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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計
單缸四行程汽油機點火計算機
控制系統(tǒng)設(shè)計
系部名稱： 汽車工程系
專業(yè)班級： 車輛工程 B05-18班
學(xué)生姓名： 張 毅
指導(dǎo)教師： 崔宏耀
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○○九年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design of The Four-stroke Engine Ignition Computer Control System
Candidate：Zhang Yi
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B05-18
Supervisor：Associate Prof. Cui Hongyao
Heilongjiang Institute of Technology
2009-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
為了滿足日益嚴格的排放法規(guī)和油耗標準，人們提出了計算機控制點火技術(shù)。相比較與其他的點火系統(tǒng)，電控點火系統(tǒng)具有適時性好、響應(yīng)快、控制點火時刻精確等優(yōu)點，從而實現(xiàn)有效降低發(fā)動機油耗和排放，大幅度提高發(fā)動機的性能指標。
文中詳細介紹了一種適用于單缸四行程汽油機的計算機控點火系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Freescale l6位單片機MC9S12DG128作為控制處理器。當發(fā)動機運行時，ECU實時地采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負荷、冷卻水溫度等信號，并根據(jù)存儲器中的有關(guān)程序與數(shù)據(jù)，確定出該工況最佳點火提前角和初級電路的最佳導(dǎo)通時間，并以此向點火控制模塊發(fā)出指令。點火控制模塊根據(jù)ECU的點火指令，控制點火線圈初級回路的導(dǎo)通和截止。
關(guān)鍵詞：單缸汽油機；點火；提前角；控制；單片機
Ⅰ
ABSTRACT
In order to meet the increasingly stringent emission regulations and fuel consumption standards, people made computer-controlled ignition. Electronic ignition control system has a timely, fast response time and more precise control of ignition advantages and can effectively reduce the fuel consumption and emissions of engine, substantial increase in engine performance.
This paper describes an application of design of the four-stroke engine ignition computer control system. The system uses Freescale l6-bit chip MC9S12DG128 as the control processor. When the engine is running, ECU continued to collect the engine speed, load, cooling water temperature signal and determine the best advance ignition angle with the program and data in memory, then give directions to the ignition control module. Ignition control module control ignition coil primary circuit conduction or cut-off in accordance with ECU ignition commend.
Key words: Single-cylinder engine; ignition; advance angle; Control algorithm；Single-chip
Ⅱ
目 錄
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 緒論 1
1.1 課題背景及目的意義 1
1.1.1 課題背景 1
1.1.2 目的及意義 1
1.2 發(fā)動機點火系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀 2
1.2.1 點火系統(tǒng)的發(fā)展 2
1.2.2 我國計算機控制點火系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3 設(shè)計的基本內(nèi)容及擬解決的主要問題 3
1.3.1 基本內(nèi)容 3
1.3.2 解決的主要問題 4
第2章 計算機控制點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計 5
2.1 點火提前角的提出及對汽油機工作的影響 5
2.1.1 點火提前角的提出 5
2.1.2 點火提前角對汽油機工作的影響 6
2.2 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計 7
2.2.1 對計算機控制點火系統(tǒng)設(shè)計的基本要求 7
2.2.2 硬件系統(tǒng)的基本組成 8
2.3 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計 10
2.3.1 軟件的需求分析 10
2.3.2 軟件的設(shè)計過程 10
2.3.3 軟件的編制過程 10
2.3.4 軟件的測試過程 10
2.4 本章小結(jié) 10
第3章 計算機控制點火系統(tǒng)的硬件設(shè)計 11
3.1 微控制器的類型選擇 11
3.1.1 51系列單片機簡介 11
3.1.2 Freescale系列微控制器簡介 12
3.1.3 PIC16F876X系列單片機簡介 17
3.1.4各項性能參數(shù)比較及類型選則 15
3.2 傳感器的選擇 15
3.2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸位置傳感器 15
3.2.2 進氣壓力傳感器 16
3.2.3 溫度傳感器 16
3.2.4 爆震傳感器 16
3.3 光耦合隔離保護電路 18
3.4 本章小結(jié) 18
第4章 計算機控制點火系統(tǒng)的控制內(nèi)容及其實現(xiàn) 19
4.1 點火提前角的控制 19
4.1.1 點火提前角的控制方式 19
4.1.2 點火提前角控制的基本內(nèi)容 20
4.1.3 點火提前角的控制過程 22
4.2 閉合角的控制 25
4.3 爆震控制 26
4.3.1 爆震界限和點火提前角的設(shè)定 26
4.3.2 爆震控制策略 26
4.4 點火提前角及閉合角控制的實現(xiàn) 27
4.5 本章小結(jié) 28
第5章 計算機控制點火系統(tǒng)的軟件設(shè)計 29
5.1 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計 29
