氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了基于ATmega16的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)證明該電控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的有效控制。文章設(shè)計(jì)了信號(hào)采集處理模塊、電磁閥驅(qū)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(shè)計(jì)，并建立了基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)以便系統(tǒng)擴(kuò)展，還提出了完善電控系統(tǒng)的建議。
關(guān)鍵詞：氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；電磁閥；電控系統(tǒng)；CAN總線；ATmega16

0 引言
隨著環(huán)境污染、能源危機(jī)等全球性問(wèn)題的日益突出，代用燃料汽車、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車等低排放、節(jié)能經(jīng)濟(jì)型的汽車相繼涌現(xiàn)。它們有各自突出的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有相應(yīng)的局限。而壓縮空氣動(dòng)力汽車(Air-powered Vehicle)是利用高壓壓縮空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)膨脹做功，推動(dòng)活塞做功對(duì)外輸出動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。不僅壓縮空氣來(lái)源方便，而且它還具有結(jié)構(gòu)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(xiàn)零排放，是真正的環(huán)保汽車。
本課題將LF162MK改裝成由電控系統(tǒng)控制電磁閥噴射壓縮空氣的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。本文進(jìn)行了基于ATmcga16的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該電控系統(tǒng)具有靈活、快速和準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)各傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量和對(duì)執(zhí)行器的控制以及PC機(jī)上的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案
氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，系統(tǒng)主要完成以下任務(wù)：實(shí)時(shí)采集發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)：實(shí)現(xiàn)對(duì)特征參數(shù)快速精確的計(jì)算；實(shí)時(shí)控制電磁閥噴氣定時(shí)和噴氣量；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊。
氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要從系統(tǒng)檢測(cè)和控制功能的需求出發(fā)，按以下要求進(jìn)行設(shè)計(jì)：選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)采集方式，選用合理的傳感器，準(zhǔn)確地反映發(fā)動(dòng)機(jī)各狀態(tài)參數(shù)；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(shè)計(jì)方法；系統(tǒng)具有抗振動(dòng)和抗干擾性能；驅(qū)動(dòng)模塊具有良好的可靠性和負(fù)載能力；適應(yīng)車載發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作環(huán)境。

2 氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元硬件設(shè)計(jì)
電控單元(ECU)是整個(gè)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的核心。它由微控制系統(tǒng)模塊、輸入信號(hào)處理模塊、功率輸出執(zhí)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(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、濾波和整形放大，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以讀取的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯判斷制定出控制命令驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器(高速電磁閥)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氣定時(shí)、噴氣量的準(zhǔn)確控制；實(shí)現(xiàn)CAN總線實(shí)時(shí)通訊任務(wù)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最佳運(yùn)行狀態(tài)。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括ATmega16、信號(hào)處理電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路及
傳感器和執(zhí)行器等，分別完成對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制和監(jiān)測(cè)的功能。

2．1 電控系統(tǒng)的核心微處理器
氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)具有多控制參數(shù)、控制算法復(fù)雜及實(shí)時(shí)控制等特點(diǎn)。ECU作為整個(gè)電控系統(tǒng)的核心，它不但要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各數(shù)據(jù)信號(hào)采集和實(shí)時(shí)控制，還要處理各信號(hào)之間的關(guān)系以及噴氣定時(shí)和噴氣量的計(jì)算。另外，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，要承受強(qiáng)烈的振動(dòng)和強(qiáng)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(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、豐富的外圍接口和模塊化的功能設(shè)計(jì)，完全可以滿足氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、控制和通訊的需求。