《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MC9S12微控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火控制

2008-08-20
作者:耿 聰 劉 溧 張 欣 岑

??? 摘?要: 發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)" title="點(diǎn)火系統(tǒng)">點(diǎn)火系統(tǒng)需按點(diǎn)火順序,、點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的要求實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)火線圈" title="點(diǎn)火線圈">點(diǎn)火線圈的獨(dú)立控制。介紹了以MC9S12DP256微控制器" title="微控制器">微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),。利用MCU的增強(qiáng)型" title="增強(qiáng)型">增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器,,將輸入捕捉與輸出比較功能相配合,滿足了6個(gè)點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通斷電的復(fù)雜時(shí)序控制" title="時(shí)序控制">時(shí)序控制要求,。該系統(tǒng)在某稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)中進(jìn)行了應(yīng)用,,結(jié)果表明:在各種工況下,都能獲得可靠的點(diǎn)火,。
??? 關(guān)鍵詞: 微控制器? 增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器? 點(diǎn)火系統(tǒng)

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??? 隨著電子技術(shù)的發(fā)展及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高,,微機(jī)控制的電子點(diǎn)火系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了更為精確的點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的控制,。在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)中,,采用的每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸各帶一個(gè)點(diǎn)火線圈,對(duì)各缸點(diǎn)火線圈進(jìn)行獨(dú)立控制的點(diǎn)火系統(tǒng),,稱為無分電器各缸獨(dú)立點(diǎn)火系統(tǒng),,也叫高能直接點(diǎn)火系統(tǒng),。采用高能直接點(diǎn)火可有效地增加點(diǎn)火線圈初級(jí)回路的儲(chǔ)能,減少點(diǎn)火能量的傳導(dǎo)損失,,從而提高點(diǎn)火能量,,滿足車用發(fā)動(dòng)機(jī)稀薄燃燒、增壓和使用代用燃料(如天然氣,、酒精)等新技術(shù)的發(fā)展要求,。對(duì)于多缸發(fā)動(dòng)機(jī),這種高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)由于控制事件多,,要求的控制電路和控制軟件復(fù)雜,,因而對(duì)微控制器的性能和控制軟件均有較高的要求[1]
??? MC9S12系列是MOTOROLA公司開發(fā)的一種高性能16位微控制器(MCU),,具有豐富的輸入輸出接口功能,、較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力,特別還具有較強(qiáng)的定時(shí)控制功能,,使其適用于復(fù)雜時(shí)序控制技術(shù)的應(yīng)用中[2],。本文針對(duì)六缸車用發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火控制系統(tǒng)的開發(fā),進(jìn)行了以MC9S12DP256微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),。
1 高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)及控制要求
??? 圖1所示為六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)電路原理圖,。系統(tǒng)由輸入信號(hào)傳感器、電子控制單元(ECU)及點(diǎn)火執(zhí)行器三部分組成,。其中,,點(diǎn)火執(zhí)行器包括每缸獨(dú)立的共六組點(diǎn)火線圈和火花塞。點(diǎn)火線圈作為儲(chǔ)能元件,,由匝數(shù)比很高的次級(jí)繞組和初級(jí)繞組構(gòu)成,,其作用相當(dāng)于變壓器。當(dāng)初級(jí)繞組電路(初級(jí)電路)導(dǎo)通時(shí),,初級(jí)繞組電感線圈中的電流按照指數(shù)規(guī)律增加,,從蓄電池獲得的能量以磁場(chǎng)能的形式儲(chǔ)存在初級(jí)線圈中;當(dāng)初級(jí)電路斷電時(shí),,次級(jí)繞組感應(yīng)出高壓電,,使火花塞電極間產(chǎn)生電火花,將汽缸內(nèi)的混合氣點(diǎn)燃,。在圖1所示的系統(tǒng)中,由微控制器發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)過點(diǎn)火器中的功率三極管的驅(qū)動(dòng)放大,,實(shí)現(xiàn)了對(duì)初級(jí)電路的通斷電控制,。與傳統(tǒng)點(diǎn)火系統(tǒng)只使用一個(gè)點(diǎn)火線圈相比,這種直接點(diǎn)火控制方式可利用更長的時(shí)間積蓄點(diǎn)火能量,,并可將點(diǎn)火線圈與火花塞安裝在一起,,減少高壓電流的傳遞損失,,從而獲得較高的點(diǎn)火能量。

