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摘要
( U4 z/ `# R. H3 ]7 i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
' |" k3 i" o( v3 r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/ ?6 n3 m( I6 k: ], j7 G/ Y( z
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
# `, _8 R% Z4 m6 V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。
, T# d" t7 U. N* s+ M8 ]- Z! |关键词$ A/ c+ n% V- \2 k4 b# P9 o( T
电控系统 CNG 发动机 AVR 单片机- D) O( h# b5 [9 \
1燃料供给 系统% g" t2 C# i, s* ]: X; e( `
对原机的改造主要是燃料供应及喷射系统的改造,用- f. J+ H1 _1 ^: K) W
--套完整的天然气供给系统和电控系统来实现改造目的。 {9 x5 m& P+ W% P5 G
所使用的天然气是由高压气瓶(CNG)提供的压缩天然
: ?" @9 n$ u( Z* ^9 e3 y+ k气,出口压力达到20 MPa。图1所示为供气系统示意
& G* I) ?0 c( A* t3 k图。该设计实现了高压天然气的可靠存储和压力转换,并9 O7 y! M! _0 `
可对供气压力进行实时监测。8 v2 y1 N! V- O' j
2: _, I# q4 ?) H% U- c& `, `3 Q
电控单元
$ y$ t3 y& N/ M, Q( N3 o& k: `' {电控单元选用Atmel公司的AVR单片机,利用单片4 ~( ]5 b9 z/ N. | g
机C语言进行程序开发,并且采用了多片式ECU设计.- ^+ W; V7 y* D( h% R1 C8 ~
(1)多片式ECU多片式ECU是指在一个电控
2 R% f- j8 G, Q5 u$ {1 G单元ECU中使用多个单片机(mcu)。各个
' { [! ]* R6 @+ M$ v' wMCU分别承担不同的工作内容。图2所示为
0 X' T. Q3 A4 r0 |) }3 C9 d, S9 T多片式ECU的结构简图.考虑到控制系统的性能和特
/ E& |* y- N* B# m" a- L3 S3 Q% D1 ~. y点,对3个MCU的任务做出如下分配:一个MCU专门负% L! I- \# Y4 V" h t
责点火,根据主MCU计算的数据和实际发动机运行情
( B, x' [7 x! f, R况,精确控制点火时刻和点火线圈的闭合时间,实现发动4 Z; m! A, p4 ~! N9 f
机电子点火。另一个MCU专门负责燃气喷射,根据主 Z" _+ q9 a* m4 p# i+ K/ q
MCU计算的数据和实际发动机运行情况,精确控制燃气9 z! o4 w5 ~; y7 f
喷射时刻和喷射量,实现发动机电控燃气喷射。主MCU
- t2 H# k. L: |8 Q }# ~) X主要接收各种传感器采集的数据并进行计算,同时进行发
2 S: R' f1 h9 S F1 H7 ?动机的怠速控制和与监控系统进行实时通信,在怠速过程
4 R+ o/ ^, W) U0 ]# e2 a3 C& _中完成对进空气量的准确控制,从而保证发动机转速的稳
( y7 v/ b; N0 q! B5 _4 o7 b1 H定,同时负责外界与发动机之间的通信,实时地了解发动: {0 v1 H( W; {- Q' o" V' {% F
机当前的状态,为下一步发动机控制提供良好的信息反
. ^) P1 r, Z' P! L馈。另外,分别将点火和喷射数据传输给点火和燃气喷射
( L8 _8 ~: m9 d+ U: V" ~8 [: U的MCU,同时提供额外的控制功能。" z- W2 g, a/ Z) Z% c" U1 E T3 {! B
作为发动机ECU的核心部分,3个MCU必须采用功
" K P" }5 P$ ]) ^7 H# Y: f能强和运算速度高的单片机。针对本系统,采用3个At-
1 e! a% y1 ~9 H% r6 @4 ?6 Omel公司AVR系列单片机组成多片式ECU控制系统,它: {, O4 g8 N2 C3 V5 h* C# `( u# }/ Y
们分别针对不同的对象各自分担任务。如上所述,其中两
4 p( g6 A- h1 o# u' E( ?, W; ~& d. Q' s个ATmega8单片机,一个用于控制发动机的电子点火,一
* G! k5 b' ^ y9 m9 L$ G4 n个作为ECU主控单片机;另外一个ATmega128单片机控0 w: z2 M& Z M8 D1 u% `
制发动机的燃料喷射量C(24].
! s8 P+ t0 \2 c考虑到控制系统需要以及单片机的性能特点,在多片
9 s3 G2 H: P1 Z M; `式ECU中采用了两个ATmega8单片机,其中用于控制发5 |3 u A) L1 {2 y) z+ c
动机电子点火的MCU引脚图及其附属电路如图3所示。0 ]1 W9 E/ ^0 d4 x
另一个作为ECU主控单片机,同时进行发动机的息8 R+ w1 c- G, s; C/ J0 L# F
速和ECU与监控软件的串口通信控制,引脚图及其附属0 g7 M+ a+ \/ N+ ~5 ~3 f& b
电路如图4所示。
& e/ E- |( ~% O* Y2 z另外考虑到燃气喷射的复杂性,选用了AVR家族另
. D. b1 A4 V) g; B0 o1 a; Y3 Q: B一款存储空间大、引脚多、性价比高的ATmega128单片机
4 x# U |& b2 r ^( [' w0 Z
: g7 l; E+ {! j1 p附件下载：
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. u2 E0 H* L6 p8 S* i# ^6 U( _. S( v) F7 ?
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发表于 2020-3-9 09:43
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