李中豪，王文璇，曹兢哲
作者简介：李中豪（1992－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，动力机械及工程专业。
王文璇（1992－），女，长安大学汽车学院硕士研究生，载运工具运用工程。
曹兢哲（1991－），男，长安大学汽车学院硕士研究生，动力机械及工程专业。
摘 要：增压技术不仅是强化内燃机的最有效手段，而且对降低内燃机的污染、噪声和提高经济性也有积极的影响。由于常规涡轮增压存在低速转矩不足、部分负荷经济性差和瞬态响应迟缓的问题，而采用可变几何截面涡轮增压（VNT）是解决这些问题比较有效的方案。本文利用89C51单片机，以增压器和柴油机为研究对象，进行了VNT电控系统的软硬件设计。整个电控系统具有较高的控制精度和驱动能力，同时其整体结构简单紧凑并具有较低的应用成本。
关键词：增压技术；可变几何截面涡轮增压；软硬件设计
Abstract：Turbocharged technology is not only the most effective means to strengthen the internal combustion engine，but al－so having apositive impact to reduce pollution，noise，and improve the economy of the internal combustion engine．The con－ventional turbochargers exists many problems such as the lack of low－speedtorque，poor economy in part load and the slow transient response，while the variable nozzle turbocharger technology can solve these problem effectively．In this paper I have a design of electronic control system of VNT by using the microcontroller 89C51，the turbocharger and diesel engine are used as the object of study．The entire electronic control system has a high control accuracy and drive capability．At the same time，its overall structure is simple and it has a lower application costs．
Key words：Turbochargedtechnology；VNT；The design of hardware and software
1 引言
随着社会的发展，人们对汽车节约能源和降低污染物排放提出了越来越严格的要求。世界上许多国家致力于车辆新能源的开发，如电动汽车，压缩天然气汽车，氢燃料汽车等，但目前几十年，汽车的主要动力装置还将是汽油机和柴油机。由于柴油机比汽油机具有较高的热效率和良好的经济性，在柴油机采用涡轮增压与中冷后，升功率提高20％～50％，进一步降低了油耗，并且使柴油机的噪声、排放下降，从而在汽车上应用不断增多。［2］
涡轮增压中的可变截面涡轮增压器（VNT）可以很好的实现增压器与柴油机的相关匹配，［3］对燃油经济性、污染物排放以及低速时转矩储备等的改善都具有重大意义。伴随着电子技术的普及，VNT电子控制系统凭借控制精度高、反应灵敏和便于实现发动机与增压器在全工况范围内的良好匹配等优点而被越来越多的人深入研究。本文主要通过选用汽车级的51单片机AT89C51－12PA作为ECU控制单元，对VNT电控系统进行了硬件和软件的设计。
2 VNT控制系统的总体结构
2．1 可变截面涡轮增压的特点
传统的废气涡轮增压由于采用固定的涡轮截面导致其在全工况范围内不能很好地与柴油机相匹配。
采用VNT可以使汽车发动机在整个工况范围里的燃油经济性得到提高，主要是通过涡轮截面积的调节影响增压器的工作效率，使其在高效率区域内工作，进而使发动机燃油的经济性得到提高。在发动机的瞬态响应性改善方面，VNT相对于固定截面的涡轮增压器具有更加明显的优势，原因是VNT在加速和减速等瞬态工况下可以很快速地改变涡轮的喷嘴流通截面积，从而使增压压力、进气流量得到调整，使增压器与柴油机的匹配达到理想的效果，这样柴油机的瞬态响应性大大提高，并降低了排放。