5.1.1 并行I/O接口初始化 29
5.1.2 定時器模塊初始化 29
5.1.3 ATD0模塊寄存器初始化 31
5.2 軟件設(shè)計說明 33
5.2.1 程序開始 33
5.2.2 點火提前角脈譜圖 33
5.2.3 點火提前角查尋子程序 33
5.2.4點火延遲子程序 35
5.2.5 測速中斷程序 35
5.2.6 主程序 36
5.3 本章小結(jié) 37
第6章 系統(tǒng)程序優(yōu)化及展望 38
6.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺Codewarrior IDE 38
6.2 軟件系統(tǒng)編程語言 40
6.3 軟件系統(tǒng)程序優(yōu)化 40
6.3.1 測試方法及結(jié)果 41
6.3.2 程序的優(yōu)化 42
6.4 系統(tǒng)測試展望 43
6.5 本章小結(jié) 43
結(jié)論 44
參考文獻 45
致謝 46
附錄 47
附錄A 英文科技文獻 47
附錄B 文獻譯文 53
附錄C 程序源代碼 57
第1章 緒 論
1.1 課題背景及目的意義
1.1.1 課題背景
我國的摩托車工業(yè)雖然起步較晚，但是自改革開放以來，我國的摩托車行業(yè)得到了突飛猛進的發(fā)展。從1994年起，我國己經(jīng)成為世界上第一大摩托車生產(chǎn)國，目前我國的摩托車年產(chǎn)量大約為1300萬輛左右，保有量約為5000萬輛。如此眾多的摩托車必然會帶來不容忽視的排放問題和能源問題，為了適應(yīng)日趨嚴格的關(guān)于節(jié)能、排放和安全的法規(guī)要求，并滿足人們對于安全性、舒適性、便利性的追求，在現(xiàn)代發(fā)動機上廣泛采用了電子控制技術(shù)，開拓了電子技術(shù)新的應(yīng)用領(lǐng)域[1]。
在發(fā)動機電子控制技術(shù)中，其核心便是電控點火技術(shù)。一套好的計算機控制點火系統(tǒng)能夠極大的提高摩托車或汽車的諸多性能，降低油耗，增強產(chǎn)品的可靠性和競爭力。同時，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、微型電子計算機、新材料、新能源的研究開發(fā)和應(yīng)用將給發(fā)動機的發(fā)展注入新的活力，使發(fā)動機更節(jié)能、排放更清潔成為可能，尤其是在大規(guī)模集成電路技術(shù)的推動下所產(chǎn)生的微型計算機以其低價、輕巧、高速、可變等優(yōu)點己成為發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的主要動力之一。
1.1.2 目的及意義
進入二十世紀后期，環(huán)境問題日益嚴重，特別是大氣污染問題越來越受到各個國家的重視。據(jù)統(tǒng)計，當前我國57%的城市總懸浮顆粒物超過國家環(huán)保限值，48個城市的二氧化硫濃度超過國家二級排放標準，82%的城市先后遭到不同程度的酸雨危險。600多個城市中，大氣環(huán)境質(zhì)量符合一級標準的不到1%[2]。這說明我國的城市污染已到了非治理不可的地步了。為此，國家也制定很多政策法規(guī)，明確規(guī)定不符合排放標準的車輛嚴禁生產(chǎn)、銷售和上牌照，以減少廢氣污染物排放。計算機控制點火發(fā)動機的應(yīng)用,有效地緩解了這一狀況。與傳統(tǒng)的機械調(diào)節(jié)式點火時刻控制系統(tǒng)相比,基于微控制器的電子式控制系統(tǒng)具有及時性好、精確度高、控制靈活等優(yōu)點。因此,計算機控制點火系統(tǒng)的普及使用不僅有著實際的經(jīng)濟效益，還有著巨大的社會效益。
此外，本次設(shè)計也是為日后參加Honda節(jié)能競技大賽大學(xué)組做準備，針對給定發(fā)動機設(shè)計計算機控制點火系統(tǒng)。完成控制器設(shè)計,傳感器與執(zhí)行器選擇。有條件對發(fā)動機經(jīng)濟性對比測試并進行優(yōu)化。Honda節(jié)能競技大賽是一種具有探索性的工程實踐活動，不僅可以培養(yǎng)自己學(xué)習(xí)控制、傳感技術(shù)、電子、計算機、機械等多學(xué)科知識，還能能夠培養(yǎng)自己獲取知識、應(yīng)用知識的能力及創(chuàng)新意識。
1.2 發(fā)動機點火系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀
1.2.1 點火系統(tǒng)的發(fā)展
1910年，查爾斯·凱特林（Charles F.Kettering）發(fā)明了機械觸點斷電式點火系統(tǒng)，并首先應(yīng)用于美國卡迪拉克（Cadillac）轎車，其結(jié)構(gòu)在此之后的幾十年間沒有太大變化。這種點火系統(tǒng)有以下固有的缺點：
（1）斷電器觸點易于氧化燒蝕，使點火不可靠，因此需要經(jīng)常維護。
（2）斷電器凸輪和頂塊的機械磨損將引起點火提前角發(fā)生變化，因此需要經(jīng)常調(diào)整。
（3）高速時觸點的跳振和頂塊的運動跟不上凸輪的高速轉(zhuǎn)動，也都影響了點火的可靠性。
20世紀50年代初期，人們?yōu)閺母旧峡朔鹘y(tǒng)點火系統(tǒng)的這些缺陷，就開始探索用晶體管控制點火系統(tǒng)的工作，即用電子手段來控制點火線圈初級電流的通斷。
20世紀60年代末期，摩托羅拉公司已開始大量生產(chǎn)無觸點電子點火系統(tǒng)，完全取消了機械式斷電器及其觸點。從而避免了凸輪、頂塊等機械磨損所帶來的問題。
20世紀70年末期，摩托羅拉公司開發(fā)并生產(chǎn)了微機控制點火系統(tǒng)，取消了傳統(tǒng)的離心式和真空式點火正時調(diào)節(jié)裝置，改由單片機來控制，使發(fā)動機隨時處于最佳點火正時狀態(tài)，從而大大改善了排放性能，并降低了油耗。
1979年，又制成微機控制無分電器點火系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅采用微機控制點火正時，而且選擇點火氣缸的任務(wù)也由微機完成，從而完全取消了機械式分電器。
20世紀90年代開始，電子點火系統(tǒng)已不再是單一的獨立系統(tǒng)，而是作為整個發(fā)動機控制系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，與汽油噴射系統(tǒng)、怠速控制系統(tǒng)、排放凈化系統(tǒng)、故障自診斷系統(tǒng)等共同又一臺微電腦來集中控制，稱之為發(fā)動機管理系統(tǒng)（EMS）。至此汽車發(fā)動機點火系已發(fā)展到較高水平。
1.2.2 我國計算機控制點火系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀
早在20世紀70年代，國外就已經(jīng)將單片機技術(shù)應(yīng)用于汽車點火系統(tǒng)的控制并實際裝車使用。1986年以來，美國又進一步發(fā)展了直接點火系統(tǒng)，即給每缸的火花塞均單獨配一只點火線圈，完全取消了分火頭和高壓線，將高壓電傳遞中的能量損失降到最低程度。進入20世紀90年代，已有半數(shù)以上的轎車和部分輕型貨車采用了微機控制無分電器點火系統(tǒng)。中國曾在20世紀70年代掀起了有觸點半導(dǎo)體輔助點火系統(tǒng)研制與使用之熱潮，但由于當時生產(chǎn)的大功率達林頓管耐壓未過關(guān)，導(dǎo)致該點火系統(tǒng)的使用可靠性較差，因而未能推廣使用[3]。