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??? 點(diǎn)火控制包括點(diǎn)火順序控制,、點(diǎn)火定時(shí)控制和點(diǎn)火能量控制,。點(diǎn)火系統(tǒng)應(yīng)按發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序進(jìn)行點(diǎn)火,即點(diǎn)火順序應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序一致,,否則不能適時(shí)點(diǎn)著混合氣,,發(fā)動(dòng)機(jī)就不能正常工作。點(diǎn)火定時(shí)控制的目的是使發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出大,、油耗低,、爆震小和排放低,點(diǎn)火系統(tǒng)必須在最有利的時(shí)刻點(diǎn)火,,并需在上述目標(biāo)之間進(jìn)行折衷,。點(diǎn)火時(shí)刻用點(diǎn)火提前角來表示,從火花塞開始跳火到活塞運(yùn)行至壓縮行程上止點(diǎn)的時(shí)間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度被稱為點(diǎn)火提前角,。發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的最佳點(diǎn)火提前角是不同的,。在微機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)中,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,、負(fù)荷等傳感器的信號(hào)確定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況,,計(jì)算出最佳的點(diǎn)火時(shí)刻,并由微控制器輸出控制信號(hào),,使功率三極管截止,、初級(jí)電路斷電,從而實(shí)現(xiàn)控制,。
??? 點(diǎn)火能量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的著火情況,。對(duì)于使用增壓、稀燃及替代燃料等新技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī),,只有點(diǎn)火能量足夠高,,才能可靠燃燒,達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)性和改善排放的目的,。高能直接點(diǎn)火的關(guān)鍵是保證在任何工況下都能夠提供足夠的點(diǎn)火能量,。電感儲(chǔ)能式點(diǎn)火系統(tǒng)控制點(diǎn)火能量的實(shí)質(zhì)是控制點(diǎn)火線圈在斷電時(shí)刻的初級(jí)電流,這是靠控制初級(jí)電路的通電時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的,。點(diǎn)火時(shí)刻初級(jí)電流所能達(dá)到的值,,即初級(jí)斷開電流,與初級(jí)電路導(dǎo)通的時(shí)間長短有關(guān),,必須保證初級(jí)電路的通電時(shí)間來使初級(jí)電流達(dá)到點(diǎn)火能量的要求,。但如果通電時(shí)間過長,點(diǎn)火線圈又會(huì)發(fā)熱并使電能消耗增大,。因此,,控制一個(gè)最佳的初級(jí)電路通電時(shí)間需兼顧上述兩方面的要求,。
??? 綜上所述,對(duì)于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的高能直接點(diǎn)火系統(tǒng),,為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求,,需按點(diǎn)火順序、點(diǎn)火時(shí)刻和點(diǎn)火能量的要求實(shí)現(xiàn)六個(gè)獨(dú)立點(diǎn)火線圈初級(jí)電路的適時(shí)通,、斷電,,即微控制器要完成多通道的復(fù)雜時(shí)序控制。
2 ECU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
??? 如圖2所示,,適用于六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的高能直接點(diǎn)火電子控制單元以MC9S12DP256微控制器為核心,,并由電源、輸入信號(hào)整形處理,、驅(qū)動(dòng)放大電路和通訊電路等功能模塊構(gòu)成,。

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??? MC9S12DP256微控制器采用了高性能的16位處理器HCS12,可提供豐富的指令系統(tǒng),,具有較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力,;其內(nèi)256K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器具有在線編程能力,4K字節(jié)的EEPROM和12K字節(jié)的RAM可存儲(chǔ)各種控制參數(shù),。MC9S12DP256的低功耗晶振,、復(fù)位控制、看門狗及實(shí)時(shí)中斷等配置和功能更有助于系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[2],。
??? MC9S12DP256豐富的接口資源為ECU輸入輸出功能的實(shí)現(xiàn)提供了方便,。負(fù)荷信號(hào)(節(jié)氣門位置和進(jìn)氣壓力)、水溫信號(hào),、蓄電池電壓信號(hào)等系統(tǒng)模擬輸入信號(hào)由放大濾波電路處理后,,利用MCU的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行采集。通過MCU增強(qiáng)型串行通訊模塊SCI可實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊功能, 進(jìn)行點(diǎn)火系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的匹配標(biāo)定,。由一個(gè)16位主定時(shí)器和8個(gè)可編程輸入捕捉/輸出比較定時(shí)通道構(gòu)成的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器提供了較強(qiáng)的定時(shí)控制功能,,可充分滿足高能直接點(diǎn)火的復(fù)雜時(shí)序控制要求。在本系統(tǒng)中,,兩個(gè)定時(shí)通道設(shè)置為輸入捕捉功能,,對(duì)經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集處理;另六個(gè)定時(shí)通道設(shè)置為輸出比較功能,,用于六個(gè)汽缸的點(diǎn)火線圈初級(jí)電路的通斷電控制,。
3 ECU的控制軟件設(shè)計(jì)
3.1 點(diǎn)火時(shí)序的控制方法

