基于PLC控制的电驱动电控发动机实训教学演示台架设计

张兴安

摘 要：设计了一种基于PLC控制的电驱动电控发动机实训教学演示台架，由驱动电机、PLC控制器、发动机及电控系统等组成，用于解决高职汽车类专业汽车发动机电控系统的教学培训。台架采用汽车加速踏板、电控发动机实车、发动机控制器ECU及附属传感器、执行器等实车部件，三项交流电机驱动。由于采用了电动机代替内燃机作为发动机的动力装置，能够在发动机长时间的运转情况下，不产生高温，尾气排放不彻底而导致实训室环境无法正常教学等问题，同时，不消耗燃油，使整个教学过程既卫生又环保，极大地方便了发动机模拟教学。

关键词：发动机 电控系统 教学演示台架 PLC控制器

目前，高职学生学习电控发动机及电控系统的检修，采用电控发动机实训台架教学，实训台架通过与发动机上多个传感器连接的ECU（Electronic Control Unit）电子控制单元，即车载电脑，采用汽油作为燃料，直观认识电控汽油发动机结构和工作原理，能够对汽车电控系统设置故障、演示故障现象，能够对电控系统部件性能检测、实验，能够采集各传感器和执行器工作过程中的动态信号，真实地反映电控发动机正常工作过程中的检测数据，提高学生的维修技术。

在实际教学中，为了加强学生实践技能，在电控发动机实训台架上需要连续做多种不同实验，或同一个实验需要重复完成多次，例如，學生在发动机运转过程中检测各传感器和执行器标准数据和波形时，在发动机故障排除教学中学生排除故障时，由于学生人数较多，同一个数据检测要重复多次（教师演示、学生操作、教师纠错、每个学生操作……），这样就要使发动机长期运转。发动机机体温度维持在较高状态，给学习的学生带来不安全因素;实训室虽然有发动机尾气排放系统，但是发动机尾气排放还是不彻底，造成实训室环境污染严重，甚至不能进行正常教学活动;由于发动机长期运转造成燃油的消耗，增加了教学成本。因此，现有技术还有待于改进和发展。笔者基于PLC控制开发了电驱动电控发动机实训教学演示台架，以满足高职汽车类专业教学培训的需求，让学生深入理解发动机电控系统的工作原理和工作过程，掌握电控发动机故障检测与排除。

1 整体设计

本文设计了可供高职教育或相关技术培训领域使用的电控发动机实训教学演示台架，采用电动机作为发动机的驱动动力装置，尽量真实地模拟实车电控发动机运行状态。能够在发动机长时间的运转情况下，不产生高温，尾气排放不彻底而导致实训室环境无法正常教学等问题，同时，不消耗燃油，使整个教学过程既卫生又环保，极大地方便了电控发动机检修课程的教学，见图1。

控制原理：

当需要开机时，接通点火开关，电机控制器180、发动机ECU 160工作电源接通，系统处于通电待机状态。

启动及怠速状态，接通点火开关启动档位，启动发动机110，发动机ECU160、电机控制器180接收到启动信号，电动机120运转，带动发动机110转动。发动机电控系统工作，发动机ECU160向电机控制器180输送转速信号、怠速信号、节气门信号、点火信号、喷油信号，电机控制器180以此判断发动机工作状态控制电动机120转动，发动机怠速运转，关闭启动开关，启动过程结束。

当做踏下油门踏板150动作，发动机110的节气门开度加大，进气量增多，发动机ECU 160将对应的喷油信号、点火信号、节气门信号、转速信号传给电动机控制器180，电动机控制器180将上述控制信号转化为对应的电动机控制信号，控制电动机120带动发动机110按照相同喷油信号、点火信号、转速信号、节气门信号时，发动机110输出的转速进行运转，使同等控制动作下，发动机110进入与内燃机驱动时相同的运转状态。

当发动机110在运转中，若传感器或执行器损坏，喷油信号、点火信号、转速信号、节气门信号、怠速信号反馈会不正常，发动机ECU 160将对应的信号反馈给电动机控制器180，电动机控制器180控制电动机120转速做出相应的变化，使发动机110对应产生转速上的变化，将对应的故障现象表现出来。