國外早已實現(xiàn)汽油機的電控燃油噴射與電控點火，國內(nèi)的中小型汽油車輛也于2001年開始被國家強制執(zhí)行實現(xiàn)電噴與電控點火。摩托車電控技術(shù)的研究在國外正日趨成熟，如澳必托、AVL，薩基姆等公司已先后研制開發(fā)成功。國內(nèi)有兩個摩托車大公司曾引進應(yīng)用過，但由于成本過高、無自主知識產(chǎn)權(quán)等原因至今尚未形成批量使用。目前，國內(nèi)外的諸多公司和摩托車企業(yè)(包括民營企業(yè))、科研院所都在進行摩托車電控技術(shù)研發(fā)，相信隨著中國傳感器技術(shù)和微機控制技術(shù)的不斷進步，摩托車發(fā)動機電控點火技術(shù)必將在中國得到較大發(fā)展。
高能無觸點電子點火系統(tǒng)的研制開發(fā)，曾是國家“八五”規(guī)劃項目?！鞍宋濉逼陂g，長春市汽車電子廠家引進了美國摩托羅拉公司制造許可證，生產(chǎn)了6TS21070型電子點火控制器與磁感應(yīng)式點火信號發(fā)生器配套，用于解放CA1092型載貨汽車，長春汽車研究所還自行研制了JFD666型點火器與之配套使用。
目前，國內(nèi)市場上主流摩托車多為化油器式中、低檔車型，技術(shù)含量低，綜合性能差，在激烈的市場競爭中，利潤空間己經(jīng)降到歷史最低點。因此，摩托車行業(yè)的市場競爭，必然同其它行業(yè)一樣，由價格戰(zhàn)轉(zhuǎn)向技術(shù)戰(zhàn)，而商技術(shù)含量、高附加值的電控點火技術(shù)正是市場競爭熱點之一。
實際上 ，國家經(jīng)貿(mào)委在《汽車工業(yè)“十五”規(guī)劃》中己經(jīng)確定了摩托車工業(yè)“十五”期間發(fā)展重點，就是擴展電控摩托車行業(yè)，以滿足大、中城市的綠色環(huán)保要求，提高摩托車的可靠性和耐久性、低油耗、低排放性能，生產(chǎn)諸如電控車、電動車等環(huán)保型產(chǎn)品。而對于發(fā)動機及關(guān)鍵零部件的生產(chǎn)，國家經(jīng)貿(mào)委也提出了以環(huán)保節(jié)能、高可靠性為目標，以滿足日益嚴格的標準、法規(guī)等的要求。
中國己是世界貿(mào)易組織成員，排放控制日趨向國際標準靠近己是不爭的事實，開發(fā)低油耗、低排放的摩托車和電動車以及在整車上使用電控技術(shù)、電噴技術(shù)、排氣催化轉(zhuǎn)化技術(shù)等將成為中國摩托車技術(shù)標準向國際標準靠攏的主要措施與技術(shù)手段。
1.3 設(shè)計的基本內(nèi)容及擬解決的主要問題
1.3.1 基本內(nèi)容
我國在發(fā)動機電子控制技術(shù)方面，尤其是電控點火技術(shù)方面與發(fā)達國家有著比較大的差距，特別是在生產(chǎn)應(yīng)用方面。而目前，隨著各國對排放法規(guī)的進一步要求，國際上汽車、摩托車領(lǐng)域的激烈競爭，使得我們迫切需要改進傳統(tǒng)的點火技術(shù)。
本文就是通過軟件與硬件的結(jié)合，研制了一套單缸四行程汽油機點火計算機控制系統(tǒng)，并對點火系統(tǒng)的原理進行了分析，確定了控制策略。當發(fā)動機運行時，ECU不斷地采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、負荷、冷卻水溫度等信號，并根據(jù)存儲器中的有關(guān)程序與數(shù)據(jù)，確定出該工況下最佳點火提前角和初級電路的最佳導(dǎo)通時間，并以此向點火控制模塊發(fā)出指令。點火控制模塊根據(jù)ECU的點火指令，控制點火線圈初級回路的導(dǎo)通和截止。此外，在帶有爆震傳感器的點火提前角閉環(huán)控制中，ECU還可根據(jù)爆震傳感器的輸入信號來判斷發(fā)動機的爆震程度，并將點火提前角控制在爆震界限的范圍內(nèi)，使發(fā)動機能獲得最佳的燃燒。
1.3.2 解決的主要問題
1、硬件方面
（1）計算機控制點火系統(tǒng)的實現(xiàn)方式：目前主要的實現(xiàn)方式有通用單片機（MCS-51等）、PIC單片機和通用可編程DSP芯片等其他大規(guī)模數(shù)字芯片，需要根據(jù)控制目標選擇適當?shù)姆绞健?
（2）發(fā)動機轉(zhuǎn)速與位置傳感器選擇：電磁感應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、光電感應(yīng)式傳感器各有優(yōu)缺點，需要搭成電路綜合比較后才能確定使用哪個。
2、軟件方面
（1）發(fā)動機轉(zhuǎn)速測定算法：轉(zhuǎn)速測定有測頻法和測周法兩種法案，需要根據(jù)本發(fā)動機的具體情況進行分析好確定。
（2）點火提前角控制：實際點火提前角=初始點火提前角+基本點火提前角+修正點火提前角，需要制定一種控制策略來逐個確定各項值，從而最終求出實際點火提前角。
3、計算機控制點火系統(tǒng)的程序測試
為了驗證該點火系統(tǒng)的可行性和實用性，需要對相關(guān)程序進行測試及優(yōu)化。
第2章 計算機控制點火系統(tǒng)的理論分析及總體設(shè)計
2.1 點火提前角的提出及對汽油機工作的影響
2.1.1 點火提前角的提出
點火時刻B C D
曲軸轉(zhuǎn)角
汽缸壓力
B
C
D
A
在氣缸中，從火花塞開始跳火到著火燃燒是需要一定時間的。為了使汽油機能夠具有較好的性能，點火就不能在壓縮終了時刻進行，而必須有一定的提前，即點火必須在最佳時刻進行。點火的時刻便是用點火提前角來表示的，它是指從火花塞電極間跳火開始，到活塞運行至上止點時的這一段時間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度[4]。點火提前角的大小直接影響到氣缸內(nèi)最高燃燒壓力到達的時刻，如圖2.1所示。
圖2.1 汽缸壓力與點火時刻的關(guān)系
而點火時刻，對汽油機的功率及經(jīng)濟性有著重大的影響。若最高燃燒壓力點到達過早即點火提前角大，則混合氣必然早點火，經(jīng)過滯燃期后，壓力上升線的主要部分處于上止點前，而此時氣缸內(nèi)處于壓縮過程，由于其容積不斷地縮小使得氣缸內(nèi)的壓力升高率較大，最高壓力值也較高，如圖中B線所示。從而導(dǎo)致壓縮過程負功的增長;汽油機各傳力零部件承受載荷增加;缸內(nèi)混合氣的溫度、壓力的增高，最后燃燒的那些混合氣產(chǎn)生爆震的傾向也在增加。反之，若最高燃燒壓力點到達過遲，則燃燒產(chǎn)物的膨脹比將減小，并使排氣溫度較高，同時相應(yīng)燃燒高溫時期的傳熱表面增加，造成較大的熱損失，如圖中D線所示。而所謂的最佳點火提前角，就是當氣缸內(nèi)的燃燒壓力升高率為170~240Kpa/℃，而最高壓力點出現(xiàn)在上止點后10°~15°曲軸轉(zhuǎn)角。此時汽油機的動力性和經(jīng)濟性均良好。由于各工況的滯燃期不相同，對于汽油機的每一工況都對應(yīng)存在一個最佳點火提前角。為了達到這一最佳狀態(tài)，汽油機通過對點火提前角的調(diào)控來達到目的。
2.1.2 點火提前角對汽油機工作的影響
1、對功率的影響
針對每一個固定的工況，即固定的負荷和轉(zhuǎn)速，由于最佳點火提前角在節(jié)氣門開度不變時，各個轉(zhuǎn)速的滯燃期均變化不大。但隨轉(zhuǎn)速的上升，相同滯燃期所占的曲軸轉(zhuǎn)角呈正比增加，所以，高轉(zhuǎn)速下的著火落后角將顯著加大。要保證最大燃燒壓力點相位大致不變，必定要加大點火提前角。隨著點火提前角的增大，功率先期呈增加狀態(tài)，達到最大值后下降。在轉(zhuǎn)速不變的情況下，當負荷減小時，意味著節(jié)氣門開度的減小，每循環(huán)燃燒的混合氣數(shù)量也減少。再加上缸內(nèi)殘余廢氣所占的比例相對增大，對進入的混合氣起到稀釋作用，氣缸壁與燃燒室壁面溫度的下降等諸多因素則使滯燃期加長，必須相應(yīng)使點火提前增大。當最高壓力點出現(xiàn)在上止點后10°~15°曲軸轉(zhuǎn)角時，平均有效壓力達到最大值[5]。
2、對油耗的影響
過量空氣系數(shù)λ
