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
% ~. u% m9 U9 |0 O, [* Z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
* t3 W+ X" C5 X# Q3 H" j5 J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。
关键词
电控系统   CNG 发动机   AVR 单片机
" V8 x  f' {* J8 \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
--套完整的天然气供给系统和电控系统来实现改造目的。
所使用的天然气是由高压气瓶(CNG)提供的压缩天然
+ m2 T' h: K" n- l! p气,出口压力达到20 MPa。图1所示为供气系统示意
: U% w4 l4 J+ r/ R图。该设计实现了高压天然气的可靠存储和压力转换,并
5 r8 q. [9 w: x1 ^可对供气压力进行实时监测。
, e+ r) D! R/ a  A2
6 M! l( R7 S- }电控单元
7 x1 X9 ?  b0 ?6 ~电控单元选用Atmel公司的AVR单片机,利用单片
( T2 V/ K9 L5 V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
; D1 C7 o8 h( X, K# @& v, v$ ]单元ECU中使用多个单片机(mcu)。各个
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
& x% r/ e' F% V# Y9 |0 S3 c点,对3个MCU的任务做出如下分配:一个MCU专门负
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
机电子点火。另一个MCU专门负责燃气喷射,根据主
" X; b* K* j# t7 ?9 v0 J. V3 UMCU计算的数据和实际发动机运行情况,精确控制燃气
0 ]- |2 O) @" A2 ^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
! M% m, }( _( ?& M, k中完成对进空气量的准确控制,从而保证发动机转速的稳
( T. j6 E$ J! D  B定,同时负责外界与发动机之间的通信,实时地了解发动
机当前的状态,为下一步发动机控制提供良好的信息反
% u, r1 i# t( L馈。另外,分别将点火和喷射数据传输给点火和燃气喷射
% I5 _# a; v- N- D$ n  w& i的MCU,同时提供额外的控制功能。
* B9 _* R+ [9 J% B* e6 ]  m作为发动机ECU的核心部分,3个MCU必须采用功
* L8 h' v3 }6 N能强和运算速度高的单片机。针对本系统,采用3个At-
mel公司AVR系列单片机组成多片式ECU控制系统,它
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
$ Y" q6 b$ Q/ F" D7 i9 x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].
0 R. [( @3 v. j# l8 j( \; j+ v9 N' `考虑到控制系统需要以及单片机的性能特点,在多片
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
速和ECU与监控软件的串口通信控制,引脚图及其附属
6 v: Z3 C+ e8 ]" X( x, [电路如图4所示。
% n6 a; N. T& u* X另外考虑到燃气喷射的复杂性,选用了AVR家族另
2 a* |- i; `: w+ b, k2 A. h9 [) n一款存储空间大、引脚多、性价比高的ATmega128单片机
9 t$ `' r# g) @4 G7 T. S% [
; l3 V7 `: ^1 w. h附件下载：

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BillScot2

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