设备启动中，若收不到转速信号、所有喷油器信号、所有点火信号，发动机110不能启动怠速运转。

设备运转中，若一个气缸不喷油或不点火，电动机控制器180收不到信号，控制电动机120带动发动机110降速工作，并且转速不稳定。

设备运转中，若转速信号损坏，电动机控制器180收不到发动机转速信号，控制电动机120停止运转，发动机110不转动。

设备运转中，若发动机ECU 160不工作，电动机控制器180收不到喷油信号、点火信号、转速信号、节气门信号，控制电动机120停止运转，发动机110不转动。

设备运转中，若发动机ECU 160、电动机控制器180收不到启动信号，控制电动机120停止运转，发动机110不转动。

设备运转中，若怠速信号损坏，电动机控制器180收不到发动机怠速信号，控制电动机120带动发动机110高于怠速运转。

设备运转中，若油门踏板150或节气门信号损坏，电动机控制器180收不到发动机节气门开度信号，控制电动机120带动发动机110怠速运转，不能实现加速、减速。

2 硬件设计

2.1 结构设计

电驱动电控发动机实训教学演示台架，包括可移动的机架100，设置于机架100上的发动机110，与所述发动机110电性连接的160发动机ECU，在机架100上还设有用于驱动发动机110运转的电动机120，通过设置与发动机110上的多个传感器与160发动机ECU连接，实现采集发动机110运转过程的各项数据。

电动机120设置在机架100上位于发动机110重心下端，这样保证实训装置整体重心下移，且不偏离原有的重心所在的竖直方向，以使发动机110运转过程中不会因重心的改变而产生额外的震动。

发动机110的驱动轴端部设有第一皮带轮111，第一皮带轮111上设有两个用于安装皮带112的槽。电动机120的主轴端部设有第二皮带轮121，这样，第一皮带轮111上其中一个槽通过皮带112与第二皮带轮121通过皮带建立机械传动，实现电动机120驱动发动机110运转。

机架100上还设有发电机130，同样的，第二皮带轮121上另外一个槽通过皮带112与发电机130主轴连接，这样，发动机110的驱动轴转动时，通过皮带112带动发电机130发电。

机架100上还设有用于控制电动机120的电控柜140。电控柜140内部设有电动机控制器180，电动机控制器180与电动机120连接。

机架100上还设有油门踏板150，用于给发动机ECU160输送控制信号，控制节气门170开度，节气门170开度信号控制电控柜140内的电动机控制器180，进而控制电动机120转速、发动机110转速。

100可移动的机架;110发动机;120电动机;111第一皮带轮;112皮带;121第二皮带轮;130发电机;140电控柜;150油门踏板;160发动机ECU;170节气门;180电机控制器。

具体工作过程：

接通点火开关，电控柜140内的电动机控制器180接收到控制信号，接通三项电源，在油门踏板150时抬起状态时，节气门170开度处于怠速状态时，电动机控制器180控制电动机120运转运转，带动发动机110怠速转动，发动机电控系统怠速状态下工作。

当踏下油门踏板150动作时，发动机ECU160接到控制信号，发动机ECU160经过计算控制节气门170开度，节气门170开度信号，控制电动机控制器180接收到节气门170开度信号，控制电动机120带动发动机110，模拟怠速、加速、减速等工作状态。

电驱动电控发动机实训教学演示台架，通过电动机驱动发动机运转，在不使用燃油的情况下，实现模拟发动机各工况运转，并按照原有的发动机实训装置的实验实训项目进行教学，避免了由于内燃机驱动时产生高温，消除了操作时的安全隐患，方便长时间操作，且节能环保。

2.2 控制电路设计

发动机在汽车是作为动力源，但是在本次设计中是作为负载来使用，所以并不以汽油作为燃料将其发动，而是通过异步电机通过皮带传动，将其拖动。电机带动此发动机需较大的力矩，需要4-5马力的电机拖动。通常1KW的电机可拖动1.5马力的负载，所是电机的功率确定为4KW;由于功率较大，驱动电压380V，所以电机型号确定为YE2-112W-2的三相异步电机。

系统中，变频器的选型是富士品牌的FRENIC 5000P9S，此变频器具有矢量控制功能。在PLC的选型方面，本方案需要2路模拟量，及多路数字量，环境的电磁干扰较小，所以本方案使用台达PLC基本模块DVP24ES2和与其配套的扩展模块DVP06XA-E2。系统的主要负载是三相异步电机，其额定的电流为8.1A，负载也较轻，所以主电路的漏电开关选择为10A，同漏电开关具有漏电保护;当设备出现漏时，漏电开开会自动跳闸，对学生的操作具有一定的保护作用。

上面图4的线号1L1与N是一组交流220的电源，连接到PLC的接线端子L，N，给PLC进行供电。而线号为1L+，-1M则是直流24V电源，给PLC的扩展模块及一些直流继电器的线圈进行供电。在图4的右端是PLC的扩展模块，模块上面是模拟量的输入端子，一共是4路，第一路是接到节气门模拟量的输出源当中。而扩展模块的下方是模拟量的输出端子，共两路。第一路则是接到变频器模拟量接收源。

