胡邦南，李明飛

(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

0　引言

電容放電點(diǎn)火(capacitor discharge ignition,CDI)系統(tǒng)是應(yīng)用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的一種電子點(diǎn)火系統(tǒng)。該點(diǎn)火系統(tǒng)通過在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中產(chǎn)生高壓火花來點(diǎn)燃空氣燃料混合物，并使用高壓電容放電輸出電流來激勵(lì)火花塞。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[6]采用以單片機(jī)控制的數(shù)字點(diǎn)火器，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率，而且較為節(jié)能、環(huán)保。但由于點(diǎn)火角度的計(jì)算是基于單片機(jī)普通定時(shí)器的，需要占用單片機(jī)大量資源且誤差比較大。本文采用PIC16F1619單片機(jī)的角度定時(shí)器模塊，將激勵(lì)角度值直接寫入角度定時(shí)器(angular timer，AT)的比較寄存器，并且利用PIC16F1619單片機(jī)的其他專用外設(shè)，大大提高了性能。

1　基本電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)

為了在火花塞中產(chǎn)生高壓火花，需使用直流-直流轉(zhuǎn)換器的輸出(DC-CDI)或磁電機(jī)的輸出(AC-CDI)，對(duì)具有高充電容量的高壓電容進(jìn)行充電。電容通常被充電到200～400 V。該電容連接到點(diǎn)火線圈或升壓脈沖變壓器，將產(chǎn)生極高的電壓，一般為40 kV或更高。

基本數(shù)字控制電容放電點(diǎn)火系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)示意圖

脈沖發(fā)生器線圈負(fù)責(zé)向點(diǎn)火控制系統(tǒng)提供定時(shí)信號(hào)。磁體安裝在飛輪上，飛輪安裝在磁電機(jī)軸上。當(dāng)飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，在磁體靠近脈沖發(fā)生器線圈時(shí)，會(huì)產(chǎn)生定時(shí)脈沖。由于每個(gè)磁極會(huì)有一個(gè)脈沖，因此其都會(huì)有兩個(gè)輸出，即由一個(gè)正脈沖接著一個(gè)負(fù)脈沖形成的一對(duì)交替脈沖。對(duì)于單點(diǎn)火拾波器信號(hào)(profile ignition pickup，PIP)系統(tǒng)，只有一對(duì)脈沖；而對(duì)于多脈沖系統(tǒng)，會(huì)有多對(duì)脈沖。這取決于飛輪上的磁體數(shù)量。每次旋轉(zhuǎn)時(shí)，交替脈沖都處于一個(gè)相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)中活塞位置的固定角度處，脈沖周期會(huì)觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)。

在數(shù)字CDI 系統(tǒng)中，單片機(jī)有兩個(gè)主要功能：一是通過讀取傳感器(如脈沖發(fā)生器線圈、熱敏電阻和節(jié)氣門位置)的輸入，確定提前激勵(lì)角度，然后產(chǎn)生激勵(lì)脈沖；二是設(shè)置直流-直流轉(zhuǎn)換器的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)占空比。從發(fā)動(dòng)機(jī)中獲得最佳性能所需的提前角度主要取決于轉(zhuǎn)速。因此，系統(tǒng)必須知道當(dāng)前轉(zhuǎn)速、溫度和節(jié)氣門位置。被稱為“映射”的查找表存儲(chǔ)在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，它可以根據(jù)轉(zhuǎn)速提供相應(yīng)的提前角度。一般會(huì)根據(jù)不同的節(jié)氣門位置和溫度范圍存儲(chǔ)多個(gè)映射。在控制器計(jì)算轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)可以從映射中查找相應(yīng)的提前角度。

2　角度定時(shí)器原理

PIC單片機(jī)的AT模塊可將周期信號(hào)分割為較小時(shí)間間隔，并將基于時(shí)間的信號(hào)轉(zhuǎn)換為基于角度/相位的信號(hào)。當(dāng)需要在周期信號(hào)的特定角度/相位發(fā)生事件時(shí)，AT模塊非常有用。角度定時(shí)器原理如圖2所示。

