基于MC9S12微控制器的發(fā)動機高能直接點火控制

摘　要：發(fā)動機高能直接點火系統(tǒng)需按點火順序、點火時刻和點火能量的要求實現(xiàn)各點火線圈的獨立控制。介紹了以MC9S12DP256微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統(tǒng)設計。利用MCU的增強型捕捉定時器,將輸入捕捉與輸出比較功能相配合,滿足了6個點火線圈初級電路通斷電的復雜時序控制要求。該系統(tǒng)在某稀燃天然氣發(fā)動機的開發(fā)中進行了應用,結果表明:在各種工況下,都能獲得可靠的點火。
 
關鍵詞：微控制器 增強型捕捉定時器 點火系統(tǒng)

隨著電子技術的發(fā)展及對發(fā)動機性能要求的提高,微機控制的電子點火系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的發(fā)動機點火系統(tǒng),實現(xiàn)了更為精確的點火時刻和點火能量的控制。在發(fā)動機點火系統(tǒng)中,采用的每個發(fā)動機汽缸各帶一個點火線圈,對各缸點火線圈進行獨立控制的點火系統(tǒng),稱為無分電器各缸獨立點火系統(tǒng),也叫高能直接點火系統(tǒng)。采用高能直接點火可有效地增加點火線圈初級回路的儲能,減少點火能量的傳導損失,從而提高點火能量,滿足車用發(fā)動機稀薄燃燒、增壓和使用代用燃料(如天然氣、酒精)等新技術的發(fā)展要求。對于多缸發(fā)動機,這種高能直接點火系統(tǒng)由于控制事件多,要求的控制電路和控制軟件復雜,因而對微控制器的性能和控制軟件均有較高的要求[1]。

MC9S12系列是MOTOROLA公司開發(fā)的一種高性能16位微控制器(MCU),具有豐富的輸入輸出接口功能、較強的數(shù)值運算和邏輯運算能力,特別還具有較強的定時控制功能,使其適用于復雜時序控制技術的應用中[2]。本文針對六缸車用發(fā)動機高能直接點火控制系統(tǒng)的開發(fā),進行了以MC9S12DP256微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統(tǒng)設計。

1 高能直接點火系統(tǒng)及控制要求
 
圖1所示為六缸發(fā)動機的高能直接點火系統(tǒng)電路原理圖。系統(tǒng)由輸入信號傳感器、電子控制單元(ECU)及點火執(zhí)行器三部分組成。其中,點火執(zhí)行器包括每缸獨立的共六組點火線圈和火花塞。點火線圈作為儲能元件,由匝數(shù)比很高的次級繞組和初級繞組構成,其作用相當于變壓器。當初級繞組電路(初級電路)導通時,初級繞組電感線圈中的電流按照指數(shù)規(guī)律增加,從蓄電池獲得的能量以磁場能的形式儲存在初級線圈中;當初級電路斷電時,次級繞組感應出高壓電,使火花塞電極間產(chǎn)生電火花,將汽缸內的混合氣點燃。在圖1所示的系統(tǒng)中,由微控制器發(fā)出的控制信號經(jīng)過點火器中的功率三極管的驅動放大,實現(xiàn)了對初級電路的通斷電控制。與傳統(tǒng)點火系統(tǒng)只使用一個點火線圈相比,這種直接點火控制方式可利用更長的時間積蓄點火能量,并可將點火線圈與火花塞安裝在一起,減少高壓電流的傳遞損失,從而獲得較高的點火能量。