ge/[g/kW·h]
汽油機的油耗與燃燒室的形式、發(fā)動機工況、過量空氣系數(shù)λ及點火提前角等均有關(guān)。如圖2.2所示，在部分負荷，轉(zhuǎn)速為2000r/min時，若過量空氣系數(shù)λ>1.07時，隨著點火提前角的增大，油耗不斷下降；而當λ<1.07時，點火提前角為30度時的油耗最低，在其它條件相同的情況下，最低油耗和最佳扭矩大體出現(xiàn)在相同的點火提前角[5]。
圖2.2 燃油消耗率ge與點火提前角
3、對排放的影響
（1）對HC排放的影響
在以預(yù)制均勻混合氣進行燃燒的汽油機中，HC是一種不完全燃燒的產(chǎn)物，與過量空氣系數(shù)λ有密切關(guān)系，但即使在λ>1的條件下，往往也會產(chǎn)生很高的HC排放，這是因為HC還有著淬熄和吸附等其它生成原因。
在均質(zhì)混合氣汽油機的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，點火提前角增大時，HC排放則隨之增大，且?guī)缀醭删€性關(guān)系。隨著點火提前角的減小，HC排放也有所降低，因為點火提前角的減小導(dǎo)致后燃的加重和排氣溫度的上升，使得在排氣行程以及排氣管中HC氧化反應(yīng)加速，最終使排出HC量減少。
（2）對NOx排放的影響
發(fā)動機中NOx的生成有三種途徑:高溫NOx，激發(fā)NOx和燃料NOx。在汽油機中激發(fā)NOx所占比率很小。而且，在內(nèi)燃機的常規(guī)燃料中，汽油基本不合氮。所以，發(fā)動機中產(chǎn)生NOx的途徑中，高溫NOx是主要來源。
在足夠的氧濃度條件下，溫度越高，反應(yīng)速度越快，NOx的生成量也就越大。隨著點火提前角小于由動力性確定的最佳值，燃燒等容度的降低，最終使最高燃燒溫度隨著點火的延遲而呈直線下降，導(dǎo)致NOx排放的減少。其次NOx在整個過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，均隨著點火提前角的增大而增大，這也正是燃燒最高溫度的增加所致。
（3）對CO排放的影響
在全負荷工況的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，即λ< 0.95時，點火提前角的增大使CO排放略有增加，而當λ> 0.95 時，點火提前角對CO排放幾乎沒有影響。
可見，點火提前角越大，發(fā)動機的排放越惡化，由于CO排放幾乎與點火提前角無關(guān)。因而可以來用推遲點火的方法來減少HC和NOx排放。但大量研究證明，推遲點火則使發(fā)動機的熱力循環(huán)的等容度減小，最終導(dǎo)致發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性惡化[5] ~[7]。
綜上所述，點火提前角無論對功率、油耗還是排放都有相當?shù)挠绊懀@些因素本身又相互影響。同時，影響點火提前角的因素又有很多，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷、汽油辛烷值、進氣壓力、冷卻水溫等。所以，如何控制點火提前角至最佳值是一個比較復(fù)雜的問題。對于傳統(tǒng)的機械式點火提前角調(diào)節(jié)機構(gòu)有很大的局限性，很難完成這項工作，而本文所介紹的計算機控制點火系統(tǒng)可以充分發(fā)揮軟件的強大功能，精確的控制點火提前角，將使發(fā)動機在各種轉(zhuǎn)速內(nèi)較準確的達到最佳工作狀態(tài)。
2.2 硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計
2.2.1 對計算機控制點火系統(tǒng)設(shè)計的基本要求
該系統(tǒng)應(yīng)達到以下要求：
（1） 可靠性高:這是對控制系統(tǒng)的最基本要求。無論是最簡單的單回路控制電路，還是擁有強大功能的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性一直是首要的衡量指標，這是由被控制對象的連續(xù)操作運行的特性和工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣性所決定的。
（2）可擴展性好:ECU控制系統(tǒng)可以控制多種不同的信號，處理不同的過程參數(shù)。各種被控制信號及被控參數(shù)要求各異，同時設(shè)備的型號常會更新變換，這就要求控制系統(tǒng)能適應(yīng)不同設(shè)備和各種不同的控制對象的要求，而系統(tǒng)本身作局部調(diào)整即可。欲使控制系統(tǒng)達到這樣的要求，就必須要求系統(tǒng)部件是標準化和模塊化的。
（3）環(huán)境適應(yīng)性好:在惡劣的工業(yè)環(huán)境下，最常遇到的問題是粉塵、輻射、高溫以及各種強烈電氣干擾。對于一些特殊應(yīng)用場合，系統(tǒng)還需有防震、防潮、抗沖擊等要求。
2.2.2 硬件系統(tǒng)的基本組成
計算機控制電點火系統(tǒng)的基本組成可分為三部分:傳感器部分、控制器部分和執(zhí)行機構(gòu)部分。
（1）傳感器
傳感器的作用是把代表發(fā)動機工況、狀態(tài)變化的物理參數(shù)變成電信號，輸送給控制器。一般用于點火系統(tǒng)的傳感器有發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器、曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、進氣溫度傳感器、缸體溫傳感器、爆燃傳感器以及蓄電池電壓和空調(diào)開關(guān)等。
（2）電子控制單元
電子控制單元(ECU)的作用是將傳感器送入的電信號進行綜合處理，然后輸出最佳點火提前角控制信號。ECU是整個控制系統(tǒng)的核心，在其存儲器中存儲著混合氣空燃比的脈譜特性、點火角度的脈譜特性及多種修正參數(shù)。發(fā)動機運行過程中，控制單元接收來自各個傳感器的信號，經(jīng)計算處理后向執(zhí)行機構(gòu)——點火器等發(fā)出點火指令。
圖2.3為點火提前角電腦控制框圖。
電子控制單元各部分的功能簡介如下:
運算器：用于對數(shù)據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算。
控制器：按人們事先編排的程序發(fā)出工作程序控制脈沖控制計算機系統(tǒng)的各部自動協(xié)調(diào)工作。
寄存器：用于暫時存儲運算器的中間運算數(shù)據(jù)
① ROM——只讀存儲器:用于存儲一些固定的信息，工作時只供讀取，電源切斷時其內(nèi)部的信息也不會消失。
② RAM——隨機存儲器:工作時隨時可存入或讀取信息，電源切斷后，信息隨即消失。
輸入/輸出接口:它是CPU與外部傳感器和執(zhí)行機構(gòu)進行數(shù)據(jù)傳送的紐帶，在CPU與外圍設(shè)備之間起著數(shù)據(jù)的緩沖、電平和時序的匹配等多種作用。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器:它是將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠識讀的數(shù)字信號。傳感器的信號有模擬信號和脈沖信號兩種，模擬信號是一個連續(xù)變化的電量，往往用信號電壓的幅值來表示信息的量值。如果執(zhí)行機構(gòu)是由模擬信號控制的，那么CPU輸出的控制信號須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換才能對執(zhí)行機構(gòu)起作用。
轉(zhuǎn)速傳感器
爆震傳感器
節(jié)氣門開度傳感器
水溫傳感器
接口
A/D
轉(zhuǎn)換
CPU
點火控制模塊
火花塞
接口
RAM
ROM
點火線圈
