在燃油消耗率和排放之间实现最佳平衡的关键措施。

(5)可变的预喷射控制能力

预喷射可以降低颗粒排放，又不增加NOx排放，还可改善柴油机冷启动性能、降低冷态工况下白烟的排放，降低噪声，改善低速扭矩。但是预喷射量、预喷射与主喷射之间的时间间隔在不同工况下的要求是不一样的。因此具有可变的预喷射控制能力对柴油机的性能和排放十分有利。

(6)最小油量的控制能力

供油系统具有高喷射压力的能力与柴油机怠速所需要的小油量控制能力发生矛盾。当供油系统具有预喷射能力后将会使控制小油量的能力进一步降低。由于工程机械用柴油机的工况很复杂，怠速工况经常出现，而电喷柴油机容易实现最小油量控制。

(7)快速断油能力

喷射结束时必须快速断油，如果不能快速断油，在低压力下喷射的柴油就会因燃烧不充分而冒黑烟，增加HC排放。电喷柴油机喷油器上采用的高速电磁开关阀很容易实现快速断油。

(8)降低驱动扭矩冲击载荷

燃油喷射系统在很高的压力下工作，既增加了驱动系统所需要的平均扭矩，也加大了冲击载荷。燃油喷射系统对驱动系统平稳加载和卸载的能力，是一种衡量喷射系统的标准。而电喷柴油机技术中的高压共轨技术则大大降低了驱动扭矩冲击载荷[1]。

第二章柴油机电控单元设计

电控单元ECU(Electronic Control Unit)是整个柴油机电控系统的控制中心，它利用内部存储的软件（各种函数、算法程序、数据、表格）与硬件（各种信号采集处理电路、微机系统、功率输出电路、通信电路），处理从传感器输入的诸多信号，并以这些信号的为基础，结合内部软件的其他信息，制定出各种控制命令，送到各种执行器，从而实现对柴油机的控制。

2.1 电控柴油机的结构及标定技术

柴油机电控系统组成如下图：(1)信号的采集和输入部分。通常有若干个具有相同功能或不同功能的传感器和信号调理电路组成。(2)电控单元。它负责对各种传感器信号进行分析处理，通过其内算法，向被控单元输出控制信号。

(3)执行器

柴油机

传感器 n

执行器 n

预处理 n

驱动装置 n

输

入

接

口

输

出

接

口

信号电路

目标值

显示装置

图 1 电控系统结构框图

在柴油机电控系统组成方面，提高电控发动机的控制精度将会被更多的科研机构放到重要的位置，主要从两方面入手，即采集信号的精确度和处理信号的精确度。因而研究柴油机电控控制精度的提高也是今后一个重要方向。柴油发动机电控技术有两个明显的特点：(1)特点是其关键技术和技术难点就在柴油喷

射电控执行器上；(2)特点是柴油电控喷射系统的多样化。柴油发动机在机械控制时代，就已经有了直列泵、分配泵、泵喷油器、单缸(体)泵等结构完全不同的系统，每个系统各有其特点和适用范围，每种系统中又有多种不同结构。实施电控技术的执行机构比较复杂，因而在此方面也可进行新的探索研究；（3）柴油机电控喷油系统研究柴油机电控喷油系统经历了三代：第一代柴油机电控燃油喷射系统也称位置控制系统。它用电子伺服机构代替调速器控制供油滑套(齿杆)位置以实现供油量的调整，这类技术已发展到了可以同时控制定时和预喷射的TICS系统。第二代系统也称时间控制系统，其特点是供油仍维持传统的脉动式柱塞泵油方式，但油量和定时的调节则由电脑控制的强力快速响应电磁阀的开闭时刻所决定。第三代也称为直接数控系统，它完全脱开了传统的油泵分缸燃油供应方式．通过共轨压力和喷油压力／时间的综合控制，实现各种复杂的供油回路和特性。强力快速线形响应电磁阀是各种系统共同的技术难点目前最先进的燃油喷射系统是泵喷嘴系统和共轨式喷油系统泵喷嘴系统。泵喷嘴系统结构紧凑，喷油嘴孔径非常小．所以燃油喷射压力比传统机械式喷油系统有较大提高。柴油机共轨式电控燃油喷射技术是一种全新的技术，它集成了计算机控制技术、现代传感检测技术以及先进的喷油结构于一身。该技术的主要特点是：(1)采用先进的电子控制装置及配有高速电磁开关阀；(2)采用共轨方式供油；(3)高速电磁开关阀频响高，控制灵活；(4)系统结构移植方便，适应范围宽。这一技术的研究与开发热点在于：1)如何解决高压共轨系统的恒高压密封问题；2)如何解决高压共轨系统中共轨压力的微小波动所造成的喷油量不均匀问题；3)如何解决高压共轨系统的多MAP(三维控制数据表)优化问题；4)如何解决微结构、高频响电磁开关阀设计与制造过程中的关键技术问题。

