陳琨韶

（廣州市輕工高級技工學(xué)校，廣東 廣州 510055）

1 汽車電控燃油噴射模擬系統(tǒng)的設(shè)計模型

1.1 汽車電控燃油噴射系統(tǒng)概述

發(fā)動機電控系統(tǒng)主要由傳感器、控制單元和執(zhí)行器三大部分組成。汽車電控燃油噴射系統(tǒng)只是汽車電控單元其中一個部分，其核心是對噴油持續(xù)時間 （即噴油量）的控制，包括起動時噴油持續(xù)時間、起動后噴油持續(xù)時間和斷油控制[1]。D型EFI系統(tǒng)的基本噴油持續(xù)時間可由發(fā)動機轉(zhuǎn)速Ne信號和進(jìn)氣歧管絕對壓力信號Pm確定。用于D系統(tǒng)的ECU內(nèi)存了一個基本噴油時間MAP圖，如圖1所示，它表明了與發(fā)動機各種轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣歧管絕對壓力對應(yīng)的基本持續(xù)時間[2]。本模擬系統(tǒng)主要研究發(fā)動機起動后的噴油持續(xù)時間控制。表1是依靠發(fā)動機臺架試驗取得的電控燃油噴射脈寬數(shù)據(jù)表。

1.2 汽車電控燃油噴射模擬系統(tǒng)設(shè)計思路

基于上述理論依據(jù)，基本噴油脈寬由進(jìn)氣壓力和轉(zhuǎn)速決定，制定汽車電控燃油噴射模擬系統(tǒng)的開發(fā)硬件框架和軟件的流程圖，如圖2～圖4所示。

表1 噴油脈寬數(shù)據(jù) 時間/ms

2 進(jìn)氣壓力檢測系統(tǒng)

進(jìn)氣壓力檢測系統(tǒng)組成框圖如圖5所示。

2.1 進(jìn)氣壓力檢測系統(tǒng)硬件電路

進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器在采用進(jìn)氣歧管壓力作為進(jìn)氣量計量方式時，是電控燃油噴射系統(tǒng)中最重要的傳感器，ECU通過此信號判斷進(jìn)入發(fā)動機的空氣量。本模擬系統(tǒng)以壓敏電阻式進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器為研究對象，它產(chǎn)生一個與輸入壓力成正比的0～5 V電壓輸出信號。表2是進(jìn)氣歧管壓力傳感器的輸入/輸出實測值。

表2 進(jìn)氣歧管壓力傳感器的輸入/輸出實測值

由于進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器的輸出信號是0～5 V的模擬電壓，考慮到進(jìn)氣壓力的變化是kPa，經(jīng)過實測數(shù)據(jù)分析，每kPa的進(jìn)氣壓力導(dǎo)致傳感器的輸出電壓變化大概是0.05 V，模數(shù)轉(zhuǎn)換采用8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，電壓范圍是0～5V，精度是 （1/255）×5V=0.0196V，能夠滿足設(shè)計的要求。DC0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，由74LS74為ADC0809提供工作時鐘，時鐘信號頻率為500 kHz。

圖6是進(jìn)氣壓力檢測系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路主要由AD轉(zhuǎn)換器ADC0809，雙D觸發(fā)器74LS74，單片機AT89S51及顯示用數(shù)碼管組成。從ADC0809的通道IN0輸入0～5 V的模擬量，通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，用動態(tài)掃描方式在數(shù)碼管上顯示出來。

2.2 進(jìn)氣壓力檢測系統(tǒng)程序設(shè)計

進(jìn)氣壓力檢測編程的時候一定要注意模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的工作時序。進(jìn)氣壓力檢測系統(tǒng)程序設(shè)計內(nèi)容及流程如下。

1）程序初始化：設(shè)置START（A／D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端）、EOC （A／D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號）、OE （模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出允許）等標(biāo)志位，設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲單元 （GDATA）、電壓數(shù)值存儲單元。

2）啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換：ABC=000選擇第一通道；順序設(shè)置START=0，START=1，START=0產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)換的正脈沖信號。

