- 探究氣動發動機的電控系統設計
- 認識電控系統的核心微處理器
- 設計出氣動發動機電控系統的ECU軟硬件
- 建立基于CAN總線建立的通訊平臺
引言
隨著環境污染、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、節能經濟型的汽車相繼涌現。它們有各自突出的優點，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、清潔環保等眾多優點；可以實現零排放，是真正的環保汽車。
本課題將LF162MK改裝成由電控系統控制電磁閥噴射壓縮空氣的氣動發動機。本文進行了基于ATmcga16的氣動發動機電控系統設計，該電控系統具有靈活、快速和準確等優點，能夠實現對氣動發動機各傳感器的實時測量和對執行器的控制以及PC機上的實時監控。
1 氣動發動機電控系統設計總體方案
氣動發動機電控系統設計包括硬件設計和軟件設計兩部分，系統主要完成以下任務：實時采集發動機狀態參數：實現對特征參數快速精確的計算；實時控制電磁閥噴氣定時和噴氣量；實現數據實時通訊。
氣動發動機電控系統的設計要從系統檢測和控制功能的需求出發，按以下要求進行設計：選擇適當的信號采集方式，選用合理的傳感器，準確地反映發動機各狀態參數；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；適應車載發動機實際工作環境。
2 氣動發動機電控單元硬件設計
電控單元(ECU)是整個氣動發動機電控系統的核心。它由微控制系統模塊、輸入信號處理模塊、功率輸出執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據，并將采集的數據經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；通過數學計算和邏輯判斷制定出控制命令驅動執行器(高速電磁閥)工作，實現對噴氣定時、噴氣量的準確控制；實現CAN總線實時通訊任務，從而使發動機保持最佳運行狀態。氣動發動機電控系統總體結構如圖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行器等，分別完成對氣動發動機的實時檢測、控制和監測的功能。
2．1 電控系統的核心微處理器
氣動發動機電控系統具有多控制參數、控制算法復雜及實時控制等特點。ECU作為整個電控系統的核心，它不但要對發動機各數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，氣動發動機電控系統的工作環境惡劣，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動機電控系統數據采集、處理、控制和通訊的需求。
2．2 信號采集模塊
為實現發動機實時檢測和控制，傳感器必須能夠準確地反映發動機的各狀態參數，傳感器的選型和傳感器信號處理電路的設計對電控系統是至關重要的。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：一種是數字信號，如曲軸／凸輪軸信號，經數字信號處理電路，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字量，并保存在ADC數據寄存器中。
ATmega16的外部中斷1，通過引腳INT1觸發。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中斷。當外部中斷使能并且配置為下降沿觸發，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生時刻，外部事件發生的觸發信號由引腳ICP1輸入。當該引腳上的邏輯電平發生了變化，輸入捕捉被激發：16位的TCNT1數據將被拷貝到輸入捕捉寄存器ICR1，同時引發一個中斷。
氣動發動機電控系統中，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。在曲軸中斷函數中，完成發動機轉速計算，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，并實現對電磁閥執行相應操作的控制。高速電磁閥是整個氣動發動機控制系統的執行器，是整個系統的關鍵的部件之一。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發出驅動信號，光耦導通，穩壓二極管D10將場效應管Q1的柵極電壓穩定在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，防止場效應管被擊穿。
2．5 通訊模塊
氣動發動機的控制系統是極其復雜的，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、空調系統和車輛燈光等模塊，這些模塊需要實時共享車輛的數據，以達到整車的最優控制。傳統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總線的數據通訊具有突出的可靠性、實用性和靈活性等特點。氣動發動機電控系統通訊平臺如圖3所示。它具有布線成本低、通訊速率高和數據傳輸精度高等優勢。
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3 氣動發動機電控單元軟件設計
軟件設計是氣動發動機ECU開發的核心。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，可以實現自我診斷和保護，保證發動機穩定運行。氣動發動機電控系統是對時間要求很嚴格的系統，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和嵌套來實現。系統的軟件設計流程圖如圖5所示。控制軟件由初始化模塊、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狀態參數的設置和配置寄存器等任務；中斷模塊執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 電控系統調試及總結
多次調試和試驗證明，本文設計的氣動發動機電控系統的ECU軟硬件能夠準確檢測出發動機的不同轉速等各參數；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控發動機參數與狀態，完成數據傳輸。試驗還表明噴氣壓力對氣動發動機轉速有很大影響，在對氣動發動機電控系統進行完善時，需要擴展噴氣壓力控制模塊，以保證噴氣壓力穩定在合適的值，減少由于壓力波動對發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也對發動機運行具有一定影響，需要對這些參數進行實時檢測，以便對噴氣定時和噴氣量等控制參數修正，使發動機運行得更加穩定和優化。
