氣動發(fā)動機的電控系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

隨著環(huán)境污染、能源危機等全球性問題的日益突出，代用燃料汽車、電動汽車和混合動力汽車等低排放、節(jié)能經(jīng)濟型的汽車相繼涌現(xiàn)。它們有各自突出的優(yōu)點，但同時也有相應(yīng)的局限。而壓縮空氣動力汽車(Air-powered Vehicle)是利用高壓壓縮空氣在發(fā)動機氣缸內(nèi)膨脹做功，推動活塞做功對外輸出動力，驅(qū)動汽車行駛。不僅壓縮空氣來源方便，而且它還具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、清潔環(huán)保等眾多優(yōu)點；可以實現(xiàn)零排放，是真正的環(huán)保汽車。

本課題將LF162MK改裝成由電控系統(tǒng)控制電磁閥噴射壓縮空氣的氣動發(fā)動機。本文進行了基于ATmcga16的氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計，該電控系統(tǒng)具有靈活、快速和準(zhǔn)確等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣動發(fā)動機各傳感器的實時測量和對執(zhí)行器的控制以及PC機上的實時監(jiān)控。

1 氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計總體方案

氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，系統(tǒng)主要完成以下任務(wù)：實時采集發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)：實現(xiàn)對特征參數(shù)快速精確的計算；實時控制電磁閥噴氣定時和噴氣量；實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通訊。

氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的設(shè)計要從系統(tǒng)檢測和控制功能的需求出發(fā)，按以下要求進行設(shè)計：選擇適當(dāng)?shù)男盘柌杉绞?，選用合理的傳感器，準(zhǔn)確地反映發(fā)動機各狀態(tài)參數(shù)；選用合適的控制芯片，采用低功耗高性能的元器件，簡化電路，提高控制精度；采用模塊化設(shè)計方法；系統(tǒng)具有抗振動和抗干擾性能；驅(qū)動模塊具有良好的可靠性和負(fù)載能力；適應(yīng)車載發(fā)動機實際工作環(huán)境。

2 氣動發(fā)動機電控單元硬件設(shè)計

電控單元(ECU)是整個氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的核心。它由微控制系統(tǒng)模塊、輸入信號處理模塊、功率輸出執(zhí)行模塊和通訊模塊等部分組成。ECU要完成的主要任務(wù)有：實時處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、濾波和整形放大，轉(zhuǎn)換成單片機可以讀取的標(biāo)準(zhǔn)信號；通過數(shù)學(xué)計算和邏輯判斷制定出控制命令驅(qū)動執(zhí)行器(高速電磁閥)工作，實現(xiàn)對噴氣定時、噴氣量的準(zhǔn)確控制；實現(xiàn)CAN總線實時通訊任務(wù)，從而使發(fā)動機保持最佳運行狀態(tài)。氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括ATmega16、信號處理電路、功率驅(qū)動電路、通訊電路及傳感器和執(zhí)行器等，分別完成對氣動發(fā)動機的實時檢測、控制和監(jiān)測的功能。

2．1 電控系統(tǒng)的核心微處理器

氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)具有多控制參數(shù)、控制算法復(fù)雜及實時控制等特點。ECU作為整個電控系統(tǒng)的核心，它不但要對發(fā)動機各數(shù)據(jù)信號采集和實時控制，還要處理各信號之間的關(guān)系以及噴氣定時和噴氣量的計算。另外，氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，要承受強烈的振動和強電磁干擾等。本課題選用ATMEL公司開發(fā)的ATmega16作為主芯片，它是一款低能耗、低電壓、高性能的AVR系列微處理器。它具有強大的數(shù)據(jù)處理功能、豐富的外圍接口和模塊化的功能設(shè)計，完全可以滿足氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、控制和通訊的需求。

2．2 信號采集模塊

為實現(xiàn)發(fā)動機實時檢測和控制，傳感器必須能夠準(zhǔn)確地反映發(fā)動機的各狀態(tài)參數(shù)，傳感器的選型和傳感器信號處理電路的設(shè)計對電控系統(tǒng)是至關(guān)重要的。曲軸／凸輪軸位置傳感器選用霍爾式傳感器，它具有對磁場敏感、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點。油門位置傳感器選用電位式傳感器，通過加速踏板繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，帶動電位器觸點的移動，使其輸出電壓在0．5～4．5V間發(fā)生變化。信號采集模塊的設(shè)計必須保證信號的實時性和準(zhǔn)確性，所以在電路設(shè)計中要加入大量的濾波和抗干擾元件。