3）根據(jù)EOC信號來判斷是否模數(shù)轉(zhuǎn)換完畢，獲取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成實際電壓值。實際電壓值=（模數(shù)轉(zhuǎn)換所得代碼/255）×5×100。 模擬量的電壓范圍是0～5V，在公式中將實際電壓值擴大100倍，以去除小數(shù)點，降低匯編編程難度。通過設(shè)置小數(shù)點存儲位，在編程顯示電壓值時，將數(shù)碼管的小數(shù)位單獨點亮。

4）將步驟3）所得數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制→十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。

5）過數(shù)碼管動態(tài)掃描方式，實時顯示進(jìn)氣歧管壓力傳感器的輸出電壓值。

6）程序自動循環(huán)，不斷檢測并顯示進(jìn)氣歧管壓力傳感器的輸出電壓值。

3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)

發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)組成框圖如圖7所示。

3.1 發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)硬件電路

轉(zhuǎn)速-曲軸位置傳感器能精確測量發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。本模擬系統(tǒng)采用電磁線圈式傳感器采集轉(zhuǎn)速變化信號。電磁線圈式傳感器安裝在分電器軸或凸輪軸上時，其輸出的脈沖信號頻率與多齒轉(zhuǎn)子齒數(shù)和凸輪軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為f=znp/60（式中：f為感應(yīng)電動勢頻率；np為凸輪軸轉(zhuǎn)速；z為多齒轉(zhuǎn)子齒數(shù)）。

電磁線圈式傳感器輸出的電壓信號頻率變化直接反映凸輪軸 （曲軸）的轉(zhuǎn)速情況。本模擬系統(tǒng)采用具有四齒轉(zhuǎn)子的電磁線圈式傳感器作為采集轉(zhuǎn)速變化信號的研究對象。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為0～6400r/min時，傳感器產(chǎn)生一個頻率與轉(zhuǎn)速成正比的0～12 V（或0～5 V）的電壓輸出信號。硬件電路設(shè)計需將該信號統(tǒng)一為5 V左右的方波脈沖信號，以便系統(tǒng)檢測。

發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)硬件電路如圖8所示。電路主要由運算放大器LM741構(gòu)成的限幅電路、LM741構(gòu)成的反向比例放大電路、555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器脈沖整形電路、單片機AT89S51及數(shù)碼管組成。

3.2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)程序設(shè)計

由于實際發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在0～6 000 r/min之間，通過公式f=nz/60計算所得，相應(yīng)傳感器的輸出信號頻率在0～400 Hz之間，屬于低頻信號。為降低誤差，宜采用測量周期法，通過測量信號周期間接得到信號頻率。程序設(shè)計的內(nèi)容及流程如下。

1）程序初始化：單片機定時器T1初始化；外部中斷初始化，開放中斷并設(shè)置為邊沿觸發(fā)；設(shè)置信號頻率存儲單元、轉(zhuǎn)速數(shù)值存儲單元。

2）中斷服務(wù)程序：檢測到第1個下降沿啟動定時器計時，檢測到第2個下降沿停止定時器計時，從TH1和TL1中取出計時值，得到信號周期。

3）將信號周期取倒數(shù)轉(zhuǎn)換為信號頻率。

4）通過信號頻率公式計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

5）小數(shù)點后四字節(jié)二進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制，得到轉(zhuǎn)速顯示值。

6）通過數(shù)碼管動態(tài)掃描方式，實時顯示發(fā)動機轉(zhuǎn)速值。

7）程序自動循環(huán)，不斷檢測并顯示發(fā)動機轉(zhuǎn)速值。

4 基本噴油量控制系統(tǒng)

4.1 基本噴油量控制系統(tǒng)硬件電路

基本噴油量控制系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖9所示。硬件電路由單片機、脈寬顯示、噴油驅(qū)動電路3部分組成。其中脈寬顯示有2種形式：一種是用數(shù)碼管顯示噴油脈寬的實際脈寬值；另一種通過發(fā)光二極管的閃爍效果展示放大10倍后的噴油時間的長短。

4.2 基本噴油量控制系統(tǒng)程序設(shè)計

4.2.1 數(shù)據(jù)處理及控制方法

朱大可先生支持巴別塔的說法，他把華夏神系都稱為“巴別神系”——由一種神系變亂而形成的各地的神系。原因是人類都是出自非洲的同一母親，被威爾遜命名為“線粒體夏娃”(Mitochondrial Eve)⑥，因此世界語言也起源于非洲，因為神祇名字的頭一個音，音素相同率很高。如果人類的種族如所說是來自非洲的同一個祖先，而且在人類走出非洲之前就已經(jīng)有語言了，那么，起初天下只有一門語言，“耶和華將人拆散了分遣各地”應(yīng)該描寫的是人類走出非洲時的狀態(tài)。但這其中有很多疑點：