圖2.3 點火提前角電腦控制框圖
（3）執(zhí)行機構(gòu)
電子控制點火執(zhí)行器的作用是按照ECU輸出的控制信號動作，把控制系統(tǒng)參數(shù)迅速調(diào)整到設(shè)定值，使控制系統(tǒng)裝置工作在被設(shè)定狀態(tài).計算機控制點火系統(tǒng)的執(zhí)行器主要有點火控制器(簡稱點火器，或稱點火功率放大器)、點火線圈、火花塞等。點火控制器的功能主要是進行功率放大，即依照ECU輸來的方波信號，控制初級電流的通斷。因為ECU進行大電流的輸出有困難，所以有必要依靠點火控制器完成功率放大任務(wù)。另外，在發(fā)動機起動等工況下，傳感器信號將經(jīng)過ECU的后備集成電路提供給點火控制器，由點火控制器單獨對初級電流進行控制，以保證發(fā)動機順利起動，此時點火提前角固定不變。此外，點火控制器還根據(jù)點火線圈初級繞組的自感電動勢向ECU反饋點火系統(tǒng)的工作狀況信號，以便ECU進行故障檢測和故障自診斷。點火線圈和火花塞的作用同普通電子點火系統(tǒng)。
2.3 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計
本設(shè)計將軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計分為四個部分，即軟件的需求分析、軟件的設(shè)計過程、軟件的編制過程、軟件的測試過程。
2.3.1 軟件的需求分析
需求分析是把本次畢業(yè)設(shè)計即單缸四沖程汽油機點火計算機控制系統(tǒng)的相關(guān)信息和硬件資源加以分析、提煉，最后從功能和性能上加以描述。采用“自頂向下逐層分解”的方式，把復(fù)雜的點火控制系統(tǒng)進行合理的逐層分解，直至每個點火子系統(tǒng)能被簡單、清楚地表達和理解為止。
2.3.2 軟件的設(shè)計過程
軟件設(shè)計就是把點火控制過程中的需求變換成軟件的具體設(shè)計方案的過程。結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計是根據(jù)需求分析導(dǎo)出軟件模塊，得到軟件模塊結(jié)構(gòu)，包括模塊之間的接口定義。軟件設(shè)計的成果即軟件設(shè)計說明書，它主要包括兩部分內(nèi)容：一是模塊結(jié)構(gòu)圖（指點火控制系統(tǒng)有哪些模塊組成），二是模塊的功能說明（指系統(tǒng)中每個模塊的輸入，輸出及模塊的功能）。
2.3.3 軟件的編制過程
點火控制軟件編制是在軟件設(shè)計和硬件資源（主要包括ROM、RAM、定時計器/數(shù)器、中斷源、I/O口等）合理分配的基礎(chǔ)上，由程序設(shè)計語言把模塊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成計算機能接受的形式，即具體的充放電程序編譯[8]。
2.3.4 軟件的測試過程
軟件測試是保證軟件質(zhì)量的關(guān)鍵，它是對點火控制需求分析、設(shè)計和編碼的最后復(fù)審。軟件測試、糾錯和軟件的可靠性三者密不可分。測試是企圖發(fā)現(xiàn)錯誤；糾錯是診斷已發(fā)現(xiàn)的錯誤，并且改正這些錯誤；可靠性是衡量測試于糾錯結(jié)果的基準。一系列全面的測試是確保點火控制程序在運行過程中保持高穩(wěn)定性的有效途徑。
2.4 本章小結(jié)
本章首先介紹了點火提前角的概念，及其對汽油機工作的各方面影響。然后介紹了計算機控制點火系統(tǒng)的硬件組成。最后通過軟件開發(fā)的四個階段對軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計做了詳細的介紹。
第3章 計算機控制點火系統(tǒng)的硬件設(shè)計
3.1 微控制器的類型選擇
3.1.1 51系列單片機簡介
MCS-51單片機是美國Intel公司于1980年推出的產(chǎn)品，其典型產(chǎn)品有8031、8051和8751等通用產(chǎn)品。一直到現(xiàn)在，MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機仍然是應(yīng)用的主流產(chǎn)品，各高校及專業(yè)學(xué)校的培訓(xùn)教材仍以MCS-51單片機作為代表進行理論基礎(chǔ)學(xué)習(xí)[9]。
振蕩器和時序OSC
89C51 CPU
程序存儲器
4KB Flash ROM
數(shù)據(jù)存儲器256B RAM
2x16位定時計數(shù)器/計數(shù)器
64KB總線擴展控制器
可編程I/O
可編程全雙工串行口
P0 P1 P2 P3
地址/數(shù)據(jù)
控制
外中斷
內(nèi)中斷
DBUS
外部事件計數(shù)器
圖3.1 89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖
有些文獻甚至也將8051泛指MCS-51系列單片機，8051是早期的典型的代表作，由于MCS-51單片機的影響極深遠，許多公司都推出了兼容系列單片機，即MCS-51內(nèi)核實際上已經(jīng)成為一個8位單片機的標準。圖3.1為51系列中最具代表性的89C51單片機結(jié)構(gòu)框圖。
3.1.2 Freescale系列微控制器簡介
飛思卡爾的MC9S12DG128B單片機是68HC12系列單片機的一個產(chǎn)品。68HC12系列單片機是68HC11單片機的代替產(chǎn)品。68CH11單片機自80年代后期以來，在汽車電子、通訊、計算機外設(shè)、工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，十余年來，以發(fā)展到十余個系列，幾十個品種，年產(chǎn)量上億片。68HC12與68HC11的指令在源碼級兼容。68HC12比起68HC11來，在總線速度2-3MHZ提高到8MHZ。增加了一些新的指令，特別是用于模糊邏輯運算與模糊控制的指令。68HC12的基本尋址空間仍為64KB，但可以采用自動分頁的方式擴展應(yīng)用程序到256KB甚至更多。這樣做的好處是指令代碼短，程序代碼效率高。如圖2.5為MC9S12DG128B開發(fā)板實物。
圖3.2 MC9S12DG128B開發(fā)板實物
MC9S12DG128B系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致可以分為MCU核心和MCU外設(shè)兩部分，對應(yīng)圖3.2中的左右兩半邊。
（1）MCU核心
該部分包括MCU的的三種內(nèi)存（FLASH、RAM、EEPROM）；多電壓調(diào)整器，包括數(shù)字電路和模擬電路電源電壓；具有單線背景調(diào)試接口（BDM）和運行監(jiān)視功能的增強S12CPU；程序內(nèi)存的頁面模式控制；具有終端識別、讀寫控制、工作模式等控制功能的系統(tǒng)綜合模塊（SIM）；可用于系統(tǒng)擴展的分時復(fù)用總線端口，其中A口和B口可作為外擴內(nèi)存或接口電路的分時復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線，E口的部分口可作為控制總線。
（2）MCU外設(shè)
S12外設(shè)部分包括：A/D轉(zhuǎn)換器（ATD0、ATD1），增強型定時與捕捉模塊（ECT），串行接口SPI、I2C。CAN、Byteflight等接口是許多微控制器所沒有的[10]。
圖3.3 MC9S12DG128系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.1.3 PIC16F876X系列單片機簡介
