《基于飞思卡尔单片机的一种新型自适应电控天然气喷嘴驱动电路软硬件设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于飞思卡尔单片机的一种新型自适应电控天然气喷嘴驱动电路软硬件设计（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于飞思卡尔单片机的一种新型自适应电控天然气喷嘴驱动电路软硬件设计摘要：在电控天然气燃料喷射系统中，当喷嘴电磁阀开启时需要克服弹簧预紧力与天然气背压，此时需要较大的开启力，保证可靠开启并减少喷射延时；开启之后天然气背压消失，此时维持电磁阀保持开启状态的电磁力要小的多，因而保持电流也要小得多，一般仅为最大电流的 3/4 左右。基于此理论，本文设计出一种采用输出脉宽调制（PWM）信号来控制电磁阀的自适应式新型驱动电路，从而实现了高压启动电磁阀，低压维持电磁阀喷射的目的。结合高级工程仿真软件 AMESim 进行了初步的仿真模拟，验证了理论的正确性，在该理论指导下验证了软硬件设计的可靠性，并进行了初步
2、模拟实验。系统运行结果表明：该系统不仅硬件电路简单，软件编程容易，成本低廉，而且控制精度高，响应灵敏，可以实现电控电磁阀喷嘴高压打通低压保持的喷射过程，对电控天然气喷嘴驱动设计具有一定的指导意义。关键词：电控天然气发动机；脉宽调制； 新型驱动电路； 高压打通低压保持Design of a New Adaptive Electronic Gas Nozzle Drive Circuit Hardware and Software Based on MicrocontrollerFreescaleWANG Kereng , SUN Renyun , WU Yudong , CHEN Degang(
3、School of Transportation and Automotive Engineering , Xihua University , Chengdu Sichuan 610039 , China)Abstract:For the electronic gas fuel injection system, the nozzle electromagnetic valve open need to overcome spring pre-tightening force and gas back pressure, this is a place for large open forc
4、e, to ensure reliable open and reduce the injection delay;When electromagnetic valve keeps open ,the gas back pressure disappeared, now maintaining electromagnetic valve to keep open, the electromagnetic force are much smaller, so keep-current also are much smaller, generally only for maximum curren
5、t 3/4 of the left and right sides.Based on this theory, this paper designed a kind of the output pulse width modulation (PWM) signal to control the electromagnetic valve adaptive type new drive circuit, so as to realize the high pressure startup electromagnetic valve, low pressure maintain electroma
6、gnetic valve injection purpose. Combined with advanced engineering simulation software AMESim preliminary simulation to verify the correctness of the theory, in this guidance verified the reliability of the design of the hardware and software, and a preliminary simulation experiment. System operatio
7、n results show that the system is not only simple hardware circuit, software programming easy, but also low cost, and high control precision, response sensitive.It can realize control electromagnetic valve nozzle pressure through low pressure to maintain the injection process, the electric control g
8、as nozzle drive design has certain guiding significance.Keywords: electric gas engine; Pulse width modulation; New type of drive circuit; High pressure to keep low前言：传统的电控天然气喷嘴驱动电路仅是简单的采用了电压控制 MOSFET 管，该电路在喷射信号道来之后，电磁阀线圈和 MOSFET 管中电流开始上升，当电磁力克服了喷嘴弹簧预紧力与天然气背压之后，电磁阀开启，但通过的电流仍然继续上升到由电源电压与电路阻抗确定的最大电流，并将
