- 探究氣動發(fā)動機的電控系統(tǒng)設計
- 認識電控系統(tǒng)的核心微處理器
- 設計出氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的ECU軟硬件
- 建立基于CAN總線建立的通訊平臺
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)動機氣缸內膨脹做功，推動活塞做功對外輸出動力，驅動汽車行駛。不僅壓縮空氣來源方便，而且它還具有結構簡單、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)設計，該電控系統(tǒng)具有靈活、快速和準確等優(yōu)點，能夠實現(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)設計總體方案
氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設計包括硬件設計和軟件設計兩部分，系統(tǒng)主要完成以下任務：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)據實時通訊。
氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的設計要從系統(tǒng)檢測和控制功能的需求出發(fā)，按以下要求進行設計：選擇適當?shù)男盘柌杉绞剑x用合理的傳感器，準確地反映發(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；采用模塊化設計方法；系統(tǒng)具有抗振動和抗干擾性能；驅動模塊具有良好的可靠性和負載能力；適應車載發(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要完成的主要任務有：實時處理傳感器采集的數(shù)據，并將采集的數(shù)據經A／D轉換、濾波和整形放大，轉換成單片機可以讀取的標準信號；通過數(shù)學計算和邏輯判斷制定出控制命令驅動執(zhí)行器(高速電磁閥)工作，實現(xiàn)對噴氣定時、噴氣量的準確控制；實現(xiàn)CAN總線實時通訊任務，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)總體結構如圖1所示，包括ATmega16、信號處理電路、功率驅動電路、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)據信號采集和實時控制，還要處理各信號之間的關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)據處理功能、豐富的外圍接口和模塊化的功能設計，完全可以滿足氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)數(shù)據采集、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計對電控系統(tǒng)是至關重要的。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，通過加速踏板繞轉軸的轉動，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。信號采集模塊的設計必須保證信號的實時性和準確性，所以在電路設計中要加入大量的濾波和抗干擾元件。
傳感器所產生的信號分兩種：一種是數(shù)字信號，如曲軸／凸輪軸信號，經數(shù)字信號處理電路，進行濾波、放大和整形，轉換成標準的方波信號，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，經模擬信號處理電路進行濾波后，輸入到ATmega16的AD轉換輸入通道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轉換器，0-VCC的ADC輸入電壓范圍。通過AD轉換器可以將模擬信號轉換成單片機可以處理的數(shù)字量，并保存在ADC數(shù)據寄存器中。
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。當相應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)動機轉速計算，確定噴氣定時，以及結合油門位置信號的AD轉換值計算噴氣量等，并通過PA7引腳輸出信號控制執(zhí)行模塊。
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2．4 功率驅動模塊
功率驅動模塊就是將單片機輸出的控制信號轉換成電磁閥的控制量，并實現(xiàn)對電磁閥執(zhí)行相應操作的控制。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動作。因此，對它的響應時間要有特殊的要求。本課題選用SP021高速電磁閥。
圖2所示的是電磁閥功率驅動模塊。其中，P7插座連接高速電磁閥，電磁閥線圈一端連接電源，另一端連接場效應管漏極。Q1是場效應管IRF540，起放大作用。U6是可控制的光電耦合器件TLP521-1，它廣泛應用于電路之間的信號傳輸，將ECU與負載隔離，可以增加電路的安全性，減小電路干擾，簡化電路設計。當ECU發(fā)出驅動信號，光耦導通，穩(wěn)壓二極管D10將場效應管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，線圈產生強大的電動勢，電磁閥被打開。而當光耦截止時，電磁閥關閉，線圈中電路變化很大，會產生反電動勢。R20功率電阻和D11肖特基二極管IN5819與電磁閥并聯(lián)，防止場效應管被擊穿。
2．5 通訊模塊
氣動發(fā)動機的控制系統(tǒng)是極其復雜的，不僅包括轉速、油門位置等信號的采集處理；還要對電磁閥的噴氣定時和噴氣量完成精確控制等等。另外，氣動汽車上還包括ABS、空調系統(tǒng)和車輛燈光等模塊，這些模塊需要實時共享車輛的數(shù)據，以達到整車的最優(yōu)控制。傳統(tǒng)的電氣控制設計策略已經不能滿足當今電氣控制網絡的需要，而CAN總線的數(shù)據通訊具有突出的可靠性、實用性和靈活性等特點。氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)通訊平臺如圖3所示。它具有布線成本低、通訊速率高和數(shù)據傳輸精度高等優(yōu)勢。
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3 氣動發(fā)動機電控單元軟件設計
軟件設計是氣動發(fā)動機ECU開發(fā)的核心。軟件設計應遵循模塊化和標準化的原則，具有可擴展性；還要具有良好的抗干擾能力，可以實現(xiàn)自我診斷和保護，保證發(fā)動機穩(wěn)定運行。氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)是對時間要求很嚴格的系統(tǒng)，它對噴氣有很強的實時和精確的要求，主要通過中斷程序的觸發(fā)和嵌套來實現(xiàn)。系統(tǒng)的軟件設計流程圖如圖5所示?？刂栖浖沙跏蓟K、中斷模塊和主控模塊組成。初始化模塊主要完成對電控系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的設置和配置寄存器等任務；中斷模塊執(zhí)行計算轉速和判斷壓縮上止點及控制電磁閥噴氣等任務；主控模塊完成信號處理、確定噴氣定時和噴氣量以及CAN通訊等。
4 電控系統(tǒng)調試及總結
多次調試和試驗證明，本文設計的氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的ECU軟硬件能夠準確檢測出發(fā)動機的不同轉速等各參數(shù)；功率驅動模塊工作可靠，具有良好負載能力；基于CAN總線建立的通訊平臺能夠實時監(jiān)控發(fā)動機參數(shù)與狀態(tài)，完成數(shù)據傳輸。試驗還表明噴氣壓力對氣動發(fā)動機轉速有很大影響，在對氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)進行完善時，需要擴展噴氣壓力控制模塊，以保證噴氣壓力穩(wěn)定在合適的值，減少由于壓力波動對發(fā)動機運行造成的不良影響。冷卻水溫、噴氣溫度和缸內壓力等參數(shù)也對發(fā)動機運行具有一定影響，需要對這些參數(shù)進行實時檢測，以便對噴氣定時和噴氣量等控制參數(shù)修正，使發(fā)動機運行得更加穩(wěn)定和優(yōu)化。
