AVR单片机的天然气发动机电控系统设计

ByGrith4

摘要
针对车用压缩天然气(CNG)发动机进行电控系统的开发研究。电控单元以AVR系列单片机为核心,采
! Y+ @. C7 O4 ?, v$ _用多片式结构;设计了传感器调理电路和执行器驱动电路;通过控制怠速步进电机以调节旁通空气量,采
5 |- O6 L! Y6 x9 O用PID算法对发动机怠速转速进行闭环控制;采用脉宽调制(PWM)方式控制天然气喷射阀的喷射量;通
过控制初级点火线圈的通电时间和断电时刻,实现点火能量和点火正时的主动控制。
+ z, l: [* i  f( W( D关键词
电控系统   CNG 发动机   AVR 单片机
1燃料供给 系统
对原机的改造主要是燃料供应及喷射系统的改造,用
& d$ x5 t# V- ~--套完整的天然气供给系统和电控系统来实现改造目的。
) _6 N( P$ `4 f6 p, V所使用的天然气是由高压气瓶(CNG)提供的压缩天然
" t7 h9 Z* Q' y' N4 h气,出口压力达到20 MPa。图1所示为供气系统示意
; H2 G, g" ?6 c0 Y图。该设计实现了高压天然气的可靠存储和压力转换,并
可对供气压力进行实时监测。
2
# F  v# a7 e/ z8 N+ q电控单元
电控单元选用Atmel公司的AVR单片机,利用单片
机C语言进行程序开发,并且采用了多片式ECU设计.
(1)多片式ECU多片式ECU是指在一个电控
# Q0 ^! n; \  F5 u$ C5 t单元ECU中使用多个单片机(mcu)。各个
2 W; {- e" U+ A9 n5 |2 d' \MCU分别承担不同的工作内容。图2所示为
多片式ECU的结构简图.考虑到控制系统的性能和特
  G0 n/ W8 N3 x4 u2 I9 W点,对3个MCU的任务做出如下分配:一个MCU专门负
. \. j( a8 g& h6 ~; ]* Q/ `4 j责点火,根据主MCU计算的数据和实际发动机运行情
况,精确控制点火时刻和点火线圈的闭合时间,实现发动
7 Z6 J/ B: I# O# D机电子点火。另一个MCU专门负责燃气喷射,根据主
# y( m/ t$ C+ L6 e+ RMCU计算的数据和实际发动机运行情况,精确控制燃气
1 }+ H# |; d2 v6 G) q3 y  E喷射时刻和喷射量,实现发动机电控燃气喷射。主MCU
主要接收各种传感器采集的数据并进行计算,同时进行发
动机的怠速控制和与监控系统进行实时通信,在怠速过程
中完成对进空气量的准确控制,从而保证发动机转速的稳
' e5 i* ~$ S2 Z* Y; P! v定,同时负责外界与发动机之间的通信,实时地了解发动
2 N( v3 G( r6 w& S" K8 o" Q机当前的状态,为下一步发动机控制提供良好的信息反
1 a8 `! I& p$ E+ ^馈。另外,分别将点火和喷射数据传输给点火和燃气喷射
的MCU,同时提供额外的控制功能。
4 N6 F; C3 X# q# M+ q1 K. ^% I  G4 T作为发动机ECU的核心部分,3个MCU必须采用功
6 b7 q: h1 a! s+ M1 A能强和运算速度高的单片机。针对本系统,采用3个At-
/ s0 F$ @( S$ Rmel公司AVR系列单片机组成多片式ECU控制系统,它
7 [0 D( A4 l$ w# j们分别针对不同的对象各自分担任务。如上所述,其中两
个ATmega8单片机,一个用于控制发动机的电子点火,一
个作为ECU主控单片机;另外一个ATmega128单片机控
制发动机的燃料喷射量C(24].
考虑到控制系统需要以及单片机的性能特点,在多片
9 I& ]% r% h5 S& v' n  W式ECU中采用了两个ATmega8单片机,其中用于控制发
动机电子点火的MCU引脚图及其附属电路如图3所示。
另一个作为ECU主控单片机,同时进行发动机的息
% |: C2 u' P4 R速和ECU与监控软件的串口通信控制,引脚图及其附属
电路如图4所示。
另外考虑到燃气喷射的复杂性,选用了AVR家族另
/ f+ o$ m. q& g+ i# }/ [一款存储空间大、引脚多、性价比高的ATmega128单片机

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两个ATmega8单片机,一个用于控制发动机的电子点火,一个作为ECU主控单片机