??? 點(diǎn)火時(shí)序的控制以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置信號(hào)為依據(jù)。曲軸位置信號(hào)通過安裝于凸輪軸上的霍爾傳感器測(cè)量,。如圖3所示,,凸輪軸每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生七個(gè)脈沖信號(hào),其中六個(gè)為各缸的點(diǎn)火基準(zhǔn)信號(hào),,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序,按1,、5,、3、6,、2,、4的缸號(hào)順序均勻排列,各基準(zhǔn)脈沖信號(hào)的上升沿設(shè)置在對(duì)應(yīng)各缸壓縮行程上止點(diǎn)前40°,,相鄰基準(zhǔn)信號(hào)間相差120°的曲軸轉(zhuǎn)角,。另一個(gè)附加的脈沖信號(hào)在一缸基準(zhǔn)脈沖信號(hào)后,其上升沿對(duì)應(yīng)于1號(hào)缸的上止點(diǎn),,用于控制系統(tǒng)判定1號(hào)缸的位置,,使點(diǎn)火系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作同步,稱為判缸同步信號(hào),。
??? MCU利用定時(shí)器輸入捕捉與輸出比較功能的配合,,采用延時(shí)計(jì)數(shù)法進(jìn)行點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通斷電時(shí)序控制。如圖3所示,,每缸基準(zhǔn)信號(hào)的上升沿通過MCU輸入捕捉定時(shí)器通道觸發(fā)中斷,,并以此中斷信號(hào)作為一個(gè)控制周期的開始和點(diǎn)火時(shí)序控制的基準(zhǔn)。將每相鄰兩基準(zhǔn)信號(hào)間的時(shí)間作為一個(gè)控制周期(對(duì)應(yīng)曲軸120°轉(zhuǎn)角),, 控制周期時(shí)間等于主計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘周期與兩基準(zhǔn)間計(jì)數(shù)值差的乘積,,前者是由MCU預(yù)設(shè)的常數(shù),記作TC,;后者可通過輸入捕捉通道測(cè)得,,記作NG。若此時(shí)的點(diǎn)火提前角為θ,,那么當(dāng)基準(zhǔn)信號(hào)出現(xiàn)時(shí),,只要再過(40°-θ)就該進(jìn)行本缸點(diǎn)火,這一角度被稱為點(diǎn)火延遲角,,對(duì)應(yīng)的時(shí)間被稱為點(diǎn)火延時(shí),,對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值Nd可根據(jù)NG值計(jì)算如下:
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??? 將主計(jì)數(shù)器的值加上延時(shí)計(jì)數(shù)值Nd后送到本缸點(diǎn)火線圈控制的輸出比較通道寄存器中,啟動(dòng)該通道的輸出比較功能,,并預(yù)先規(guī)定該通道引腳為低電平,。當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間到時(shí),該引腳就自動(dòng)翻轉(zhuǎn)為低電平,,點(diǎn)火線圈初級(jí)電路斷電,,從而實(shí)現(xiàn)了本缸點(diǎn)火。MCU的輸出比較功能可得到非常精確的時(shí)間間隔,并且對(duì)用戶程序沒有額外的負(fù)擔(dān),。