发动机电控单元标定系统的作用是在不影响发动机正常运行的情况下修改发动机电控单元的控制参数，使发动机按照不同的控制数据运行，同时监控发动机性能，实现对控制参数的优化。1)对电控单元(ECU)的研究。2)电控标定系统的硬件设计。3)标定系统与电控单元之问的通信设计。

发动机的优化包括控制参数的优化和MAP数据的生成。目前汽车发动机电控系统有各种优化标定方法，包括离线稳态标定方法、在线稳态标定方法、自动优化标定方法、最新的瞬态优化标定方法等。目前在国外，发动机电控系统的优化标定方法越来越多地采用自动优化标定方法，这样可以缩短标定周期，降低标定费用，同时能得到更好的标定结果。发动机电控系统的瞬态优化标定也口益受到重视．是目前发动机优化标定的最新研究发展方向。在满足发动机

的经济性能和排放指标同时，对柴油机进行优化。控制参数的优化包括：基本控制参数、稳态修正参数、怠速T 况参数、起动T 况参数的标定、瞬态工况修正参数等的标定。标定系统与电控单元、喷油泵、柴油机的配试。为了检验所研究开发的电控标定系统的各项功能，检验其可靠性及稳定性，需使用该系统进行柴油机电控系统配装某柴油机机型的实验。

2.2 柴油机电子控制系统铺助电源设计

柴油电控系统其内部包含很多控制芯片，每个芯片都有自己正常的工作电压范围，因此我们必须设计一些电压转换电路得到系统内部控制芯片正常工作的电压值，如图2所设计的是5V 、12V 芯片稳定工作时所需要的电压转换电路，此电源输出的5V 工作电压主要供给控制芯片单片机工作。

V V 220

图 2 电压转换电路

12V电压转换为5V，16V,18V,24V等多路输出的电源，针对这一问题根据设计要求，设计了出12V升24V基于两相步进升压型DC／DC控制器LT3782设计电流输出的升压型DC／DC模块的方法。

图3升压电路

LT3782是美国凌力尔特公司生产的两相步进升压型DC／DC控制器，28引脚SSOP封装芯片，开关频率在150～500 kHz之间可编程，由于采用两相BOOST拓扑结构。对输出场效应管漏电流和肖特基二极管通过电流的要求都减少一半，即两个输出相位差180°，两个输出间互相抑制输出纹波电流，输出纹波是单相BOOST转换电路的1／3。电源效率高，对散热的要求小。第29引脚是芯片底部的散热脚。27引脚连接输入电源；4引脚接地；11引脚用来设定开关频率；20和23BGATE引脚用来驱动场效应管的栅极；8，9，1 2和13SENSE引脚用来反馈场效应管的输出电流；16引脚是输出电压反馈引脚，该脚电压为2．44 V，通过反馈电阻可以设定输出电压值。17引脚是低电压关断引脚，当该引脚的电压大于2．45 V时，器件才开始工作，当该引脚的电压小于0．3 V时，器件进入低电压关断模式。14引脚是软启动引脚，当加电时，输出电压从0 V渐变到设定的输出电压值，典型的启动时间可以由下式计算：