 
點火控制包括點火順序控制、點火定時控制和點火能量控制。點火系統(tǒng)應按發(fā)動機的工作順序進行點火,即點火順序應與發(fā)動機的工作順序一致,否則不能適時點著混合氣,發(fā)動機就不能正常工作。點火定時控制的目的是使發(fā)動機功率輸出大、油耗低、爆震小和排放低,點火系統(tǒng)必須在最有利的時刻點火,并需在上述目標之間進行折衷。點火時刻用點火提前角來表示,從火花塞開始跳火到活塞運行至壓縮行程上止點的時間內曲軸轉過的角度被稱為點火提前角。發(fā)動機在不同工況下的最佳點火提前角是不同的。在微機控制的點火系統(tǒng)中,根據(jù)發(fā)動機轉速、負荷等傳感器的信號確定發(fā)動機運行工況,計算出最佳的點火時刻,并由微控制器輸出控制信號,使功率三極管截止、初級電路斷電,從而實現(xiàn)控制。

點火能量直接影響發(fā)動機的著火情況。對于使用增壓、稀燃及替代燃料等新技術的發(fā)動機,只有點火能量足夠高,才能可靠燃燒,達到提高經(jīng)濟性和改善排放的目的。高能直接點火的關鍵是保證在任何工況下都能夠提供足夠的點火能量。電感儲能式點火系統(tǒng)控制點火能量的實質是控制點火線圈在斷電時刻的初級電流,這是靠控制初級電路的通電時間來實現(xiàn)的。點火時刻初級電流所能達到的值,即初級斷開電流,與初級電路導通的時間長短有關,必須保證初級電路的通電時間來使初級電流達到點火能量的要求。但如果通電時間過長,點火線圈又會發(fā)熱并使電能消耗增大。因此,控制一個最佳的初級電路通電時間需兼顧上述兩方面的要求。

綜上所述,對于六缸發(fā)動機的高能直接點火系統(tǒng),為保證發(fā)動機的性能要求,需按點火順序、點火時刻和點火能量的要求實現(xiàn)六個獨立點火線圈初級電路的適時通、斷電,即微控制器要完成多通道的復雜時序控制。

2 ECU的硬件結構設計

如圖2所示,適用于六缸發(fā)動機的高能直接點火電子控制單元以MC9S12DP256微控制器為核心,并由電源、輸入信號整形處理、驅動放大電路和通訊電路等功能模塊構成。

 
MC9S12DP256微控制器采用了高性能的16位處理器HCS12,可提供豐富的指令系統(tǒng),具有較強的數(shù)值運算和邏輯運算能力;其內256K字節(jié)的FLASH存儲器具有在線編程能力,4K字節(jié)的EEPROM和12K字節(jié)的RAM可存儲各種控制參數(shù)。MC9S12DP256的低功耗晶振、復位控制、看門狗及實時中斷等配置和功能更有助于系統(tǒng)的可靠運行[2]。

MC9S12DP256豐富的接口資源為ECU輸入輸出功能的實現(xiàn)提供了方便。負荷信號(節(jié)氣門位置和進氣壓力)、水溫信號、蓄電池電壓信號等系統(tǒng)模擬輸入信號由放大濾波電路處理后,利用MCU的A/D轉換模塊進行采集。通過MCU增強型串行通訊模塊SCI可實現(xiàn)與PC機之間的通訊功能, 進行點火系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的匹配標定。由一個16 位主定時器和8個可編程輸入捕捉/輸出比較定時通道構成的增強型捕捉定時器提供了較強的定時控制功能,可充分滿足高能直接點火的復雜時序控制要求。在本系統(tǒng)中, 兩個定時通道設置為輸入捕捉功能,對經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號和發(fā)動機轉速信號進行采集處理;另六個定時通道設置為輸出比較功能,用于六個汽缸的點火線圈初級電路的通斷電控制。

3 ECU的控制軟件設計

3.1 點火時序的控制方法

點火時序的控制以發(fā)動機曲軸位置信號為依據(jù)。曲軸位置信號通過安裝于凸輪軸上的霍爾傳感器測量。如圖3所示,凸輪軸每轉一周,產(chǎn)生七個脈沖信號,其中六個為各缸的點火基準信號,根據(jù)發(fā)動機的點火順序,按1、5、3、6、2、4的缸號順序均勻排列,各基準脈沖信號的上升沿設置在對應各缸壓縮行程上止點前40