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氣動發(fā)動機的電控系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)布時間:2011-09-30 來源:電子科技

中心議題:
  • 探究氣動發(fā)動機的電控系統(tǒng)設(shè)計
  • 認(rèn)識電控系統(tǒng)的核心微處理器
解決方案:
  • 設(shè)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(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(jìn)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(jìn)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。
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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(jìn)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(jìn)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。
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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SP021高速電磁閥。

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。

2.5 通訊模塊

氣動發(fā)動機的控制系統(tǒng)是極其復(fù)雜的,不僅包括轉(zhuǎn)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(diào)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(jù),以達(dá)到整車的最優(yōu)控制。傳統(tǒng)的電氣控制設(shè)計策略已經(jīng)不能滿足當(dāng)今電氣控制網(wǎng)絡(luò)的需要,而CAN總線的數(shù)據(jù)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(jù)傳輸精度高等優(yōu)勢。

CAN節(jié)點原理框圖如圖4所示。本文采用TJA1040高速CAN總線收發(fā)器作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口,選用Mierochip公司推出的MCP2515作為CAN總線控制器,它符合CAN2.0B技術(shù)規(guī)范并帶有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口。ATmega16通過同步串行接口SPI與MCP2515之間完成高速的全雙工的同步數(shù)據(jù)傳輸,MCP2515通過CAN物理接口芯片TJA1040連接到CAN總線上,完成氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)與PC機等的CAN通訊。
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3 氣動發(fā)動機電控單元軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是氣動發(fā)動機ECU開發(fā)的核心。軟件設(shè)計應(yīng)遵循模塊化和標(biāo)準(zhǔn)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(hù),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(yán)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(shè)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(shè)置和配置寄存器等任務(wù);中斷模塊執(zhí)行計算轉(zhuǎn)速和判斷壓縮上止點及控制電磁閥噴氣等任務(wù);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(diào)試及總結(jié)


多次調(diào)試和試驗證明,本文設(shè)計的氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的ECU軟硬件能夠準(zhǔn)確檢測出發(fā)動機的不同轉(zhuǎn)速等各參數(shù);功率驅(qū)動模塊工作可靠,具有良好負(fù)載能力;基于CAN總線建立的通訊平臺能夠?qū)崟r監(jiān)控發(fā)動機參數(shù)與狀態(tài),完成數(shù)據(jù)傳輸。試驗還表明噴氣壓力對氣動發(fā)動機轉(zhuǎn)速有很大影響,在對氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)進(jìn)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(nèi)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(jìn)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。
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