t＝2．44C／10

式中：C为连接14引脚到地的电容值，单位为μF；t为典型的启动时间。

12V 汽车电瓶电压经过插头给LT3782供电，LT3782产生的两相振荡输出驱动N 沟道场效应管Q1和Q2，场效应管输出分别经肖特基二极管D1和D2整流后，由电容C7滤波输出。电阻R1用来设定LT3782的开关频率，LT3782的开关频率在150～500 kHz 之间可编程。这里选取开关频率为250 kHz ，取电阻值R1=75 kHz 。参照LT3782数据手册，通过输入／输出电压关系和占空比可以推算出N 沟道场效应管的峰值电流约为15 A 。通过设定电阻R8和R10的阻值可以设定电源的限制电流，避免电源电流过大，烧坏后面电路。LT3782的SENSE 管脚的域值电压为60 mV ，因而电阻R8和R10的阻值为0．004 Ω。

2.3 柴油机控制系统常用输入、输出电路设计

柴油机电控系统一般由传感器、控制单元(ECU)和执行机构三部分组成。ECU 是柴油机电控系统的核心，也是技术含量较高的部件，设计难度较大。控制单元(ECU)是嵌入式的专用计算机系统。要求功能专用、环境适应性好和可靠性高。系统的组成如下图4：

CPU

计算机系统

开关量输入电路模拟量输入电路频率量输入电路电源电路

开关量输出电路

模拟量输出电路功率输出电路

图 4 ECU 结构框图

开关输入电路完成外部开关量向计算机的输入，如：工作状态开关、传感器状态开关等。模拟量输入电路完成发动机和其它装置的模拟信号的调理和采集。如：油温、冷却水温度、进气温度、排气温度、润滑油温度和脚踏板位置等。频率量输入电路主要完成发动机的脉冲信号的调理和采集。就目前的柴油机ECU 来说，主要的脉冲信号有：发动机转速信号、凸轮轴信号，有些系统还有增压器转速信号等。开关量输出电路主要完成ECU 输出信号的传输，常用的驱动负载是信号灯、继电器和电磁阀等。如状态指示灯、启动继电器、风扇开

关等。模拟量输出电路主要完成模拟表的驱动。如：指针式发动机转速表、车速表和水温表等。在柴油机ECU中，现在这种电路使用很少，一般都在一体化显示面板指示。功率输出电路是指驱动大功率执行机构的电路，如在第一代电控系统中的线性电磁铁驱动，直流电机和步进电机的驱动；在单体泵、泵喷嘴和高压共轨供油系统中高速电磁铁的驱动等。

2.3.1 电控单元（ECU）的输入级

ECU输入级的作用是将电控系统中各种传感器检测到的信息，通过I/O接口送入微型计算机，完成ECU对发动机运行工况的实时检测。从传感器来的信号进入输入级后，首次要经过预处理，如采用滤波器除去杂波等。有的信号，如电磁式曲轴位置传感器的信号，并不是矩形波，而是正弦波，而却其信号的电压幅值会随转速的变化而变化。这些信号不能直接输入微型机，需整形变成标准方波信号。

ECU输入级信号的类型，从传感器来的信号分为模拟信号和数字信号两种。模拟信号一般是随时间连续变化的模拟量，通过检测元件和变换器转换为对应的模拟电压与电流。由于计算机只能识别数字量，故模拟电信号必须通过模数转换为数字量后，才能进入计算机。在柴油机中有许多信号都是模拟量，如进气温度、进气压力等。柴油机电控系统中，采集的数字信号主要是发动机转速和止点位置信号。它们都是脉冲信号，不能被计算机直接接收这两个信号也需要通过输入级，将状态信号转变为标准TTL信号送入计算机。

