基于PLC控制的電驅動電控發(fā)動機實訓教學演示臺架設計

張興安

摘 要：設計了一種基于PLC控制的電驅動電控發(fā)動機實訓教學演示臺架，由驅動電機、PLC控制器、發(fā)動機及電控系統(tǒng)等組成，用于解決高職汽車類專業(yè)汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)的教學培訓。臺架采用汽車加速踏板、電控發(fā)動機實車、發(fā)動機控制器ECU及附屬傳感器、執(zhí)行器等實車部件，三項交流電機驅動。由于采用了電動機代替內燃機作為發(fā)動機的動力裝置，能夠在發(fā)動機長時間的運轉情況下，不產生高溫，尾氣排放不徹底而導致實訓室環(huán)境無法正常教學等問題，同時，不消耗燃油，使整個教學過程既衛(wèi)生又環(huán)保，極大地方便了發(fā)動機模擬教學。

關鍵詞：發(fā)動機 電控系統(tǒng) 教學演示臺架 PLC控制器

目前，高職學生學習電控發(fā)動機及電控系統(tǒng)的檢修，采用電控發(fā)動機實訓臺架教學，實訓臺架通過與發(fā)動機上多個傳感器連接的ECU（Electronic Control Unit）電子控制單元，即車載電腦，采用汽油作為燃料，直觀認識電控汽油發(fā)動機結構和工作原理，能夠對汽車電控系統(tǒng)設置故障、演示故障現(xiàn)象，能夠對電控系統(tǒng)部件性能檢測、實驗，能夠采集各傳感器和執(zhí)行器工作過程中的動態(tài)信號，真實地反映電控發(fā)動機正常工作過程中的檢測數(shù)據(jù)，提高學生的維修技術。

在實際教學中，為了加強學生實踐技能，在電控發(fā)動機實訓臺架上需要連續(xù)做多種不同實驗，或同一個實驗需要重復完成多次，例如，學生在發(fā)動機運轉過程中檢測各傳感器和執(zhí)行器標準數(shù)據(jù)和波形時，在發(fā)動機故障排除教學中學生排除故障時，由于學生人數(shù)較多，同一個數(shù)據(jù)檢測要重復多次（教師演示、學生操作、教師糾錯、每個學生操作……），這樣就要使發(fā)動機長期運轉。發(fā)動機機體溫度維持在較高狀態(tài)，給學習的學生帶來不安全因素;實訓室雖然有發(fā)動機尾氣排放系統(tǒng)，但是發(fā)動機尾氣排放還是不徹底，造成實訓室環(huán)境污染嚴重，甚至不能進行正常教學活動;由于發(fā)動機長期運轉造成燃油的消耗，增加了教學成本。因此，現(xiàn)有技術還有待于改進和發(fā)展。筆者基于PLC控制開發(fā)了電驅動電控發(fā)動機實訓教學演示臺架，以滿足高職汽車類專業(yè)教學培訓的需求，讓學生深入理解發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作原理和工作過程，掌握電控發(fā)動機故障檢測與排除。

1 整體設計

本文設計了可供高職教育或相關技術培訓領域使用的電控發(fā)動機實訓教學演示臺架，采用電動機作為發(fā)動機的驅動動力裝置，盡量真實地模擬實車電控發(fā)動機運行狀態(tài)。能夠在發(fā)動機長時間的運轉情況下，不產生高溫，尾氣排放不徹底而導致實訓室環(huán)境無法正常教學等問題，同時，不消耗燃油，使整個教學過程既衛(wèi)生又環(huán)保，極大地方便了電控發(fā)動機檢修課程的教學，見圖1。

控制原理：

當需要開機時，接通點火開關，電機控制器180、發(fā)動機ECU 160工作電源接通，系統(tǒng)處于通電待機狀態(tài)。

啟動及怠速狀態(tài)，接通點火開關啟動檔位，啟動發(fā)動機110，發(fā)動機ECU160、電機控制器180接收到啟動信號，電動機120運轉，帶動發(fā)動機110轉動。發(fā)動機電控系統(tǒng)工作，發(fā)動機ECU160向電機控制器180輸送轉速信號、怠速信號、節(jié)氣門信號、點火信號、噴油信號，電機控制器180以此判斷發(fā)動機工作狀態(tài)控制電動機120轉動，發(fā)動機怠速運轉，關閉啟動開關，啟動過程結束。