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??? 同理,,在每個(gè)控制周期內(nèi),為了給即將工作的汽缸進(jìn)行點(diǎn)火能量的蓄積,,還進(jìn)行了點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通電的延時(shí)計(jì)數(shù)法控制,。如圖3中所示,初級(jí)電路的通電時(shí)間要求為ton,,則從本缸基準(zhǔn)信號(hào)出現(xiàn)到下一缸初級(jí)電路通電延時(shí)所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值Nt的計(jì)算如下:
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??? 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低,,下一缸通電延遲時(shí)間大于控制周期時(shí)間(即Nt≥NG)時(shí), 則需在下一控制周期開始時(shí)首先進(jìn)行該缸通電延時(shí)控制,,通電延時(shí)計(jì)數(shù)值為Nt1=Nt-NG,,并設(shè)置該通道輸出比較中斷,以此中斷為基準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)火延時(shí)控制,。其點(diǎn)火延時(shí)計(jì)數(shù)值為:
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3.2 點(diǎn)火控制程序設(shè)計(jì)
??? 點(diǎn)火控制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序等多個(gè)模塊組成,。主程序的主要功能是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況,通過邏輯運(yùn)算確定最優(yōu)的點(diǎn)火提前角及初級(jí)電路導(dǎo)通時(shí)間,;中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)輸入信號(hào)的采集與處理,,而其中輸入捕捉和輸出比較中斷程序是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)序控制的關(guān)鍵。
??? 圖4為點(diǎn)火控制主程序流程圖,。ECU上電后,,主程序首先執(zhí)行MCU的初始化操作,設(shè)置定時(shí)器計(jì)數(shù)周期,、各輸入輸出功能和各中斷,。初始化完成后,主程序進(jìn)入循環(huán)運(yùn)行狀態(tài),,等待各中斷服務(wù)程序發(fā)生,,檢測(cè)各輸入?yún)?shù),進(jìn)行故障查詢和處理,。如系統(tǒng)狀態(tài)正常,,則根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況確定最優(yōu)的點(diǎn)火提前角及初級(jí)電路導(dǎo)通時(shí)間。由于各缸點(diǎn)火時(shí)刻是通過程序控制進(jìn)行調(diào)節(jié)的,,因此利用CPU內(nèi)部的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)點(diǎn)火控制數(shù)據(jù)表(點(diǎn)火脈譜),。這樣,點(diǎn)火提前角就能按發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速信號(hào)通過查數(shù)據(jù)表得到,,并可按不同工況進(jìn)行修正,。如此便可使發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下均能提供最佳點(diǎn)火時(shí)刻。

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??? 輸入捕捉和輸出比較的中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖5和圖6所示,。利用定時(shí)器輸入捕捉與輸出比較功能的配合,,采用延時(shí)計(jì)數(shù)法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通斷電時(shí)序控制,。在進(jìn)入曲軸位置信號(hào)上升沿觸發(fā)的輸入捕捉中斷后,首先完成判缸信號(hào)拾取,、工作缸號(hào)確定及控制周期計(jì)數(shù)值計(jì)算等工作,。然后進(jìn)行點(diǎn)火線圈的通斷電延時(shí)控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),,設(shè)置本缸的斷電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道,,以及下一缸的通電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí),,設(shè)置本缸的通電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道,并開輸出比較中斷,。當(dāng)進(jìn)入輸出比較中斷時(shí),,再以此中斷為基準(zhǔn),設(shè)置本缸的斷電延時(shí)和相應(yīng)的輸出比較通道,。

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??? 以MC9S12DP256微控制器為核心的發(fā)動(dòng)機(jī)高能直接點(diǎn)火系統(tǒng)一方面可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火時(shí)刻按發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行 最優(yōu)調(diào)節(jié),,另一方面利用MCU的增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器,可實(shí)現(xiàn)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的獨(dú)立通道控制,。而且,,將輸入捕捉與輸出比較功能相配合,滿足了六個(gè)點(diǎn)火線圈初級(jí)電路通斷電的復(fù)雜時(shí)序控制要求,。試驗(yàn)結(jié)果表明,,在其工作范圍內(nèi)的各種轉(zhuǎn)速工況下,都能獲得可靠的點(diǎn)火,,無失火現(xiàn)象發(fā)生,。
參考文獻(xiàn)
1潘旭峰. 現(xiàn)代汽車電子技術(shù). 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1998. 9
2 MC9S12DP256B Device User’s Guide V02.13. Motorola Inc.USA, 2002. 8

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