2．2 输入参数及传感器的选择
表征增压发动机工况的参数很多，在此系统中，选择的自变量是发动机的转速、增压压力PC和节气门门位置。
当发动机在稳定工况下运转时，所产生的扭矩Ttq应该与工作过程中产生的阻力矩大小相同，所以可用Ttq来表示发动机的负荷，同时转速n也应与工作机械的转速成一定的比例。因此，常用Ttq与转速n来说明发动机所处的状况，即内燃机的工况［5］。
采用VNT后，通过改变喷嘴环叶片的角度，从而使增压压力的大小发生改变，也就相当于调节了发动机的过量空气系数，使VNT与发动机能够在各工况下匹配良好。因此在稳态下，VNT电控增压系统以增压压力PC作为控制目标［7］。
由以上可知，判断发动机的工况需要转速传感器和油门位置传感器，由于采用增压压力的闭环控制，所以还需要增压压力传感器。由于叶片位置与步进电机的位置是一一对应关系，所以需要确定步进电机位置的传感器，这里选择转角位移传感器。进气温度传感器是因为在实际运用中的大气环境条件与实验室的条件不相同，需要知道进气温度，以对从脉谱图中查出的增压压力进行修正。
2．3 电控单元（ECU）的选择
ECU是VNT电控系统的核心，它是信号采集部分和执行机构进行信号传输、转换及处理的中心。
本研究中的ECU主要由89C51单片机系统组成，包括适用于汽车的AT89C51－12PA单片机、并行输入／输出（I／O）、模／数（A／D）转换器ADC0809、地址锁存器74LS373、ULN2003等元件，可实现模拟信号数据采集、A／D转换、负载驱动等功能。
设计电路图时，由于转速测量采用脉冲计数的方式，其脉冲信号通过计数方式输入到89C52单片机的T0上；油门位置信号和增压压力信号都是模拟量，它们输入到ADC0809的IN 0～IN 7上的某两个个引脚上。而其它用到的用于修正反馈的传感器如进气温度传感器和转角位置传感器都是模拟信号也输入到ADC0809的输入引脚上．
2．4 执行器
国外VNT的执行机构多采用气动执行器，需要安装真空泵、电磁阀等辅助器件，整体结构较为复杂。电子执行器响应快、可靠性好、结构简单，是今后应用研究的趋势，其型式主要有步进电机和比例电磁铁两种。本研究中采用步进电机驱动涡轮喷嘴环和控制废气旁通阀开度。
3 发动机VNT电控系统电路设计
3．1 VNT电控系统的控制策略
发动机的VNT电子控制由三部分组成：传感器，ECU和控制执行器。传感器信号经过中间的处理电路，输入单片机的采集通道，单片机根据传感器来的信号，查找存储在ECU中的MAP图表，输出控制指令，通过输出通道，驱动步进电机，使喷嘴环叶片转动到预定的位置。在高速高负荷工况下，喷嘴环叶片的调节不足以实现涡轮机与发动机扭矩曲线的良好匹配，还需要通过ECU的信号，通过驱动电磁阀的步进电机控制废气旁通阀［4］。
3．2 硬件电路的设计
对于利用单片机来实现控制的VNT电控系统，被测对象的有关参数常常是连续变化的一些模拟量，如进气压力、进气温度等，它们必须转换成数字量后才能被计算机识别，并进行处理。这就是单片机与被测对象联系的所谓前向通道。计算机经过运算处理所产生的结果，往往需要再转换成模拟信号，从而使执行机构运作，控制被控对象；或者是进行数字量、开关量的直接控制。这是与被控对象（如电机）相联系的后向通道［1］。
3．2．1 前向通道的设计
前向通道，是控制系统的信号输入通道，单片机系统通过它来采集信号，在设计前向通道时需要考虑很多问题，比如信号的采集、A／D转换、信号的调节以及各种干扰的防治等。
A／D转换在采集数据的前向通道中是一个重要的部分。通过采集数据源输出的模拟信号，经过A／D转换，模拟信号转换成数字信号，从而可输入计算机。
VNT电控系统的输入信号有进气压力信号、油门位置信号、发动机转速信号、进气温度信号、转角位置信号，其中发动机转速信号是脉冲信号，而其余四个都是模拟信号。模拟信号需要通过电控系统的前向通道经过A／D转换器转换成数字信号，而发动机转速是脉冲信号，它可以直接输入单片机，通过定时器的计数功能来实现计数。
（1）A／D转换输入端口的选择
ADC0809芯片有28条引脚，其中IN0～IN7为8路模拟量输入端，2－1～2－8为8位数字量输出端。在这里采用IN0到IN3四个输入口作为A／D转换输入口，其中进气压力信号接IN0，油门位置传感器信号接IN1，进气压力信号接IN2，转角位置信号接IN3。
图1 前向通道（A／D）的设计
（2）发动机转速信号的处理