當做踏下油門踏板150動作，發(fā)動機110的節(jié)氣門開度加大，進氣量增多，發(fā)動機ECU 160將對應的噴油信號、點火信號、節(jié)氣門信號、轉速信號傳給電動機控制器180，電動機控制器180將上述控制信號轉化為對應的電動機控制信號，控制電動機120帶動發(fā)動機110按照相同噴油信號、點火信號、轉速信號、節(jié)氣門信號時，發(fā)動機110輸出的轉速進行運轉，使同等控制動作下，發(fā)動機110進入與內燃機驅動時相同的運轉狀態(tài)。

當發(fā)動機110在運轉中，若傳感器或執(zhí)行器損壞，噴油信號、點火信號、轉速信號、節(jié)氣門信號、怠速信號反饋會不正常，發(fā)動機ECU 160將對應的信號反饋給電動機控制器180，電動機控制器180控制電動機120轉速做出相應的變化，使發(fā)動機110對應產生轉速上的變化，將對應的故障現(xiàn)象表現(xiàn)出來。

設備啟動中，若收不到轉速信號、所有噴油器信號、所有點火信號，發(fā)動機110不能啟動怠速運轉。

設備運轉中，若一個氣缸不噴油或不點火，電動機控制器180收不到信號，控制電動機120帶動發(fā)動機110降速工作，并且轉速不穩(wěn)定。

設備運轉中，若轉速信號損壞，電動機控制器180收不到發(fā)動機轉速信號，控制電動機120停止運轉，發(fā)動機110不轉動。

設備運轉中，若發(fā)動機ECU 160不工作，電動機控制器180收不到噴油信號、點火信號、轉速信號、節(jié)氣門信號，控制電動機120停止運轉，發(fā)動機110不轉動。

設備運轉中，若發(fā)動機ECU 160、電動機控制器180收不到啟動信號，控制電動機120停止運轉，發(fā)動機110不轉動。

設備運轉中，若怠速信號損壞，電動機控制器180收不到發(fā)動機怠速信號，控制電動機120帶動發(fā)動機110高于怠速運轉。

設備運轉中，若油門踏板150或節(jié)氣門信號損壞，電動機控制器180收不到發(fā)動機節(jié)氣門開度信號，控制電動機120帶動發(fā)動機110怠速運轉，不能實現(xiàn)加速、減速。

2 硬件設計

2.1 結構設計

電驅動電控發(fā)動機實訓教學演示臺架，包括可移動的機架100，設置于機架100上的發(fā)動機110，與所述發(fā)動機110電性連接的160發(fā)動機ECU，在機架100上還設有用于驅動發(fā)動機110運轉的電動機120，通過設置與發(fā)動機110上的多個傳感器與160發(fā)動機ECU連接，實現(xiàn)采集發(fā)動機110運轉過程的各項數(shù)據(jù)。

電動機120設置在機架100上位于發(fā)動機110重心下端，這樣保證實訓裝置整體重心下移，且不偏離原有的重心所在的豎直方向，以使發(fā)動機110運轉過程中不會因重心的改變而產生額外的震動。

發(fā)動機110的驅動軸端部設有第一皮帶輪111，第一皮帶輪111上設有兩個用于安裝皮帶112的槽。電動機120的主軸端部設有第二皮帶輪121，這樣，第一皮帶輪111上其中一個槽通過皮帶112與第二皮帶輪121通過皮帶建立機械傳動，實現(xiàn)電動機120驅動發(fā)動機110運轉。

機架100上還設有發(fā)電機130，同樣的，第二皮帶輪121上另外一個槽通過皮帶112與發(fā)電機130主軸連接，這樣，發(fā)動機110的驅動軸轉動時，通過皮帶112帶動發(fā)電機130發(fā)電。

機架100上還設有用于控制電動機120的電控柜140。電控柜140內部設有電動機控制器180，電動機控制器180與電動機120連接。

機架100上還設有油門踏板150，用于給發(fā)動機ECU160輸送控制信號，控制節(jié)氣門170開度，節(jié)氣門170開度信號控制電控柜140內的電動機控制器180，進而控制電動機120轉速、發(fā)動機110轉速。