（1）被测对象的信号拾取。其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真是状态。它包括实时性与测量精度，同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。因此，柴油机电控系统中的输入通道，体现了被测对象与电控系统相互联系的信号输入通道、原始参数输入通道。由于在该通道中，主要是传感器和传感器有关的信号调节、变换电路、故也可称为传感器接口通道。

(2)输入通道要完成对象的状态量值的检测，故输入通道总要靠近信号拾取对象。为了减少输出损耗、防止干扰，常常不惜将输入通道与计算机系统分开，将输入通道部分放置到对象现场中。

（3）输入通道的环境无主观选择余地。由于输入通道中的信号检测总是针对着被测对象的，因此被测对象的现场环境因素严重影响着输入通道的方案设计。

（4）输入通道电路设计的难易繁简程度，除与环境因素有关外，还取决于传感器、变换器的选择。因为在输入通道中，必须将传感器输出的初次电信号，转换成能满足计算机输入要求的TTL逻辑电平信号。同时，输入通道中传感器输出信号与计算机逻辑电平相近度，决定了输入通道的繁简难易程度。

（5）由于传感器常常是模拟量、微弱信号输出，转换成计算机要求的信号电平时，必须借助一些模拟电路技术。因此输入通道常常是一个模拟、数字等的混在电路，是传感器集成化和单片机功能集成的边界区域。这些电路的处理技术有一定难度。

（6）输入通道靠近现场，易受干扰。传感器输出信号一般都教微弱，常常需要一个增益系统，这些是柴油机电控系统中最重要的一个干扰进入渠道。因此，输入通道的抗干扰设计是输入通道设计中的一个重要部分。

开关输入级电路根据ECU的电源系统有隔离输入和非隔离输入。隔离的开关输入电路如图5：这个电路当输入电压>5V时，U0为低电平，信号有效。当输入电压<5V或开路时，U0为高电平，信号无效。其中，Rl Cl是输入端的滤波电路，主要为提高抗干扰性能和电磁兼容性能，同时R1是输入端的接地电阻，保证输入端开路时输入信号为低电平。R2 C2是输入端的信号滤波电路。D1、D2是稳压二极管决定电路的工作灵敏度和稳定性。D3是防止反向电压损坏U1。U1是信号隔离组件，GND端是外部供电系统地端，而DG是ECU内部电源地。

图 5 隔离开关输入电路

当ECU的工作电源为非隔离电源系统时，可采用图6的开关输入电路。阻容组件和图2的功能类似。Ul(74HCl4)的作用是施米特整形和隔离。

图 6 开关输入电路

开关输入电路设计为高电平有效，这样可以提高系统的可靠性。原因是：在车用电器系统中，供电系统是24V系统，而且是电源负极接车体。也就是说，车体的所有金属体都是地电位。这样，开关输入端的装置和输入线缆在出现故障时，大多数故障是接地和开路。在这两种情况发生时，开关电路均为无效状态，系统在故障时是安全的。另外，电路在可能的最大输入电压下和反接的情况下，保证电路的安全。

2.3.2 电控单元的输出级

柴油电控单元的输出级，也像输入级一样，可分为模拟量的输出通道和数字量的输出通道。模拟量输出通道将单片机输出的数字控制信号转换成为模拟信号（电压和电流），作用于执行器以实现对别控制对象的控制，例如要控制比例电磁铁、动圈式力马达，就必须先将单片机输出的数字信号转换成为模拟信号，即电压；将此电压信号传送到功率放大级，绕后作用于这些执行器。数字量的输出通道将计算技输出的数字信号经所存、隔离后，在经过功率放大器输出，已控制那些可接受数字信号的执行器，实现对执行器的控制，例如控制高速电磁开关、步进电机等。

