氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機的電控系統設計

摘要：文章介紹了基于A(yíng)Tmega16的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統設計，經(jīng)試驗證明該電控系統可以實(shí)現對氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機的有效控制。文章設計了信號采集處理模塊、電磁閥驅動(dòng)模塊和CAN通訊模塊等的硬件電路，采用模塊化方式的控制軟件設計，并建立了基于CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )通信平臺以便系統擴展，還提出了完善電控系統的建議。
關(guān)鍵詞：氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機；電磁閥；電控系統；CAN總線(xiàn)；ATmega16

0 引言
隨著(zhù)環(huán)境污染、能源危機等全球性問(wèn)題的日益突出，代用燃料汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)等低排放、節能經(jīng)濟型的汽車(chē)相繼涌現。它們有各自突出的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有相應的局限。而壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)(Air-powered Vehicle)是利用高壓壓縮空氣在發(fā)動(dòng)機氣缸內膨脹做功，推動(dòng)活塞做功對外輸出動(dòng)力，驅動(dòng)汽車(chē)行駛。不僅壓縮空氣來(lái)源方便，而且它還具有結構簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、清潔環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)；可以實(shí)現零排放，是真正的環(huán)保汽車(chē)。
本課題將LF162MK改裝成由電控系統控制電磁閥噴射壓縮空氣的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機。本文進(jìn)行了基于A(yíng)Tmcga16的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統設計，該電控系統具有靈活、快速和準確等優(yōu)點(diǎn)，能夠實(shí)現對氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機各傳感器的實(shí)時(shí)測量和對執行器的控制以及PC機上的實(shí)時(shí)監控。

1 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統設計總體方案
氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統設計包括硬件設計和軟件設計兩部分，系統主要完成以下任務(wù)：實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機狀態(tài)參數：實(shí)現對特征參數快速精確的計算；實(shí)時(shí)控制電磁閥噴氣定時(shí)和噴氣量；實(shí)現數據實(shí)時(shí)通訊。
氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統的設計要從系統檢測和控制功能的需求出發(fā)，按以下要求進(jìn)行設計：選擇適當的信號采集方式，選用合理的傳感器，準確地反映發(fā)動(dòng)機各狀態(tài)參數；選用合適的控制芯片，采用低功耗高性能的元器件，簡(jiǎn)化電路，提高控制精度；采用模塊化設計方法；系統具有抗振動(dòng)和抗干擾性能；驅動(dòng)模塊具有良好的可靠性和負載能力；適應車(chē)載發(fā)動(dòng)機實(shí)際工作環(huán)境。

2 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控單元硬件設計
電控單元(ECU)是整個(gè)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統的核心。它由微控制系統模塊、輸入信號處理模塊、功率輸出執行模塊和通訊模塊等部分組成。ECU要完成的主要任務(wù)有：實(shí)時(shí)處理傳感器采集的數據，并將采集的數據經(jīng)A／D轉換、濾波和整形放大，轉換成單片機可以讀取的標準信號；通過(guò)數學(xué)計算和邏輯判斷制定出控制命令驅動(dòng)執行器(高速電磁閥)工作，實(shí)現對噴氣定時(shí)、噴氣量的準確控制；實(shí)現CAN總線(xiàn)實(shí)時(shí)通訊任務(wù)，從而使發(fā)動(dòng)機保持最佳運行狀態(tài)。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統總體結構如圖1所示，包括ATmega16、信號處理電路、功率驅動(dòng)電路、通訊電路及
傳感器和執行器等，分別完成對氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機的實(shí)時(shí)檢測、控制和監測的功能。

2．1 電控系統的核心微處理器
氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統具有多控制參數、控制算法復雜及實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)。ECU作為整個(gè)電控系統的核心，它不但要對發(fā)動(dòng)機各數據信號采集和實(shí)時(shí)控制，還要處理各信號之間的關(guān)系以及噴氣定時(shí)和噴氣量的計算。另外，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統的工作環(huán)境惡劣，要承受強烈的振動(dòng)和強電磁干擾等。本課題選用ATMEL公司開(kāi)發(fā)的ATmega16作為主芯片，它是一款低能耗、低電壓、高性能的AVR系列微處理器。它具有強大的數據處理功能、豐富的外圍接口和模塊化的功能設計，完全可以滿(mǎn)足氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機電控系統數據采集、處理、控制和通訊的需求。