100可移動的機架;110發(fā)動機;120電動機;111第一皮帶輪;112皮帶;121第二皮帶輪;130發(fā)電機;140電控柜;150油門踏板;160發(fā)動機ECU;170節(jié)氣門;180電機控制器。

具體工作過程：

接通點火開關，電控柜140內的電動機控制器180接收到控制信號，接通三項電源，在油門踏板150時抬起狀態(tài)時，節(jié)氣門170開度處于怠速狀態(tài)時，電動機控制器180控制電動機120運轉運轉，帶動發(fā)動機110怠速轉動，發(fā)動機電控系統(tǒng)怠速狀態(tài)下工作。

當踏下油門踏板150動作時，發(fā)動機ECU160接到控制信號，發(fā)動機ECU160經(jīng)過計算控制節(jié)氣門170開度，節(jié)氣門170開度信號，控制電動機控制器180接收到節(jié)氣門170開度信號，控制電動機120帶動發(fā)動機110，模擬怠速、加速、減速等工作狀態(tài)。

電驅動電控發(fā)動機實訓教學演示臺架，通過電動機驅動發(fā)動機運轉，在不使用燃油的情況下，實現(xiàn)模擬發(fā)動機各工況運轉，并按照原有的發(fā)動機實訓裝置的實驗實訓項目進行教學，避免了由于內燃機驅動時產生高溫，消除了操作時的安全隱患，方便長時間操作，且節(jié)能環(huán)保。

2.2 控制電路設計

發(fā)動機在汽車是作為動力源，但是在本次設計中是作為負載來使用，所以并不以汽油作為燃料將其發(fā)動，而是通過異步電機通過皮帶傳動，將其拖動。電機帶動此發(fā)動機需較大的力矩，需要4-5馬力的電機拖動。通常1KW的電機可拖動1.5馬力的負載，所是電機的功率確定為4KW;由于功率較大，驅動電壓380V，所以電機型號確定為YE2-112W-2的三相異步電機。

系統(tǒng)中，變頻器的選型是富士品牌的FRENIC 5000P9S，此變頻器具有矢量控制功能。在PLC的選型方面，本方案需要2路模擬量，及多路數(shù)字量，環(huán)境的電磁干擾較小，所以本方案使用臺達PLC基本模塊DVP24ES2和與其配套的擴展模塊DVP06XA-E2。系統(tǒng)的主要負載是三相異步電機，其額定的電流為8.1A，負載也較輕，所以主電路的漏電開關選擇為10A，同漏電開關具有漏電保護;當設備出現(xiàn)漏時，漏電開開會自動跳閘，對學生的操作具有一定的保護作用。

上面圖4的線號1L1與N是一組交流220的電源，連接到PLC的接線端子L，N，給PLC進行供電。而線號為1L+，-1M則是直流24V電源，給PLC的擴展模塊及一些直流繼電器的線圈進行供電。在圖4的右端是PLC的擴展模塊，模塊上面是模擬量的輸入端子，一共是4路，第一路是接到節(jié)氣門模擬量的輸出源當中。而擴展模塊的下方是模擬量的輸出端子，共兩路。第一路則是接到變頻器模擬量接收源。

上面圖5是PLC前部分數(shù)字量輸入點連接的電氣原理圖，主要連接4個發(fā)動機四個缸的點火線圈的信號，通過電氣元件可以將各個點火信號傳入到PLC的輸入端，作為發(fā)動機轉速的參考。同時也連接了啟動按鈕與自夸旋鈕。PLC的X6與X7則連接的是1號與2號的噴油嘴。

上面圖6是PLC后部分數(shù)字量輸入點連接的電氣原理圖，PLC的X10與X11則連接的是3號與4號的噴油嘴，通過電氣檢測元件可以將各個噴油嘴的噴油信號傳入到PLC的輸入端，也作為發(fā)動機轉速的參考。同時，X14與X15也連接了怠速檢測電氣元件與停止旋鈕。PLC的X16連接的是變頻器的報警信號，當變頻器出現(xiàn)報警時，PLC能接收到此信號并停止PLC的一些輸出。

上面圖7是PLC數(shù)字量輸出點連接的電氣原理圖，PLC的Y0與Y1連接的是變頻器的MI1與MI2的信號，一個是控制運行命令一個則是控制方向。Y2與Y3驅動的是發(fā)動機運行與停止的指示燈，給學習者直觀顯示發(fā)動機的狀態(tài)。Y4與Y7四個輸出點則是驅動發(fā)動機四個缸噴油嘴工作狀態(tài)的指示燈，也給學習者直觀顯示發(fā)動機噴油嘴的工作狀態(tài)。