圖2　角度定時(shí)器原理圖

圖2中，唯一需要設(shè)置的寄存器是ATxRES，其他值均由硬件計(jì)算。ATxRES 寄存器表示用戶希望在每個(gè)周期間產(chǎn)生的中斷數(shù)，即角度分辨率。計(jì)數(shù)器1在每個(gè)模塊時(shí)鐘加1，并與ATxRES寄存器作比較。當(dāng)計(jì)數(shù)器1與ATxRES中的數(shù)字匹配時(shí)，計(jì)數(shù)器2遞增1；在該周期結(jié)束時(shí)，將計(jì)數(shù)器2中的數(shù)字復(fù)制到ATxPER寄存器，為下一個(gè)周期作準(zhǔn)備。當(dāng)下一個(gè)周期開始時(shí)，計(jì)數(shù)器3在每個(gè)模塊時(shí)鐘增加1，并與ATxPER作比較。當(dāng)這兩個(gè)值匹配時(shí)，中斷標(biāo)志置1。同時(shí)，該框圖計(jì)算出的ATxPER，可為下下個(gè)周期作準(zhǔn)備。

所選擇的分辨率將影響角度定時(shí)器模塊的誤差。由于模塊的基本工作原理是硬件除法，因此通常會(huì)有余數(shù)。該余數(shù)表現(xiàn)為每個(gè)周期最后一個(gè)角度/相位中的額外模塊時(shí)鐘數(shù)。ATxRES值越大，誤差就越大，則除數(shù)(ATxRES+1)和余數(shù)也將越大。因此，選擇較小的 ATxRES 值，可降低模塊的誤差。然而，對(duì)于相同的被除數(shù)(每個(gè)周期的模塊時(shí)鐘數(shù))，較小的除數(shù)將產(chǎn)生較大的結(jié)果。結(jié)果保存在 ATxPER 中。如果分辨率太小或輸入信號(hào)頻率太低，則ATxPER 可能會(huì)溢出。

角度定時(shí)器具有三個(gè)捕捉/比較模塊。在捕捉模式下，在捕捉輸入信號(hào)的上升沿或下降沿，會(huì)將相位計(jì)數(shù)器(ATxPHS)的值捕捉到捕捉/比較寄存器(ATxCCy)中。捕捉事件還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，可以觸發(fā)其他外設(shè)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)或可配置邏輯單元(configurable logic cell，CLC)輸入，也可以產(chǎn)生中斷。在比較模式下，AT 模塊會(huì)將當(dāng)前相位計(jì)數(shù)器(ATxPHS)的值與捕捉/比較寄存器(ATxCCy)的值進(jìn)行比較，或向比較寄存器中輸入一個(gè)小于或等于角度分辨率的角度值。當(dāng)這兩個(gè)值匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較事件，用于觸發(fā)其他外設(shè)(如ADC 或CLC 輸入)或產(chǎn)生中斷。

3　使用角度定時(shí)器實(shí)現(xiàn)CDI

使用PIC16F1619的角度定時(shí)器實(shí)現(xiàn)CDI的原理如圖3所示。該方法采用PIC單片機(jī)的CLC、AT、信號(hào)測(cè)量定時(shí)器(signal measurement timer，SMT)和數(shù)學(xué)加速器外設(shè)(也稱為PID模塊)。

圖3　CDI實(shí)現(xiàn)原理圖

3.1　用SMT計(jì)算轉(zhuǎn)速

使用一個(gè)24位SMT來進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。SMT配置為窗口測(cè)量模式，其窗口輸入為AT 周期脈沖。每當(dāng)AT給出周期脈沖時(shí)，SMT都會(huì)將定時(shí)器值捕捉到SMTxCPR 寄存器中，復(fù)位其定時(shí)器計(jì)數(shù)值并重新開始計(jì)數(shù)。將定時(shí)器值捕捉到SMTxCPR 寄存器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生捕捉周期中斷。

(1)

式中：clk為SMT時(shí)鐘輸入；pre為SMT 時(shí)鐘分頻比；cpr為在窗口輸入事件處的SMTxTMR捕捉值；fsig為AT和SMT的輸入信號(hào)頻率。

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過fsig計(jì)算。fsig乘以標(biāo)量值60，即可將頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速。

3.2　激勵(lì)映射選擇

發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和火花激勵(lì)角度之間有一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系是非線性的，并且隨節(jié)氣門位置和發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的不同而不同。將這些映射拆分為較小的線性曲線(分段線性曲線)，并以表格的形式表示；再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前溫度和節(jié)氣門位置，選擇其中一個(gè)激勵(lì)映射關(guān)系。

在利用插值法計(jì)算當(dāng)前激勵(lì)角度時(shí)，使用PIC單片機(jī)內(nèi)的PID 模塊，可以更快地完成計(jì)算。PID 模塊以16 位整數(shù)的形式執(zhí)行這些運(yùn)算，并由用戶配置，采用有符號(hào)或無符號(hào)格式。該運(yùn)算的結(jié)果長(zhǎng)度為32 位，存儲(chǔ)在PIDxOUT 寄存器中。運(yùn)算的結(jié)果配置為累加，PIDxACC 寄存器用于累加先前的結(jié)果。激勵(lì)映射情況如表1所示。

