AVR单片机的天然气发动机电控系统设计

5 实验监控系统

发动机实验监控系统一般包括直接对发动机控制的电控单元以及人机交互系统，所以一般分成两级结构。下位机由传感器、执行结构及电控单元组成，上位机由PC机构成。如图12所示，系统监控软件为模块化结构设计，便于功能的实现。



监控系统软件采用VB软件编制，利用VB中的MSComm控件可以很方便地提供串行端口通信功能。监控软件主要实现的功能包括：参数采集、数据实时显示、控制参数在线调整、数据图形化显示、数据离线图形化显示、数据保存、报警、打印等。

监控系统下位机电控单元采用AVR系列ATmega8单片机，通过串行通信模块实现与上位机(PC机)的数据传输。电控单元通过传感器采集发动机运行时的各种工况参数传给上位机，以及驱动执行结构(喷嘴、点火线圈等)按照上位机传来的控制参数动作，软件采用C语言编制。在微机和单片机通信中，采用软件握手协议。

6 台架实验

(1)怠速控制系统

如图13所示，怠速控制主要由主MCU采用经典PID控制策略来完成。PID控制允许工程技术人员以简单直接的方式来调节系统，而且在很宽的条件范围内都能保持很好的鲁棒性。PID控制器是整个怠速控制系统的核心。在怠速闭环控制中需要用到的基本控制量是怠速转速偏差，即怠速目标转速与发动机实际转速之差，通过PID控制器的计算，得出步进电机的动作步数以及动作方向，改变旁通空气进气量，从而控制发动机转速。



(2)电控点火系统

电控点火系统的工作原理：首先对转速信号和负荷信号进行采样，送人计算单元，根据存储在单片机中的点火MAP图，采用插值和查表方法，确定最佳点火提前角；控制系统同时采集发动机其他工作参数信号，根据这些信号查出点火提前角的修正值，将最佳点火提前角修正后转化为相应的点火延迟时间。当点火基准信号 (点火基准信号就是延迟基准信号，它一般是一个曲轴位置信号)到来时，控制系统计数器开始计数，计数结束后，ECU通过接口发送点火信号，点火驱动电路得到这个信号后初级点火线圈开始闭合。

此电控系统中点火提前角的控制以发动机转速和进气压力为基本输入信号，通过查询储存在点火单片机中的点火MAP图得出基本点火提前角，再通过发动机冷却水温、天然气压力、氧传感器等信号进行修正。最终确定发动机当前工况下的最佳点火提前角，然后由两个计数器相互配合来完成点火提前角的控制。作为点火信号产生基准的是霍尔传感器输出的曲轴位置信号，在分电器内安装有产生该信号的信号齿盘。霍尔传感器每隔180°CA(CA是发动机的曲轴转角)产生一个信号 (下降沿有效)，位置是压缩上止点前86°CA。图14为点火的时序图。



(3)燃气喷射控制系统

本电控系统中，选取了较为简单和实用的速度一密度方式，通过发动机转速和进气歧管压力得出进气空气量。由于燃气喷射压力一定，所以发动机的供气量取决于喷射阀的喷射时间。喷射时间T由公式(1)得出：

T=Tb·Fc+Tv (1)

式中：T为天然气喷射时间(ms)，Tb为基本喷射时间(ms)，Fc为喷射时间修正系数，Tv为喷射阀延时(ms)。

参考文献

1. 蒋德明 高等内燃机原理 2002
2. 吴双力 AVRGCC与AVR单片机C语言开发 2004
3. 丁化成 AVR单片机应用设计 2002
4. 耿德根 AVR高速嵌入式单片机原理与应用 2001
5. 郭林福.张欣.李国岫 点火能量对电控单燃料CNG发动机性能的影响 [期刊论文] -车用发动机2006(1)

作者：北京工业大学 杨旭东  綦慧  王道静  张红光  刘凯 来源：《单片机与嵌入式系统应用》 2009（7）