采用HC05/HC088位微控制器的數(shù)字電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)

引言

兩化機(jī)動車：低座小摩托、摩托車、機(jī)動腳踏兩用車，普遍使用電容放電點(diǎn)火（CDI）一種基于電容放電技術(shù)的引擎點(diǎn)火系統(tǒng)。點(diǎn)火系統(tǒng)將能量從磁電機(jī)轉(zhuǎn)移到存儲電容，然后通過升壓變壓器在火花塞處以高壓脈沖形式釋放出來，將汽缸中的混合燒油點(diǎn)燒。

目前，考慮到效率更高引擎設(shè)計(jì)的要求和污染控制中新的管理規(guī)定，變定時CDI已成為最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。在變定時CDI解決方案中，以監(jiān)測引擎速度來提供火花的最佳定時。在空轉(zhuǎn)速度狀態(tài)，點(diǎn)火定時在壓縮沖程中較遲產(chǎn)生，因此當(dāng)活塞開始動和沖程時有充分時間完成燒燒；在高速狀態(tài)，點(diǎn)火則在壓縮沖程中較早產(chǎn)生。變定時可用MCU實(shí)現(xiàn)，如Motorola的廉價MC68HC705P6A。該MCU配置了帶獨(dú)立輸入捕捉和輸出比較功能的16位定時器。MCU監(jiān)測引擎的速度并提供精確的火花定時。使用MCU的另一個優(yōu)點(diǎn)是，對特定的引擎速度，點(diǎn)火火花可在任意時刻產(chǎn)生。因而對不同的引擎設(shè)計(jì)，點(diǎn)火角可以完全實(shí)現(xiàn)定制化。理想的點(diǎn)火定時將提高效率，節(jié)省能量、減少污染。

CDI主要部件

CDI也稱為晶閘管點(diǎn)水系統(tǒng)。帶感應(yīng)型脈沖發(fā)生器的CDI系統(tǒng)包括一個觸發(fā)箱、一個脈沖整形電路、一個充電部件以及點(diǎn)火變壓器。主要組件如下：

磁電機(jī)

一個小型二沖程或四沖程單/以缸引擎，有一個飛輪，還設(shè)計(jì)了一個永久磁鐵。銅線圈組成的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生100V～400V之間的AC電壓，其頻率與引擎的速度成比例。經(jīng)過整流，該DC高壓加到電容部分。磁電機(jī)也稱交流發(fā)電機(jī)，如圖1所示。

脈沖發(fā)生器

脈沖發(fā)生器是安裝在磁電機(jī)上的一個小型線圈，引擎轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生一個交變脈沖。磁電機(jī)的框架上安裝了一塊磁板，磁電機(jī)轉(zhuǎn)動時經(jīng)過脈沖器線圈，這些脈沖就是由磁板的兩極（N極和S極）感應(yīng)的。N極與S極分別感應(yīng)出一個正及脈沖，緊跟著一個負(fù)脈沖，兩者典型的間隔為25度。25度是由磁板的長度固定的。負(fù)脈沖的峰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，即活塞的上止點(diǎn)。這樣，正脈沖領(lǐng)先于負(fù)脈沖25度。

點(diǎn)火線圈

點(diǎn)火線圈（圖2）是一個升壓變壓器，它向火花塞提供高壓。高壓的幅度在5kV～20kV之間，視工作條件而定。

火花塞

火花塞（圖3）是點(diǎn)火鏈中最后一個元件。高引擎效率和完全氣體燃燒是與高質(zhì)量火花密切相關(guān)的。通常，在火花塞產(chǎn)生足夠的火花估計(jì)至少需要20毫焦?fàn)柲芰俊?/p>

數(shù)字CDI模塊

圖4是典型的數(shù)字CDI模塊的方框圖。定時控制電路的核心是MCU，監(jiān)測引擎的速度并計(jì)算火花的定時。

數(shù)字CDI模塊分為下列幾個控制塊：

·模擬點(diǎn)火控制

·電源

·信號整形（濾波）

·高級定時控制（MCU）

·點(diǎn)火電路

下面描述每個塊的功能。

模擬點(diǎn)火控制

由于在引擎冷啟動階段，向MCU供電的5V DC還未準(zhǔn)備就緒，此模擬點(diǎn)火控制就是為引擎啟動階段設(shè)計(jì)的。在此啟動階段，點(diǎn)火定時取自脈沖發(fā)生器的信號。在圖5中，R2限制到點(diǎn)火電路的電流，二極管D1和D2防止MCU與模擬點(diǎn)火控制之間的相互干擾。一旦MCU準(zhǔn)備就緒，它將TR1導(dǎo)道，從而關(guān)閉模擬點(diǎn)火控制。

電源

磁電機(jī)輸出經(jīng)過整流，向變定時點(diǎn)火控制整個模塊提供5V穩(wěn)壓。在圖6中，半波電橋從磁電機(jī)向數(shù)字CDI板提供負(fù)半周。R3是一個限流電阻。齊納管Z1，在磁電機(jī)高速運(yùn)行時吸收掉電源過多的電能，維持MC7805的15V輸入。Z1也用作一個啞負(fù)載，能夠反平衡的點(diǎn)火電路充電正半周的負(fù)載，有助于減少引擎的振動。電容C1充電至電位VM，Z1最大值（約15V）。由于半波橋路中二極管不能通過正向電流，即沒有漏電路徑，因此C1將保持這個單位，MC7805的輸入維持在15V DC。

信號整形（濾波）

在圖7中，光耦合器對火花的傳感器信號進(jìn)行濾波，同時將模擬脈沖變換為MCU使用的數(shù)字脈沖。脈沖周期由引擎的轉(zhuǎn)速確定。

新式定時控制（MCU）

新式定時控制塊的核心是MCU。MCU取得脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的參考脈沖，根據(jù)引擎速度計(jì)算點(diǎn)角度。

在圖8中，二極管D3導(dǎo)通對電容充電的正向電流。在需要放火花時，新式定時控制產(chǎn)生的電流注入SCR的柵極，使它通導(dǎo)。SCR通導(dǎo)讓電容C3放電，產(chǎn)生一個電流并傳送至點(diǎn)火線圈的初級繞組。在電容電壓達(dá)到0V的電流周期前半部分，SCR一直是通導(dǎo)的。電流流過初級線圈時，次級線圈就會感應(yīng)一個高壓（典型值為14kV)，高壓在火花塞處形成放電火花。C3的典型值在0.47μF～2μF之間，它儲存來自磁電機(jī)的電荷，整流后提供一個正向電壓。

數(shù)字CDI模塊的典型工作可分成三種方式：

1.低引擎速度：點(diǎn)火火花在檢測到負(fù)感測脈沖（零度角；活塞在止上點(diǎn)）時產(chǎn)生。

2.高引擎速度：點(diǎn)火火花在檢測到正感測脈沖（提前25度）時產(chǎn)生。

3.中等引擎速度：在低速與高速之間，點(diǎn)火提前角度與引擎速度成正比。

圖9表示在不同引擎速度下的點(diǎn)火提前速度。

工作原理

脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過隔離電路（脈沖整形電路）后被MCU捕捉。從這些脈沖，MCU使用16位定時器計(jì)算出脈沖間的周期以確定引擎的速度。然后計(jì)算點(diǎn)火提前角度，MCU向點(diǎn)火電路送出所需的電流脈沖。

圖10是輸入與輸出脈沖波形。