9、一直持续到喷射信号结束为止，这样该电路工作时不仅要消耗较大的能量，MOSFET 管和电磁阀线圈的发热量也明显增加，加大了散热的难度，并可能降低元器件和系统工作的稳定性和可靠性，为了解决这一问题很多学者进行了大量的研究设计出了二种比较常见的电控天然气喷嘴驱动电路。第一种为 RC 型喷嘴电磁阀驱动电路，该驱动电路由电容放电提供电磁阀开启时足够的驱动电流，由于大电容放电具有延迟性，会导致开启不够灵敏，而电容值越大这种延迟越明显。第二种为靠反相器内部门限值斩波，其原理是通过二路电流来保证喷嘴开启时有足够的驱动电流，当喷嘴开启后自动切断一路电流，该中方法虽然能够实现喷嘴开启时响应迅速，但存在电路过于复杂
10、，控制过程较难，经济性不高等缺点。本文综合考虑以上因素，结合以上喷嘴驱动方法的优缺点，采用一种能够实现电流随电磁阀的开启状态自动改变的软硬件驱动电路，通过示波器检验喷嘴电磁阀电阻的输出波形，并结合 AMESim 软件进行了一个完整喷射过程的模拟，验证了方案的可行性。1 电控天然气喷嘴工作原理在如图 1 的整个机构中，当电磁线圈通电时产生一个磁场，衔铁（顶杆）在电磁力的作用下，克服天然气背压和复位弹簧的预紧力而升起，打开喷嘴阀门，天然气喷出。衔铁（顶杆）在未达到最大升程前，由于流通面积的不断增大，引起喷孔处压力的降低，导致了喷嘴环形腔因压力波动而使气体不稳定流动，直到衔铁（顶杆）由于机械限位挡板
11、作用达到最大升程，喷嘴环形腔内气体流动趋于稳定，喷射量达到最大值。当电磁线圈断电后，衔铁（顶杆）所受电磁力也立即消失，并在复位弹簧的作用下落回并压紧阀座，切断喷气。图 1 电控天然气喷嘴结构2 脉宽调制（PWM）原理及其控制方法脉宽宽度调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量,通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM 是一种模拟信号电平进行数字编码的方法。通过使用高分辨率计数器，输出方波的占空比被调制，用来对一个具体的模拟信号电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的电流供电要么完全有（ON） ，要么完全无（
12、OFF） 。电压或电流源是一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。依据此原理可知：本文中只要 PWM波处于高电平时间，那么 MOSFET 管就会处于导通状态，从而使喷嘴电磁阀接通，开启喷射。其中 PWM 的高电平持续时间是本文的一个难点，当 PWM 波输出低电平时 MOSFET管将截止，从而使喷嘴电磁阀截止，此时喷嘴针阀将在其复位弹簧的预紧力作用下往下掉，但是由于存在惯性作用喷嘴针阀并不会在 MOSFET 管截止的瞬间立刻往下掉，PWM 的输出波形必须保证在喷嘴针阀处于惯性迟滞这段时间内由低电平变为高
13、电平，使 MOSFET 管导通，电磁阀再次开启，否则喷嘴针阀下降会造成喷射流量的波动，导致喷气量变化，严重时可能会导致喷气提前结束，严重影响燃油经济性。若高低电平占空比选取得当，喷嘴电磁阀在一开一断的过程中，既保证了喷嘴的平稳喷射，又减少了喷嘴的发热量，从而提高了安全性与经济性。图 2 是 PWM 的一种典型波形，其中 t 是 PWM 波高电平持续时间，T 是 PWM 波的周期，占控比为 t/T,其将决定 MOSFET 管的平均导通电压，平均电压将决定流过喷嘴电磁阀平均电流的大小，根据热能 Q = I2*R*T，其中 R 为喷嘴电磁阀电阻，T 为通电时间，I 为流过电磁阀的平均电流大小，由该公
14、式可知，在保证喷射脉宽不变的情况下，降低流过电磁阀电流的大小可有效降低喷嘴电磁阀的发热量，延迟其使用寿命。图 2 PWM 的一种典型波形 3 硬件电路系统设计为了满足快速打开喷射器喷嘴的要求，软件部分：PWM 波的产生采用了摩托罗拉飞思卡尔公司生产的 HC9SXS128 单片机，该单片机具有高速度，低功耗的优点。在该电路中三极管 Q1，Q2，,Q3， Q4 在导通后都当开关管使用，此时可认为三极管发射极和集电极短路。电阻 R2,R3 是阻值相等的电阻，这样保证了 Q 点的电压为 2.5V。电阻 R5 的阻值是远远大于 R4 的，这样保证了 PWM 为高电平时 R5 上的压降基本为 12V，从而
15、保证了 MOSFET 管的快速开启，电阻 R6 模拟了喷嘴的电阻值。该系统的工作原理为：当 PWM 波产生高电平波时，使三极管 Q1 导通，从而使三极管 Q3 随之导通，当三极管 Q3 导通后由于 R5 的阻值远远大于 R4 的阻值，使 12V 的电源压降几乎全部分配给电阻R5 从而达到 MOSFET 管的开启值，MOSFET 管导通，喷嘴电磁阀开启喷射器开始喷气。当 PWM 波为低电平时三极管 Q1 截止（此时 MOSFET 管就截止了） ，Q2 导通，当 Q2 导通后三极管 Q4 也会随之导通。 MOSFET 管在设计之初，由于结构原因，不可避免的会产生寄生电容，如果在 MOSFET 管截
16、止时这部分电荷不能及时放出会影响 MOSFET 管的导通性能，所以设计了放电回路，当三极管 Q4 导通时，由于 R4 的阻值很小可以认为 R4 被短路，这样寄生电容就通过 R4，Q4 形成了放电回路，从而保证了 MOSFET 管寄生电容的快速放电，该系统电路不仅提高了 MOSFET 管的工作稳定性，同时又防止了电流回流烧坏其它元器件。系统中硬件电路原理图如图 3 所示。图 3 硬件电路原理图4 发动机判缸原理：本系统中根据具体发动机类型，选择曲轴位置传感器输出信号中缺齿脉冲后的第一个方波信号后的上升沿对应第 1，4 缸上止点前 120 度。凸轮轴位置传感器输出的信号为 50%的周期信号，选择其上升沿对应第一缸压缩上止点（也即第 4 缸排气 TDC）.同理，其下降沿则对应第 4 缸压缩上止点（也即第 1 缸排气 TDC） ，对于 1,4 缸来说，在缺齿方波后，通过曲轴位置传感器输入的信号 ECU 可判断出 1,4 缸二个活塞正在接近上止点，但仅由此并不能判断出 1,4 缸具体的工作状态（压缩还是排气） ，由于各缸活塞行程 180曲轴转角变化一次，所