目前PIC16F876X系列單片機應(yīng)用范圍非常廣泛，國內(nèi)有眾多的仿真器支持該系列單片機，大多數(shù)的終端產(chǎn)品公司也大量應(yīng)用PIC系列單片機作為產(chǎn)品的開發(fā)，由于一些知名的軟件開發(fā)商開發(fā)出比較可靠的面向PIC系列的編譯器和實時操作系統(tǒng)，在實時操作系統(tǒng)（RTOS）的支持下可開發(fā)出可靠性能高、實時性強的較大型程序代碼，使得PIC系列單片機在國內(nèi)成為開發(fā)中小嵌入式系統(tǒng)的主選單片機之一。
PIC單片機的特點如下：
（1）PIC單片機采用精簡指令集(RISC)的計算機結(jié)構(gòu)，它只有35個匯編指令，且每一條字長都固定為14位長。采用指令總線和數(shù)據(jù)總線分開的哈佛(Harvard)雙總線結(jié)構(gòu)，避免了瓶頸現(xiàn)象，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用C工SC結(jié)構(gòu)的8位單片機相比，可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍。它的CPU分別使用不同字長的總線讀取程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及堆棧，所以它的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器以及堆?？梢造`活設(shè)計。
（2）運算速度。可采用0~20MHZ晶振。一般來講其運算速度是8051單片機的4倍。因為指令周期時間大多是以工作振蕩頻率為基礎(chǔ)的，再予以分頻得到。以標準的8051單片機來講，它是將工作振蕩頻率除以12所得，而PIC單片機則是除以4后所得。
（3）兩級指令流水線結(jié)構(gòu)。由于PIC系列單片機采用了指令空間和數(shù)據(jù)空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)，用了兩種位數(shù)不同的總線。因此，取指令和取數(shù)據(jù)有可能同時交疊進行，所以在PIC系列微控制器中取指令和執(zhí)行指令就采用指令流水線結(jié)構(gòu)。
（4）徹底的保密技術(shù)。PIC可提供三級加密及OPT永久不可逆加密，給用戶應(yīng)用軟件提供高可靠的保密措施。它以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。。當?shù)谝粭l指令被取出后，隨即進入執(zhí)行階段，這時可能會從某寄存器取數(shù)而送至另一寄存器，或從一端口向寄存器傳送數(shù)等，但數(shù)據(jù)不會流經(jīng)程序總線，而只是在數(shù)據(jù)總線中流動，因此，在這段時間內(nèi)，程序總線有空，可以同時取出第二條指令。
（5）上電延時器保障VDD穩(wěn)定建立。振蕩定時器保障振蕩穩(wěn)定建立。掉電復(fù)位鎖定，即當芯片電源電壓下降到某一值以下時，使芯片保持復(fù)位，當電源電壓恢復(fù)正常后，芯片恢復(fù)運行。
（6）配有中斷處理器和定時控制器，可以很方便地構(gòu)成一個小規(guī)模系統(tǒng)。
（7）PIC的結(jié)構(gòu)特點還體現(xiàn)在寄存器組上，如寄存器I/O口、定時器和程序寄存器等都是采用了RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個周期就可以完成訪問和操作。而其它單片機常需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。
3.1.4 各項性能參數(shù)比較及類型選則
下面就89C51單片機、MC9S12DG128B單片機與PIC16F8767系列單片機的幾項參數(shù)作了如下比較，如表3.1所示。
表3.1 兩款單片機性能對比
89C51單片機
MC9S12DG128單片機
PIC76F876A單片機
程序存儲器寫入方式
只支持并行寫入，同時需要VPP燒寫高壓
使用BDM工具將應(yīng)用程序燒入FALSH
FALSH數(shù)據(jù)存儲器
抗干擾性
外接看門狗計時器單元電路
很強
較強
燒寫壽命
<=1000次
<=100000次
<=1000000次
編程語言
匯編語言
匯編語言及C語言
匯編語言
引腳數(shù)目
40
128
40
功能寄存器數(shù)目
較少
較多
較少
封裝類型
插針式
貼片式
貼片式
市場價格
較便宜
較貴
較便宜
通過這三款單片機性能參數(shù)的對比表格，我們可以發(fā)現(xiàn)89C51單片機和PIC76F876A單片機雖然具有價格上的優(yōu)勢，但其他性能不如MC9S12DG128B單片機。此外，根據(jù)我們對該點火系統(tǒng)的可靠性高、擴展性好及環(huán)境適應(yīng)性強的要求，在本設(shè)計中選用了飛思卡爾MC9S12DG128B單片機。
3.2 傳感器的選擇
3.2.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸位置傳感器
本系統(tǒng)選擇光電式傳感器作為發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸位置傳感器。它安裝在凸輪軸附近，由信號發(fā)生器和帶齒的信號盤組成。信號盤安裝在凸輪軸上，其應(yīng)有45個齒但缺2個齒，較小的齒隙用以產(chǎn)生Ne轉(zhuǎn)速信號，缺齒部分用以產(chǎn)生點火基準位置信號即汽缸上止點基準的G信號。
信號發(fā)生器被安裝在機體上，主要由發(fā)光二極管、光敏二極管和信號放大電路等組成。發(fā)光二極管正對著光敏二極管，且以光敏二極管為照射目標。隨著凸輪軸的轉(zhuǎn)動，信號盤不斷地對光敏二極管進行透光和遮光的交替變化，信號發(fā)生器便不斷輸出表征曲軸位置(或角度)的脈沖信號。
當發(fā)光二極管的光束照射到光敏二極管時，光敏二極管立即感光并產(chǎn)生電壓;當發(fā)光二極管的光束被遮擋時，光敏二極管不產(chǎn)生電壓。將此電壓信號送至電子電路進行放大、整形后，即向電控制單元(ECU)輸送Ne信號和上止點基準G信號。因為信號發(fā)生器安裝位置的關(guān)系，上止點基準信號是在活塞行至上止點前60°時輸出的。亦即發(fā)動機凸輪軸每轉(zhuǎn)1圈，則Ne信號發(fā)生器輸出43個脈沖，每個脈沖周期高電位對應(yīng)8°，低電位亦對應(yīng)8°，共表征曲軸轉(zhuǎn)角720°;與此同時，上止點基準信號發(fā)生器在各缸壓縮上止點前60°產(chǎn)生一個脈沖。
3.2.2 進氣壓力傳感器
進氣壓力傳感器能跟據(jù)發(fā)動機的負荷狀態(tài)測出進氣歧管內(nèi)絕對壓力的變化。并轉(zhuǎn)化成壓力信號輸送到電控單元ECU，作為決定點火提前角的依據(jù)之一。
本系統(tǒng)選用半導(dǎo)體應(yīng)片式進氣壓力傳感器，其具有尺寸小、精度高、響應(yīng)快和再現(xiàn)性、抗震性較好等優(yōu)點。該傳感器由壓力轉(zhuǎn)換元件和放大電路組成。壓力轉(zhuǎn)換元件是利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成的硅膜片，其一面是真空室，另一面導(dǎo)入進氣歧管壓力。如圖3.4所示，膜片為3mm的正方形，其中部經(jīng)光刻腐蝕形成直徑約2mm，厚為0.05mm的薄膜，薄膜周圍有四個應(yīng)變電阻，以惠斯頓電橋方式連接。
A
VB
（電源）
VO
（輸出）
GND
（搭鐵）
R1
R2
R3
R4
圖3.4 半導(dǎo)體應(yīng)片式進氣壓力傳感器示意電路
由于薄膜一側(cè)是真空室，因此薄膜的另一側(cè)即進氣歧管的壓力越高，硅膜片的變形也越大，其應(yīng)變與壓力成正比，隨著在薄膜上的應(yīng)變電阻的阻值隨應(yīng)變成正比的變化，這樣就可利用惠斯頓電橋?qū)⒐枘て淖冃巫兂呻娦盘栞敵觥?