开关输出电路，单片机输出口受驱动能力的限制，一般情况下均需要经过接口电路才能和外部设备相连。由于控制对象的不同，输出电路也千差万别。一般情况下，设计输出电路时应考虑：输出电压和电源电压；输出电流；开关频率(上升和下降时问)：隔离和抗干扰性能一般的输出电路设计，就是根据负载的上述要求，选用相应的功率器件(三极管、MOS管和IGBT管)，进行功率的扩展设计。相应的技术书籍都有介绍。在ECU的开关输出电路设计时，除考虑如上参数外，必须保证外部电缆和负载出现故障时输出电路的安全。更近一步

的要求是：ECU能判断外部电缆和负载的故障。为了达到如上要求，一般选用高位驱动的开关输出电路，结构如图7：

计算机系统隔离电路功率驱动电路负载

图 7 高位驱动的开关输出电路结构图

模拟量输出通道：

模拟量的输出通道就是将单片机输出的数字转换为模拟量。这个工作主要由D/A转换器来完成。对于模拟量输出通道，要求可靠性高，满足一定的精度，还必须具有保持刚能。D/A转换器结构特性与应用特性主要表现为芯片内部结构的配置状态它对接口电路设计影响很大。主要特性：

（1）数字输入特性。包括接受数码制、数据格式及逻辑电平等。D/A转换器一般只能接受二进制数码，当输入数字代码为偏置码或补码等双极性数码时，应外接适当偏置电路才能实现。D/A转换器一般采用并行码和串行码两种数据形式，采用的逻辑电平多为TTL或低压CMOS电平。

(2)数字输出特性是指D/A转换器的输出电量特性，多数D/A转换器采用电流输出。对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器，用输出电压允许范围内来表示由输出电路（包括简单电阻或运算放大器）造成输出电压的可变动范围。只要求输出电压在输出电压允许范围内，输出电流与输入数字间保持正确的转换关系，而与输出电压的大小无关，对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电流或虚地，否则将破坏其转换关系。

（3）参考源。参考电压源是影响输出结果的模拟参量，它是重要的接口电路。对于内部带有参考电压源的D/A转换芯片，不仅保证有较好的转换精度，而且可以简化接口电路。参考电压的配置多数D/A转换器不带参考电压源，因而设计D/A接口电路时要配置参考电压源。目前咱考电压源只要有带温度补偿的齐纳二极管和能隙电压源。由于能隙电压源工作在正常线性区域，因而内部噪声小，工作稳定性好，在制作精密参考电压源是经常采用。外接参考电压源，可以采用简单的稳压电路形式如图a，也可以采用运算放大器的稳压电路如图 8 b、c，简单稳压电路提供的参考电压恒定，带运算放大器的参考电压源具有驱动能力强、负载变化对输出参考电压没有影响，素以参考电压可以调节等性能。

a．简单的稳压电路 b.带运算放大器的稳压电路 c.无负载影响的稳压电路

图 8

2.4 开关量的输出通道及功率放大器

<一> 开关量的输出通道

开关量输出通道将计算机输出的数字量控制信号传递给开关型或脉冲型的执行器其典型结构如下图：

图 9 开关量输出通道的结构形式

开关量输出通道与计算机接口的任务，是将计算机输出的数字量锁存后再输出，以保证在程序规定的期限内，输出的开关状态保持不变。

<二>功率放大器

计算机输出的控制信号经过输出通道的处理后，一般还需要经过功率放大器后才能作用于执行机构。这是因为经过输出通道所处理的信号量还不足于驱动各种执行机构。柴油机电控系统中功率放大器的负载可能是直流伺服电动机、动圈式力马达、直流比例电磁铁、高速电磁阀、不进电动机等。功率放大级除了必须有足够的输出功率外，还必须有良好的稳态和动态特性。

