基于FPGA的電控汽油機(jī)噴油脈寬處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)今世界面臨著石油能源危機(jī)和環(huán)境污染兩大問題。能源與環(huán)境問題已成為影響我國(guó)乃至世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。因此.積極尋求和發(fā)展清潔能源已成為各國(guó)的頭等大事。改變石油短缺、污染嚴(yán)重的唯一方法，就是減少對(duì)石油的依賴，開發(fā)綠色高效清潔替代能源。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車數(shù)量的快速增加，以及國(guó)際原油價(jià)格的飛漲，給我國(guó)石油需求和環(huán)境保護(hù)造成了巨大壓力，節(jié)能減排任務(wù)形勢(shì)嚴(yán)峻。甲醇汽油被看作是汽車的重要替代燃料，但是由于甲醇本身富含氧，致使甲醇汽油的理論空燃比較小。電控汽油機(jī)在燃用不同比例的甲醇汽油時(shí)，電控燃油噴射系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能完全使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此需要將電控單元輸出的噴油脈寬信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展處理，使得電控汽油機(jī)在燃用不同比例甲醇汽油時(shí)，空燃比能夠維持在理論空燃比附近從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 噴油脈寬調(diào)整思路

電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴油量可以用下式計(jì)算：



式中M為電噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴油量;μ為噴油孔的流量系數(shù);s為噴油孔截面積;t為噴油持續(xù)時(shí)間;g為重力加速度;ρ為燃油密度;pi為噴油壓力;P0為供油壓力。由式(1)可知通過改變噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力，以及噴油持續(xù)時(shí)間來改變噴油量的大小，而噴油孔流量系數(shù)、噴油孔截面積、供油壓力和噴油壓力與噴油器本身的尺寸和參數(shù)相關(guān)，噴油持續(xù)時(shí)間對(duì)于噴油量來說是一個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。因此采用改變噴油持續(xù)時(shí)間來改變噴油量，噴油持續(xù)時(shí)間由汽車的電控單元(ECU)控制。當(dāng)噴油器中使用中低比例甲醇汽油時(shí)，依靠電控燃油噴射系統(tǒng)所具有的自適應(yīng)控制功能，自行調(diào)節(jié)噴油脈寬，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)燃用高比例甲醇汽油時(shí)，其自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能不能滿足時(shí)就需要對(duì)脈寬進(jìn)行處理，如圖1所示。



2 噴油脈寬調(diào)整的FPGA程序設(shè)計(jì)

2.1 Cyclone系列FPGA芯片簡(jiǎn)介

Cyclone系列FPGA芯片是Altera公司于2003年推出的中等規(guī)模、低成本和高性價(jià)比芯片，具有0.13μm工藝，240個(gè)管腳，1.5 V的內(nèi)核供電。內(nèi)部所含的嵌入式存儲(chǔ)器由數(shù)十個(gè)M4K的存儲(chǔ)器構(gòu)成。每個(gè)M4K存儲(chǔ)器快具有很強(qiáng)的伸縮性，可以實(shí)現(xiàn)：4 068位RAM;200MHz高速性能;真正的雙端口存儲(chǔ)器;FIFO設(shè)計(jì);ROM設(shè)計(jì);混合時(shí)鐘模式等功能。Cyclone器件的電源支持采用內(nèi)核電壓與I/O口電壓分開供電的方式，支持多種I/O接口，符合I/O口標(biāo)準(zhǔn)，可以支持差分的I/O口標(biāo)準(zhǔn)。Cyclone器件可以支持最多129個(gè)通道的LVDS和RSDS其內(nèi)部的LVDS緩沖器可以支持高達(dá)640 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速度，保證了信號(hào)的完整性，并具有更低的電磁干擾和電磁兼容性，及更低的電源功耗。

2. 2 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

根據(jù)時(shí)序關(guān)系可以做出如圖2所示流程圖。在系統(tǒng)復(fù)位后，預(yù)置好脈寬參數(shù)，判斷周期檢測(cè)標(biāo)志flag的情況從而啟動(dòng)計(jì)數(shù)器1工作，在獲得輸入信號(hào)周期后，根據(jù)輸入的脈寬參數(shù)輸出預(yù)置的pwm波形。


2.3 脈寬周期測(cè)量模塊的描述及仿真

該模塊用于測(cè)量輸入方波信號(hào)的周期，工作原理如圖3所示。



設(shè)置一個(gè)門控制信號(hào)flag(初始值為0)，產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)信號(hào)周期相同的閘門，開始測(cè)量周期時(shí)，計(jì)數(shù)器置0，待flag=1時(shí)，而且nrst=1時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到flag=0時(shí)，停止計(jì)數(shù)。此時(shí)得到計(jì)數(shù)器的值就是被測(cè)方波信號(hào)的周期。