3.2.3 溫度傳感器
溫度傳感器一般是通過其溫度感應(yīng)元件將被測對象溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏餍盘栂螂娍刂茊卧狤CU輸出。汽車電子控制系統(tǒng)中使用的溫度傳感器有多種形式，根據(jù)其結(jié)構(gòu)與工作原理分為熱敏式電阻式、線繞式、半導(dǎo)體擴散電阻式、半導(dǎo)體晶體管式、金屬芯式和熱電偶式等，目前使用最多的是熱敏式電阻型溫度傳感器。
這種溫度傳感器的測量元件是一個高由金屬氧化物混合晶體構(gòu)成的電阻器。該傳感器是利用半導(dǎo)體材料的電阻隨著溫度的變化而改變的特性制成的。熱敏式電阻可分為NTC(負溫度系數(shù)熱敏電阻)、PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)和CTR(電阻突變的熱敏電阻)三種，其中NTC較為常見。
3.2.4 爆震傳感器
在發(fā)動機上使用的爆震傳感器一般采用測機體振動原理來工作的。在機體或缸蓋上合適的位置安裝振動(加速度)傳感器，對爆震壓力波引起的機體振動進行測量，對傳感器和信號處理識別系統(tǒng)調(diào)整其振動頻帶，使能覆蓋發(fā)動機爆震時振動的頻率，并在爆震時發(fā)生振動，給出相應(yīng)的信號輸出。本方法的優(yōu)點是無需對發(fā)動機進行多大加工就可以測得爆震信號，傳感器成本低，測量系統(tǒng)維修方便，適合大量生產(chǎn)，測量精度比測燃燒噪聲高，因而目前應(yīng)用最廣泛，國外生產(chǎn)的轎車發(fā)動機大都裝備有這種測量系統(tǒng)。缺點是高轉(zhuǎn)速時信噪比低，難以分辨各缸的爆震，測量結(jié)果不能在不同發(fā)動機間進行比較，且機體振動也是爆震燃燒的間接信號，測量的靈敏度不夠高，測量結(jié)果也無法體現(xiàn)缸內(nèi)壓力振蕩的真實情況。爆震傳感器的安裝位置如圖3.5所示。
爆震傳感器
信號線
發(fā)動機機體
信號采集
傳感器外殼與機體絕緣
圖3.5 爆震傳感器的安裝位置示意圖
爆震傳感器檢測發(fā)動機爆震的工作原理是：爆震傳感器安放在發(fā)動機機體或氣缸的不同位置，當發(fā)動機發(fā)生爆震時，在發(fā)動機缸體上產(chǎn)生一定量值的沖擊振動，爆震傳感器中的壓電單元將會在對應(yīng)的頻率處產(chǎn)生相應(yīng)的沖擊峰值，爆震越大，爆震傳感器產(chǎn)生的主峰值就越大。爆震傳感器通常工作在5~18 kHz的頻率范圍。
另外爆震測量分直接測量與間接測量。直接測量是在每個氣缸內(nèi)安裝壓力傳感器，測量氣缸壓力變化，該方法最直接，但成本高昂。間接測量是采用壓電振動傳感器，測量缸體的振動，該方法簡單，傳感器便宜且安裝方便?？紤]到傳感器的安裝、成本控制等方面的問題，本試驗采用間接測量法利用壓電式爆震傳感器測發(fā)動機的振動來實現(xiàn)對發(fā)動機爆震的分析，本設(shè)計選用SIEMENS VDO 23460-12900爆震傳感器。
3.3 光耦合隔離保護電路
ECU信號輸入
VCC
VCC
330Ω
10KΩ
H301
10KΩ
點火信號輸出
2
3
8
42
1
LM393N
圖3.6 光耦合隔離保護電路
在計算機控制點火系統(tǒng)運行時，電控單元ECU不斷向點火器發(fā)出點火指令，經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動點火線圈工作。為防止點火模塊控制電壓突變燒毀電控單元，需要在它與點火器之間加入光耦合隔離電路，來對點火指令進行隔離，以保護其不被損壞。在本系統(tǒng)中選用了光耦隔離器H301與運算放大器LM393N作為光耦合隔離保護電路主要組部件，圖3.6為光耦合隔離保護電路圖。
3.4 本章小結(jié)
本章主要介紹計算機控制點火系統(tǒng)的硬件設(shè)計。首先，在充分考慮到對本控制系統(tǒng)的設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，通過對兩種微控制器性能參數(shù)的比較，選定MC9S12DG128B單片機作為本次設(shè)計的控制核心。然后又對發(fā)動機轉(zhuǎn)速及曲軸位置傳感器、進氣壓力傳感器、溫度傳感器和爆震傳感器進行了選型。最后詳細說明了光耦合隔離保護電路的設(shè)計。
第4章 計算機控制點火系統(tǒng)的控制內(nèi)容及其實現(xiàn)
4.1 點火提前角的控制
4.1.1 點火提前角的控制方式
在單片機控制的點火系統(tǒng)中，單片機對點火正時的控制方式有開環(huán)控制與閉環(huán)控制兩大類。開環(huán)控制按照預(yù)先制定的脈譜來工作，具有實時性強和系統(tǒng)響應(yīng)速度快的優(yōu)點，其控制精度依賴于控制脈譜圖的測量精度;在開環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加反饋回路可形成閉環(huán)控制，閉環(huán)控制能夠自動修正被控量與設(shè)定值之間的偏差，其控制精度較高。當發(fā)動機工況變化時，由于開環(huán)控制無需進行尋優(yōu)調(diào)節(jié)過程，可直接做出控制決策，因而這種方式對于工況不斷快速變化的車用發(fā)動機尤為適用。在實際應(yīng)用中，一般都是開環(huán)與閉環(huán)并用的混合控制方式，而且往往還配有點火提前角的最大值與最小值限制控制，以防止點火提前角失常。
（1）開環(huán)控制
在控制系統(tǒng)中，若系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，則叫開環(huán)控制。開環(huán)控制的基本點火提前是靠預(yù)先在臺架上用實驗方法測得的數(shù)據(jù)來確定的。實驗時，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負荷劃分為若干個小區(qū)，構(gòu)成一個轉(zhuǎn)速/負荷的點陣。各交叉點代表了發(fā)動機的特殊工況。
發(fā)動機工作時，轉(zhuǎn)速，節(jié)氣門開度，進氣流量等基本參量通過相關(guān)的傳感器檢測出來，并輸入微型計算機，由計算機從其存儲器ROM中查找相應(yīng)的基本點火提前角。再根據(jù)冷卻液溫度等參數(shù)，對查出的點火提前角進行修正，得到適應(yīng)當前工況的最佳點火提前角，并存入隨機存儲器RAM中，然后利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速(或轉(zhuǎn)角)信號的曲軸位置信號，將最佳點火提前角轉(zhuǎn)換成點火時刻，即初級電流的切斷時刻，微機還要根據(jù)電源電壓，發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信號，從其只讀存儲器ROM中選取適當當前工況的初級電流導(dǎo)通角數(shù)據(jù)，并換算成初級電流導(dǎo)通時刻。然后以方波的形式發(fā)出指令，指揮點火控制器或簡單的功率三極管，在所確定的時刻導(dǎo)通和切斷點火線圈中的初級電流，使點火系統(tǒng)正常工作。