功率放大级和前置放大电压级之间的耦合，目前都趋向于无输出变压器的直接耦合方式，功率输出级则采用由一对射级跟随器组成的互补型放大器如图10 a 其放大失真较小，输出功耗较低。为实行过电流保护，在负载回路中可接入熔断器。

作为功率输出级使用的三极管，对其耐压、最大允许电流及耗散功率的要求都较高。由于前置放大的负载电流一般仅为数毫安，而功率放大级负载电流往往需要数十、数百、甚至数千安培，仅用单个晶三极体管很难达到。为此可按达林顿提出的方法，将两个三极管按图10 b 所式方法复合在一起。此时有

b121c2i i ββ≈ （2-1）式中 1β、 2β—三极管V1和V2的电流放大系数。

a b

图 10

(1)柴油机电子控制系统常采用电流反馈型功率放大器

对动圈式和动铁式电-机械转换器，控制线圈的电感一般比较大，如采用电压反馈式放大器，其电器时间常数变得不可忽略，故往往采用电流反馈，使功率放大器只有很小的电气时间常数。如图11 a 、b 。示出了两种电路的等效电路。对于c 所示的电压反馈放大器根据a 点虚地的概念，有

i u 1u R R ≈

（2-2）

）（o c c i u 0R R L ++= （2-3）

式中 c R 、o R —控制线圈电阻和放大器内阻；c L —控制线圈电感；0u —

放大器输出端电压；f R、1R—输入电阻和反馈电阻。

a 带电压反馈的功率放大器等效电路

b 带电流反馈的功率放大器等效电路

图 11

由上式可得输入电压至控制电流的传递函数为

）

（

）

（

（2-4）

时间常数（2-5）如图d所示的电流反馈电路，增加了一个输出电流采样电阻/c

R，可得

-（2-6）

u0=/

u/R

≈

）

（o

c R

L+

=（2-7）由上可解得电流反馈放大器的输入电压ui至控制电流i的传递函数为

s c 1f/s u s i /

i +≈

T R R R ）

（）（ (2-8)

c c (f c

11o)c c c/(//

R R R R R AR R R R L T +++

++=

时间常数 (2-9)

由于放大器开环电压增益很大，采用电流反馈的放大器电气时间常数可大幅度减小。由于/c R 《c R ，故在采样电阻上的功耗可以忽略。 (2)比例电磁铁的功率放大器

由于比例电磁铁在柴油机电控系统中的应用比较广泛，比例电磁铁通常所需要的驱动电流较大，除了足够的驱动功率外，比例控制放大器还必须要有良好的稳态和动态特性。为此，功率放大器的输入信号除给定控制信号外，通常还包括多重控制信号，如颤振信号、初始电流设定信号、负载电流反馈信号、检测值反馈信号等。根据控制信号综合后的处理方式不同，功率放大器有模拟式和脉宽调制式两种，我们现在主要来了解一下模拟功率放大器的原理如图12 e 、f ；e 为结构框图，f 为电路原理图。

断路检测信号

例电磁铁

f 模拟功率放大电路

图12

模拟功率放大器如图2.4. f 住放大电路由一级运放组成的放大器A1、

功率管电流扩展及有源电流负反馈电路三个环节组成。常用的比例电磁铁驱动电流为0.8-2A 或更大，故需要有扩展运放输出功率的电路。

调整电位器RP ，使运放A2的同相输入端的电压为某一正值ub ，并且适当地选择电阻，使式

8R R R R = (2-10)

成立，则在I L R 11-ub ≥0之前，差动放大器A2的输出电压成立。由于VD1的作用，反馈通道截止，A1工作在开环状态，这时只需要给出很小的负载偏压（由R2调整），A1则迅速饱和导通，V1和V2功率放大管也同时导通，产生一个阶跃电流通入负载Lo 此电流称为初始电流其值为

0ub R I L =

(2-11)

调整电位器RP 输入一个负值的初始电压，使运放A2的输出uf 刚好为