氣動發(fā)動機的電控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：文章介紹了基于ATmega16的氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計，經(jīng)試驗證明該電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對氣動發(fā)動機的有效控制。文章設(shè)計了信號采集處理模塊、電磁閥驅(qū)動模塊和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，并建立了基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)通信平臺以便系統(tǒng)擴展，還提出了完善電控系統(tǒng)的建議。
關(guān)鍵詞：氣動發(fā)動機；電磁閥；電控系統(tǒng)；CAN總線；ATmega16

0 引言
隨著環(huán)境污染、能源危機等全球性問題的日益突出，代用燃料汽車、電動汽車和混合動力汽車等低排放、節(jié)能經(jīng)濟型的汽車相繼涌現(xiàn)。它們有各自突出的優(yōu)點，但同時也有相應(yīng)的局限。而壓縮空氣動力汽車(Air-powered Vehicle)是利用高壓壓縮空氣在發(fā)動機氣缸內(nèi)膨脹做功，推動活塞做功對外輸出動力，驅(qū)動汽車行駛。不僅壓縮空氣來源方便，而且它還具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、清潔環(huán)保等眾多優(yōu)點；可以實現(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發(fā)動機。本文進行了基于ATmcga16的氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計，該電控系統(tǒng)具有靈活、快速和準確等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對氣動發(fā)動機各傳感器的實時測量和對執(zhí)行器的控制以及PC機上的實時監(jiān)控。

1 氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計總體方案
氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設(shè)計包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，系統(tǒng)主要完成以下任務(wù)：實時采集發(fā)動機狀態(tài)參數(shù)：實現(xiàn)對特征參數(shù)快速精確的計算；實時控制電磁閥噴氣定時和噴氣量；實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時通訊。
氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的設(shè)計要從系統(tǒng)檢測和控制功能的需求出發(fā)，按以下要求進行設(shè)計：選擇適當(dāng)?shù)男盘柌杉绞?，選用合理的傳感器，準確地反映發(fā)動機各狀態(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，簡化電路，提高控制精度；采用模塊化設(shè)計方法；系統(tǒng)具有抗振動和抗干擾性能；驅(qū)動模塊具有良好的可靠性和負載能力；適應(yīng)車載發(fā)動機實際工作環(huán)境。

2 氣動發(fā)動機電控單元硬件設(shè)計
電控單元(ECU)是整個氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的核心。它由微控制系統(tǒng)模塊、輸入信號處理模塊、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：實時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)換成單片機可以讀取的標準信號；通過數(shù)學(xué)計算和邏輯判斷制定出控制命令驅(qū)動執(zhí)行器(高速電磁閥)工作，實現(xiàn)對噴氣定時、噴氣量的準確控制；實現(xiàn)CAN總線實時通訊任務(wù)，從而使發(fā)動機保持最佳運行狀態(tài)。氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括ATmega16、信號處理電路、功率驅(qū)動電路、通訊電路及
傳感器和執(zhí)行器等，分別完成對氣動發(fā)動機的實時檢測、控制和監(jiān)測的功能。

2．1 電控系統(tǒng)的核心微處理器
氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)具有多控制參數(shù)、控制算法復(fù)雜及實時控制等特點。ECU作為整個電控系統(tǒng)的核心，它不但要對發(fā)動機各數(shù)據(jù)信號采集和實時控制，還要處理各信號之間的關(guān)系以及噴氣定時和噴氣量的計算。另外，氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的工作環(huán)境惡劣，要承受強烈的振動和強電磁干擾等。本課題選用ATMEL公司開發(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(shù)據(jù)處理功能、豐富的外圍接口和模塊化的功能設(shè)計，完全可以滿足氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、控制和通訊的需求。