（2）閉環(huán)控制
閉環(huán)控制是一種利用系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)功能，使系統(tǒng)輸出信號對控制產(chǎn)生直接影響，因此閉環(huán)控制也叫反饋控制.輸入信號和反饋信號之差稱為誤差信號。誤差信號加到控制器上，通過控制調(diào)節(jié)以減小系統(tǒng)的誤差，使系統(tǒng)的輸出量趨于所期望的值，亦即通過反饋作用以減少系統(tǒng)的誤差。
在單片機控制點火系統(tǒng)中，閉環(huán)控制所用的反饋信息可以是發(fā)動機的爆震信號、轉(zhuǎn)速信號或氣缸的壓力信號等等，其中最常見的是發(fā)動機的爆震信息作為反饋信息，用來控制大負荷工況下的點火正時。在怠速等工況，則常用發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號作為反饋信息從而盡可能維護怠速時穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。在中等負荷等工況，則一般采用開環(huán)控制方式，此工況下一旦發(fā)生爆震，又會自動轉(zhuǎn)入利用爆震信號作為反饋信息的閉環(huán)控制方式。
下面以發(fā)動機的爆震信息作為反饋信息說明閉環(huán)控制:
利用發(fā)動機爆震信號作為反饋信息的閉環(huán)控制方式中，爆震傳感器將發(fā)動機的爆震狀況反饋給ECU。一旦爆震程度超過了規(guī)定的標準，ECU立即指令點火系統(tǒng)推遲點火當爆震程度低于規(guī)定的標準時，ECU又會將點火時刻提前。循環(huán)調(diào)節(jié)點火時刻的結(jié)果使發(fā)動機始終處于臨界爆震的工作狀態(tài)，此工作狀態(tài)與發(fā)動機的技術(shù)狀況無關(guān)。在此工作狀態(tài)下，可以使發(fā)動機獲得最大的動力性能，同時經(jīng)濟性能也得到一定程度的改善，污染排放也將有一定程度的下降。其控制原理如圖4.1所示。
產(chǎn)生爆震
減小點火提前角
不產(chǎn)生爆震
增大點火提前角
圖4.1 爆震時的閉環(huán)反饋控制原理圖
閉環(huán)控制的優(yōu)點是采用了反饋信息，因而使系統(tǒng)響應(yīng)對外界干擾和內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)變化很不敏感，這樣，對于給定的控制系統(tǒng)，就有可能采用不太精密的、成本低的元器件來完成精確的控制。
4.1.2 點火提前角控制的基本內(nèi)容
發(fā)動機工作時，微機根據(jù)各個傳感器的信號計算點火提前角，輸出點火定時信號。實際點火提前角包括如下幾部分:初始點火提前角、基本點火提前角、修正點火提前角。它們之間的關(guān)系是:
Q0=Q1+Q2+Q3 （4.1）
式中：Q0—實際點火提前角；Q1—初始點火提前角；
Q2—基本點火提前角；Q3—修正點火提前角。
（1）初始點火提前角
曲軸位置傳感器信號確定的，未經(jīng)計算機控制的點火提前角稱為初始點火提前角。初始點火提前角又稱為固定點火提前角，其值大小取決于發(fā)動機的型號和曲軸位置傳感器的初始位置，一般為上止點前6°~12°。曲軸位置傳感器信號與曲軸轉(zhuǎn)角有確定的對應(yīng)關(guān)系，比如，某發(fā)動機把G信號后的第一個Ne信號過零點作為點火基準點，該信號過零點為活塞壓縮行程上止點前10°，那么該發(fā)動機點火系統(tǒng)初始點火提前角就是10°,不同的發(fā)動機其初始點火提前角有所不同。
在下列情況時，實際點火提前角等于初始點火提前角：
①發(fā)動機啟動時。發(fā)動機啟動時，轉(zhuǎn)速變化大，空氣流量不穩(wěn)定，進氣量傳感器輸出的流量信號不穩(wěn)定，點火提前角不能準確控制，所以采用固定的初始點火提前角進行控制；
②發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于400r/min時，原因同①；
③當故障診斷端子對地短路時；
④當發(fā)動機ECU內(nèi)的后備系統(tǒng)工作時。
（2）基本點火提前角
轉(zhuǎn)速
高
高
每轉(zhuǎn)進氣量
由計算機根據(jù)發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和負荷所確定的點火提前角為基本點火提前角。如前所述，特定工況的基本點火提前角是通過實驗確定并存在計算機的ROM存儲器中的，其它工況是計算機在工作時用插值法計算得到的。圖4.2為ECU中存儲的點火提前角數(shù)據(jù)。
圖4.2 ECU中存儲的點火提前角數(shù)據(jù)
基本點火提前角是發(fā)動機最主要的點火提前角，是設(shè)計微機控制點火系統(tǒng)時確定的點火提前角。由于發(fā)動機本身的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響點火的因素很多，理論推導(dǎo)點火提前角的數(shù)學(xué)模型比較困難，而且很難適應(yīng)發(fā)動機的運行狀態(tài)。因此，國內(nèi)外普遍采用臺架試驗方法，利用發(fā)動機最佳運行狀態(tài)下的實驗數(shù)據(jù)來確定基本點火提前角。
首先測試發(fā)動機轉(zhuǎn)速與最佳點火提前角的特性，試驗時節(jié)氣門全開(排除真空度的影響)，在每一轉(zhuǎn)速下，逐漸增加點火提前角，直到得到最大功率為止，此時對應(yīng)的點火提前角即為該轉(zhuǎn)速的最佳點火提前角。用同樣的方法測出不同轉(zhuǎn)速下的最佳點火提前角，即可繪出一組轉(zhuǎn)速與最佳點火提前角的特性曲線。然后測試發(fā)動機負荷(真空度)與點火提前角的特性，將發(fā)動機固定在某一轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)真空度的大小，在每一真空度下將點火提前角逐步增加，即可繪一組發(fā)動機負荷與最佳點火提前角的特征曲線。
綜合考慮發(fā)動機油耗，扭矩、排放和爆震等因素，對試驗結(jié)果進行優(yōu)化處理后，即可獲得以轉(zhuǎn)速和負荷為變量的三維點火特性脈譜圖。將脈譜圖以數(shù)據(jù)形式存儲在ECU的只讀存儲器ROM中，發(fā)動機工作時，微機根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和負荷信號(由空氣流量和節(jié)氣門位置傳感器確定)，即可從ROM中查詢出相應(yīng)的基本點火提前角來控制點火。
（3）修正點火提前角
計算機根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號和負荷信號以外的有關(guān)傳感器的信號對點火提前角進行修正的點火提前角稱為修正點火提前角。
點火提前角的修正項目有多有少，為使實際點火提前角適應(yīng)發(fā)動機的運轉(zhuǎn)狀況，以便得到良好的動力性、經(jīng)濟性和排放性能，