表1　激勵(lì)映射

從零轉(zhuǎn)速到極低轉(zhuǎn)速，由于AT計(jì)數(shù)器1的長(zhǎng)度有限(其長(zhǎng)度為15 位)，可能會(huì)發(fā)生溢出。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低時(shí)，AT 周期計(jì)數(shù)器中的值會(huì)很高。雖然降低AT 輸入時(shí)鐘頻率和增大AT 時(shí)鐘預(yù)分頻比會(huì)導(dǎo)致角度分割精度下降，但為了將較低的轉(zhuǎn)速考慮在內(nèi)，這是必需的。

3．3　絕緣柵雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)

計(jì)算得到的激勵(lì)角度被輸入AT比較寄存器。當(dāng)AT相位計(jì)數(shù)器與比較寄存器中的值匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較中斷并驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)?；パa(bǔ)波形發(fā)生器用于生成單個(gè)或互補(bǔ)的正弦波調(diào)制的PWM信號(hào)，從而將直流逆變?yōu)榻涣?。這種逆變需要將來自電池的12 V 直流轉(zhuǎn)換為220 V交流，然后再次通過整流來產(chǎn)生300 V直流。該300 V直流用于對(duì)CDI電容充電。使用互補(bǔ)PWM 來進(jìn)行全波逆變，單PWM進(jìn)行半波逆變。對(duì)于小型發(fā)動(dòng)機(jī)，只需半個(gè)周期就足以在轉(zhuǎn)速極低的情況下對(duì)電容充電。

3．4　主程序流程

程序執(zhí)行步驟如下。

①初始化：上電或復(fù)位，對(duì)所有外設(shè)進(jìn)行初始化如ADC、PID、互補(bǔ)波形發(fā)生器(complementary waveform generator,CWG)、CLC1、SMT1和AT等。

②輸入采集：處于“窗口測(cè)量模式”的SMT使用AT周期脈沖作為窗口輸入，SMT在每個(gè)AT周期輸入處將SMT1TMR 寄存器的值捕捉到SMT1CPR寄存器中，并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。

③ADC：發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和節(jié)氣門位置的傳感器的模擬輸出通過內(nèi)部的10 位ADC 進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)化。

④轉(zhuǎn)速計(jì)算：根據(jù)SMT1CPR 寄存器值計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

⑤映射選擇：根據(jù)溫度和節(jié)氣門位置，選擇特定的映射，通過這個(gè)選定的映射，從查找表中讀取對(duì)應(yīng)于當(dāng)前轉(zhuǎn)速的激勵(lì)角度。如果當(dāng)前轉(zhuǎn)速介于查找表中存儲(chǔ)值之間，則使用插值法計(jì)算該轉(zhuǎn)速的激勵(lì)角度。

⑥激勵(lì)角度更新：將激勵(lì)角度值存儲(chǔ)在AT 比較寄存器(AT1CCy)中。

⑦AT比較中斷：在AT比較ISR 中，向連接到SCR/IGBT 柵極的端口引腳輸入脈沖，以通過開啟開關(guān)來激勵(lì)火花。

⑧在每個(gè)AT周期循環(huán)中，重復(fù)步驟②～步驟⑦。

4　結(jié)束語(yǔ)

使用傳統(tǒng)的數(shù)字控制電容點(diǎn)火方法時(shí)，必須將激勵(lì)角度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的定時(shí)器計(jì)數(shù)，角度分辨率會(huì)隨轉(zhuǎn)速變化而變化。將從映射中得到的激勵(lì)角度值直接寫入AT比較寄存器。當(dāng)角度值匹配時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，以激勵(lì)SCR。當(dāng)采用傳統(tǒng)方法時(shí)，激勵(lì)角度的插值計(jì)算以及將它轉(zhuǎn)換為定時(shí)器計(jì)數(shù)的計(jì)算需要較長(zhǎng)的時(shí)間；而使用數(shù)學(xué)加速器，可加快激勵(lì)角度插值計(jì)算的速度。采用傳統(tǒng)方法時(shí)，定時(shí)器可能會(huì)在轉(zhuǎn)速較低時(shí)發(fā)生溢出；而SMT是一個(gè)24位定時(shí)器，可以在很低的轉(zhuǎn)速下計(jì)數(shù)而不發(fā)生溢出，從而極大地改善了CDI的整體性能。

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