上面图5是PLC前部分数字量输入点连接的电气原理图，主要连接4个发动机四个缸的点火线圈的信号，通过电气元件可以将各个点火信号传入到PLC的输入端，作为发动机转速的参考。同时也连接了启动按钮与自夸旋钮。PLC的X6与X7则连接的是1号与2号的喷油嘴。

上面图6是PLC后部分数字量输入点连接的电气原理图，PLC的X10与X11则连接的是3号与4号的喷油嘴，通过电气检测元件可以将各个喷油嘴的喷油信号传入到PLC的输入端，也作为发动机转速的参考。同时，X14与X15也连接了怠速检测电气元件与停止旋钮。PLC的X16连接的是变频器的报警信号，当变频器出现报警时，PLC能接收到此信号并停止PLC的一些输出。

上面图7是PLC数字量输出点连接的电气原理图，PLC的Y0与Y1连接的是变频器的MI1与MI2的信号，一个是控制运行命令一个则是控制方向。Y2与Y3驱动的是发动机运行与停止的指示灯，给学习者直观显示发动机的状态。Y4與Y7四个输出点则是驱动发动机四个缸喷油嘴工作状态的指示灯，也给学习者直观显示发动机喷油嘴的工作状态。

下面图8是PLC模拟量连接的电气原理图，模拟量模块DVP06XA的第一路模拟量输入连接的是节气门的模拟量输入出点，能接收到节气门的开度信号。模拟量模块的第二路与第三路模拟量输入连接的是变频器的反馈信号，分别是变频器运行的频率反馈与电流反馈。而模拟量模块DVP06XA也有两路模拟量输出，这里只用到了第一路，连接的是变频器的频率给定端子2与5，从而控制变频器的运行频率来控制带动发动机运行的三相异步电动机。

3 控制程序设计及参数设置

系统里，变频器的选型是富士品牌的FRENIC系列，其变频器的参数设置，需要翻看该类的变频器参数说明书。此系统采用的是模拟量调速，由PLC输出的模拟量控制变频器的输出频率，从而达到控制三相异步电动机的转速。根据此调速方法，查阅其说明书，主要设置如下几个参数，见下表1。

在编写PLC程序之前，首先要根据前面的电气原理图，对PLC的输入输出点进行分配。输入点主要有启动按钮，自动按钮，发动机每个缸点火线圈反馈信号的反馈及喷油嘴的反馈。输出点主要是驱动变频器运转的信号及一些指示灯的信号。具体的定义见下表2的PLC I/O分配表。

系统的PLC用的是台达DVP，此项目选用WPLSoft的编程软件进行程序的编写，程序是主要内容有电机的运行命令，及其转速的调节，点火线圈信号采集判断等内容。在编写程序之前先编辑程序流程图，见下面的图9。

根据流程图进行PLC程序的编写，语言采用经典的梯形图语言进行编程，下面的图10的内容是PLC程序的主要部分。寄存器变量D9904是模拟量模块的直接输出部分，驱动变频器的输出频率。而输出点Y2与Y3，是驱动变频器运行与运行方向的信号。

4 功能验证

控制系统经过多次的调试，基本上要求也都达到了控制要求，能满足逻辑控制，电机速度可调且运行速度精度较高。在调试过程中存在一个小的问题可以进一步完善，发动机的调速主要是由发动机的节气门的开度决定，其提供的模拟电压进行调速，后续可增加发动机的点火信号，发动机温度等条件，共同控制发动机的速度。

5 结语

电驱动电控发动机实训教学演示台架，在我校汽车运用与维修技术专业的“汽车发动机电控系统检修”课程教学使用，在不使用燃油的情况下，实现模拟发动机各工况运转;可以按照原有的电控发动机实训台的实验实训项目进行教学;避免了由于发动机着火运转产生高温，消除了学生操作时的安全隐患;不需要燃油消耗，降低实训费用，没有排放污染;可以长时间使发动机运转，学生可以多人次、重复学习检测各传感器和执行器标准数据和波形，检测、分析、排除发动机故障。加深了学生对发动机电控系统工作原理的理解，提高了操作技能，为学生后续进行实车发动机电控系统检修奠定了了基础。此外，汽车智能技术专业的，机器人专业、数控专业相关课程，也采用该台架，进行自动化控制技术的教学。如《PLC应用技术》、《变频与伺服》、《电力拖动》等一些课程可以用到此实训台教学。它涉到PLC控制，变频调速，电力拖动等内容，是一个较为综合的教学项目载体，锻炼学生综合运用能力。