下面圖8是PLC模擬量連接的電氣原理圖，模擬量模塊DVP06XA的第一路模擬量輸入連接的是節(jié)氣門的模擬量輸入出點，能接收到節(jié)氣門的開度信號。模擬量模塊的第二路與第三路模擬量輸入連接的是變頻器的反饋信號，分別是變頻器運行的頻率反饋與電流反饋。而模擬量模塊DVP06XA也有兩路模擬量輸出，這里只用到了第一路，連接的是變頻器的頻率給定端子2與5，從而控制變頻器的運行頻率來控制帶動發(fā)動機運行的三相異步電動機。

3 控制程序設計及參數(shù)設置

系統(tǒng)里，變頻器的選型是富士品牌的FRENIC系列，其變頻器的參數(shù)設置，需要翻看該類的變頻器參數(shù)說明書。此系統(tǒng)采用的是模擬量調速，由PLC輸出的模擬量控制變頻器的輸出頻率，從而達到控制三相異步電動機的轉速。根據(jù)此調速方法，查閱其說明書，主要設置如下幾個參數(shù)，見下表1。

在編寫PLC程序之前，首先要根據(jù)前面的電氣原理圖，對PLC的輸入輸出點進行分配。輸入點主要有啟動按鈕，自動按鈕，發(fā)動機每個缸點火線圈反饋信號的反饋及噴油嘴的反饋。輸出點主要是驅動變頻器運轉的信號及一些指示燈的信號。具體的定義見下表2的PLC I/O分配表。

系統(tǒng)的PLC用的是臺達DVP，此項目選用WPLSoft的編程軟件進行程序的編寫，程序是主要內容有電機的運行命令，及其轉速的調節(jié)，點火線圈信號采集判斷等內容。在編寫程序之前先編輯程序流程圖，見下面的圖9。

根據(jù)流程圖進行PLC程序的編寫，語言采用經(jīng)典的梯形圖語言進行編程，下面的圖10的內容是PLC程序的主要部分。寄存器變量D9904是模擬量模塊的直接輸出部分，驅動變頻器的輸出頻率。而輸出點Y2與Y3，是驅動變頻器運行與運行方向的信號。

4 功能驗證

控制系統(tǒng)經(jīng)過多次的調試，基本上要求也都達到了控制要求，能滿足邏輯控制，電機速度可調且運行速度精度較高。在調試過程中存在一個小的問題可以進一步完善，發(fā)動機的調速主要是由發(fā)動機的節(jié)氣門的開度決定，其提供的模擬電壓進行調速，后續(xù)可增加發(fā)動機的點火信號，發(fā)動機溫度等條件，共同控制發(fā)動機的速度。

5 結語

電驅動電控發(fā)動機實訓教學演示臺架，在我校汽車運用與維修技術專業(yè)的“汽車發(fā)動機電控系統(tǒng)檢修”課程教學使用，在不使用燃油的情況下，實現(xiàn)模擬發(fā)動機各工況運轉;可以按照原有的電控發(fā)動機實訓臺的實驗實訓項目進行教學;避免了由于發(fā)動機著火運轉產生高溫，消除了學生操作時的安全隱患;不需要燃油消耗，降低實訓費用，沒有排放污染;可以長時間使發(fā)動機運轉，學生可以多人次、重復學習檢測各傳感器和執(zhí)行器標準數(shù)據(jù)和波形，檢測、分析、排除發(fā)動機故障。加深了學生對發(fā)動機電控系統(tǒng)工作原理的理解，提高了操作技能，為學生后續(xù)進行實車發(fā)動機電控系統(tǒng)檢修奠定了了基礎。此外，汽車智能技術專業(yè)的，機器人專業(yè)、數(shù)控專業(yè)相關課程，也采用該臺架，進行自動化控制技術的教學。如《PLC應用技術》、《變頻與伺服》、《電力拖動》等一些課程可以用到此實訓臺教學。它涉到PLC控制，變頻調速，電力拖動等內容，是一個較為綜合的教學項目載體，鍛煉學生綜合運用能力。