傳感器所產(chǎn)生的信號分兩種：一種是數(shù)字信號，如曲軸／凸輪軸信號，經(jīng)數(shù)字信號處理電路，進行濾波、放大和整形，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，分別輸入到ATmega16的輸入捕捉(ICP1)引腳和外部中斷1(INT1)引腳。另一種是模擬信號，如油門位置信號，經(jīng)模擬信號處理電路進行濾波后，輸入到ATmega16的AD轉(zhuǎn)換輸入通道0(ADC0)引腳。

2．3 信號處理模塊

在ATmega16中集成了ADC功能模塊，它是8通道10位的逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器，0-VCC的ADC輸入電壓范圍。通過AD轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以處理的數(shù)字量，并保存在ADC數(shù)據(jù)寄存器中。

ATmega16的外部中斷1，通過引腳INT1觸發(fā)。中斷可以由下降沿、上升沿、低電平，或任意邏輯電平變化觸發(fā)中斷。當(dāng)外部中斷使能并且配置為下降沿觸發(fā)，只要引腳電平為下降沿，中斷就會產(chǎn)生。

T／C1(Timer／counter1)是ATmega16的一個16位多功能定時計數(shù)器。它的輸入捕捉單元可用來捕獲外部事件，并為其賦予時間標(biāo)記以說明此事件的發(fā)生時刻，外部事件發(fā)生的觸發(fā)信號由引腳ICP1輸入。當(dāng)該引腳上的邏輯電平發(fā)生了變化，輸入捕捉被激發(fā)：16位的TCNT1數(shù)據(jù)將被拷貝到輸入捕捉寄存器ICR1，同時引發(fā)一個中斷。

氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)中，經(jīng)處理電路處理過的曲軸位置和凸輪軸位置信號，接到ICP1和INT1引腳。當(dāng)相應(yīng)電平變化時就會觸發(fā)曲軸、凸輪軸中斷。凸輪軸中斷子程序主要是用來判斷壓縮上止點位置的。在曲軸中斷函數(shù)中，完成發(fā)動機轉(zhuǎn)速計算，確定噴氣定時，以及結(jié)合油門位置信號的AD轉(zhuǎn)換值計算噴氣量等，并通過PA7引腳輸出信號控制執(zhí)行模塊。

2．4 功率驅(qū)動模塊

功率驅(qū)動模塊就是將單片機輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成電磁閥的控制量，并實現(xiàn)對電磁閥執(zhí)行相應(yīng)操作的控制。高速電磁閥是整個氣動發(fā)動機控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵的部件之一。由于噴射高壓空氣，而且要求在高速下完成電磁閥的開關(guān)動作。因此，對它的響應(yīng)時間要有特殊的要求。本課題選用貴州紅林車用電控技術(shù)有限公司的SP021高速電磁閥。

發(fā)動機的電控系統(tǒng)設(shè)計1' />

圖2所示的是電磁閥功率驅(qū)動模塊。其中，P7插座連接高速電磁閥，電磁閥線圈一端連接電源，另一端連接場效應(yīng)管漏極。Q1是場效應(yīng)管IRF540，起放大作用。U6是可控制的光電耦合器件TLP521-1，它廣泛應(yīng)用于電路之間的信號傳輸，將ECU與負(fù)載隔離，可以增加電路的安全性，減小電路干擾，簡化電路設(shè)計。當(dāng)ECU發(fā)出驅(qū)動信號，光耦導(dǎo)通，穩(wěn)壓二極管D10將場效應(yīng)管Q1的柵極電壓穩(wěn)定在12V，漏極電流增大，漏極電壓被拉低。此時，電磁閥線圈電流增大，線圈產(chǎn)生強大的電動勢，電磁閥被打開。而當(dāng)光耦截止時，電磁閥關(guān)閉，線圈中電路變化很大，會產(chǎn)生反電動勢。R20功率電阻和D11肖特基二極管IN5819與電磁閥并聯(lián)，防止場效應(yīng)管被擊穿。[!--empirenews.page--]