由于所用发动机转速传感器采集到的是脉冲信号，它不需要通过A／D转换。通过信号处理，它可以直接输入到89C51单片机的定时器T0口，通过定时计数得到发动机的转速。
3．2．2 单片机小系统
对51系列单片机来说，单片机＋晶振电路＋复位电路，便组成了一个最小系统。
图2 89C51单片机最小系统
（1）晶振电路
晶振电路是单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将不能工作；假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显，电路将无法通信。
（2）复位电路
给单片机一个复位信号（一个一定时间的低电频）使程序从头开始执行。一般有两种复位方式：上电复位和手动复位。这里我们采用的是上电自动复位［1］。
3．2．3 后向通道的设计
在单片机应用系统中，后向通道包括模拟量输出和数字量（开关量）输出。其中模拟量输出可以使得输出功率在零到满负荷之间连续变化运行。开关量输出则采用脉宽调制的方法，通过控制设备处于开／关状态的时间来达到控制目的。随着数字电路与计算机技术的普及，开关量输出的控制方法被越来越广泛地应用，由于控制技术的不断进步，利用开关量输出方法也能达到很好的控制效果。
在这个VNT电控系统中，输出信号是两个脉冲信号，它可以通过步进电机芯片ULN2003直接驱动步进电机来实现控制，因而不需要通过D／A转换输出。步进电机选用的是四相五线式步进电机，采用1－2相励磁法驱动方式（即四相八拍式），这种方式精度较高，且运转平滑。
4 VNT 电控系统软件设计
电控系统的软件设计是实现VNT电子控制的一个重要组成部分，它的好坏对电控系统中执行机构的控制精准度有重要影响，进而影响发动机的性能。控制软件越完善，控制系统的潜力就会得到越完美的发挥。
4．1 控制软件的功能
控制软件应包含很多功能，比如各种信号的采集、信号反馈、执行器驱动；一般情况下还包括对一些简单故障的处理，如转速传感器故障、温度传感器故障等；有时还有一些其他的辅助功能，各种功能之间有如下关系，如图3。
图3 控制软件的结构关系
4．2 控制系统软件整体结构
控制系统软件是使用51单片机语言完成编写，设计时使用了模块化的方式，根据要实现的功能以及控制系统的目标进行的相应设计。总体上，控制软件分成两部分，一个为前处理部分，另一个为工作循环部分。整体结构如图4所示。
图4 控制软件整体流程图
图中的A部分是前处理部分，它有复位功能以及初始化的功能。图中B是工作循环部分，包含控制系统的信号采集，对工作状态的判别，以及对执行机构的驱动等。在不同的工况下，发动机有不同的运行状态和工作特性，所以对VNT的控制也有不同的要求。在实际的发动机工作中，其运行状态是非常复杂的，这里仅研究三个典型的工作状态，即停机、超速、一般工况。一般工况的控制，对应控制范围在发动机map库的控制范围之内，停机和超速所对应的状态由于速度过低或过高，在map控制的范围之外。
5 结束语
采用电控VNT系统，可以根据发动机的工况调节涡轮的流通面积，VNT也可以调节涡轮的流量、增压压力值和过量空气系数。采用VNT后，低速时的转矩性提高了，高速时的经济性改善了，排放性能从整体上来说也有所改善。可见，采用VNT对于改善常规涡轮增压器的缺陷是很有成效的。本文主要从事如下一些工作：
（1）对VNT增压进行了总体设计，确定了控制中用到的输入参数、传感器、控制单元以及执行器等，并对进气温度修正进行了计算。
（2）进行了VNT控制电路的硬件设计，硬件系统包括信号采集、电控单元（ECU）和执行机构三部分。
（3）以MCS－51单片机语言为基础编制了VNT电控系统的控制软件。软件总体上分为前处理和工作循环两部分并采用模块化的结构。
［1］ 王建昕帅石金．汽车发动机原理［M］．北京：清华大学出版社，2011．
［2］ 李铁军．柴油机电控技术实用教程（第二版）［M］．北京：机械工业出版社，2013．
［3］ 李朝青．单片机原理及接口技术（第三版）［M］．北京：北京航空航天大学出版社2005．
［4］ 蒋得明编．内燃机的涡轮增压［M］．北京：机械工业出版社，1996．
［5］ 朱大鑫编．涡轮增压与涡轮增压器［M］．北京：机械：工业出版社，2002．
［6］ 陆家祥编．车用内燃机增压［M］．北京：机械工业出版社，2003．
［7］ 周龙保，刘巽俊，高宗英．内燃机学［M］．北京：机械工业出版社，1999．
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