由于發(fā)動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噴油脈寬很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，本試驗系統(tǒng)的電控燃油噴射脈寬數(shù)據(jù)依靠發(fā)動機臺架試驗制取，制取的數(shù)據(jù)參見表1。為了降低編程難度和便于控制，對上述的數(shù)據(jù)處理和控制方法構(gòu)思如下。

1）對被控制量噴油脈寬進(jìn)行編碼，如表3所示。進(jìn)氣歧管壓力和模數(shù)轉(zhuǎn)換代碼的對照表如表4所示。

表3 噴油脈寬編碼表

表4 進(jìn)氣歧管壓力和模數(shù)轉(zhuǎn)換代碼的對照表

2）分別對進(jìn)氣歧管壓力和發(fā)動機轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到的進(jìn)氣歧管壓力值和發(fā)動機轉(zhuǎn)速值符合上述表格的控制關(guān)系時，輸出對應(yīng)的噴油脈寬的編碼。

3）對非設(shè)定值的處理方法：當(dāng)進(jìn)氣歧管壓力值不是表格里的值時，取兩個相鄰值的中間值，實測值和中間值相比較，判斷大小，取對應(yīng)的相鄰值。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不是表格里的值時，處理方法和進(jìn)氣歧管壓力的處理方法一樣。

4）本系統(tǒng)采用ATMEL公司型號為AT89S51的單片機。為了解決端口問題和降低編程難度，本系統(tǒng)采用兩塊單片機實時通信來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。一塊單片機實現(xiàn)進(jìn)氣歧管壓力檢測顯示、發(fā)動機轉(zhuǎn)速檢測顯示和噴油脈寬控制編碼，將噴油脈寬的編碼以數(shù)據(jù)形式并行輸出；另一塊單片機根據(jù)表1編制定時初值數(shù)據(jù)表和脈寬顯示值數(shù)據(jù)表，存放在ROM中，以檢測到的數(shù)據(jù)為偏移量進(jìn)行查找表操作，定時產(chǎn)生占空比為10∶1的噴油脈寬信號，輸出顯示。

4.2.2 基本噴油量控制系統(tǒng)程序設(shè)計內(nèi)容及流程

2）定時器初始化和定時中斷初始化，以檢測到的編碼為偏移量進(jìn)行查找表操作，得到定時初值和脈寬顯示初值，啟動定時器開始定時。

3）噴油脈寬數(shù)值通過數(shù)碼管顯示。

4）中斷服務(wù)程序：定時時間到轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序，實現(xiàn)高低電平跳變，產(chǎn)生占空比為10∶1的噴油脈沖信號。

5）編制定時初值高位數(shù)據(jù)表、定時初值低位數(shù)據(jù)表、脈寬顯示值數(shù)據(jù)表、數(shù)碼管段碼數(shù)據(jù)表。

6）程序自動循環(huán)，不斷檢測實時噴油脈寬編碼，產(chǎn)生不同的噴油脈沖信號。

5 成果與不足

圖10為工作中的模擬系統(tǒng)試驗箱的內(nèi)部圖，通過實踐驗證，該模擬系統(tǒng)能實現(xiàn)汽車電控燃油噴射系統(tǒng)的基本噴油持續(xù)時間 （噴油脈寬）和2個決定因素的模擬控制和顯示。顯示效果明顯，控制效果良好，對于控制原理有很好的詮釋。但在信號的處理上不夠理想，與實測信號還未能完全吻合。另外，目前開發(fā)的系統(tǒng)主要研究基本噴油持續(xù)時間，但實際噴油持續(xù)時間還要加上修正量，該系統(tǒng)還未能實現(xiàn)這個功能。

［1］李國勇著.智能控制與MATLAB在電控發(fā)動機中的應(yīng)用.［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［2］王洪齡，劉震系，王新.汽車電控系統(tǒng)原理與檢測技術(shù)［M］.濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2008.