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一种采用AVR单片机的天然气发动机系统设计

2013-11-13 10:42
天堂的苦涩
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  1  燃料供给系统

  对原机的改造主要是燃料供应及喷射系统的改造,用一套完整的天然气供给系统和电控系统来实现改造目的。所使用的天然气是由高压气瓶(CNG)提供的压缩天然气, 出口压力达到20 MPa。图1所示为供气系统示意图。该设计实现了高压天然气的可靠存储和压力转换,并可对供气压力进行实时监测[1]。

一种采用AVR单片机的天然气发动机系统设计

图1  CNG供气系统示意图

  2  电控单元

  电控单元选用Atmel公司的AVR单片机,利用单片机C语言进行程序开发,并且采用了多片式ECU设计。

  (1) 多片式ECU

一种采用AVR单片机的天然气发动机系统设计

图2  多片式ECU结构简图

  多片式ECU是指在一个电控单元ECU中使用多个单片机(MCU)。各个MCU分别承担不同的工作内容。

  图2所示为多片式ECU的结构简图。考虑到控制系统的性能和特点,对3个MCU的任务做出如下分配:一个MCU专门负责点火,根据主MCU计算的数据和实际发动机运行情况,精确控制点火时刻和点火线圈的闭合时间,实现发动机电子点火。另一个MCU专门负责燃气喷射,根据主MCU计算的数据和实际发动机运行情况,精确控制燃气喷射时刻和喷射量,实现发动机电控燃气喷射。主MCU主要接收各种传感器采集的数据并进行计算,同时进行发动机的怠速控制和与监控系统进行实时通信,在怠速过程中完成对进空气量的准确控制,从而保证发动机转速的稳定,同时负责外界与发动机之间的通信,实时地了解发动机当前的状态,为下一步发动机控制提供良好的信息反馈。另外,分别将点火和喷射数据传输给点火和燃气喷射的MCU,同时提供额外的控制功能。

  作为发动机ECU的核心部分,3个MCU必须采用功能强和运算速度高的单片机。针对本系统,采用3个Atmel公司AVR系列单片机组成多片式ECU控制系统,它们分别针对不同的对象各自分担任务。如上所述,其中两个ATmega8单片机,一个用于控制发动机的电子点火,一个作为ECU主控单片机;另外一个ATmega128单片机控制发动机的燃料喷射量[24]。

  考虑到控制系统需要以及单片机的性能特点,在    多片式ECU中采用了两个ATmega8单片机,其中用于控制发动机电子点火的MCU引脚图及其附属电路如图3所示。

一种采用AVR单片机的天然气发动机系统设计

图3  用于点火控制的ATmega8单片机引脚图

  另一个作为ECU主控单片机,同时进行发动机的怠速和ECU与监控软件的串口通信控制,引脚图及其附属电路如图4所示。

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图4  主控ATmega8单片机引脚图

  另外考虑到燃气喷射的复杂性,选用了AVR家族另一款存储空间大、引脚多、性价比高的ATmega128单片机来控制发动机的燃料喷射。图5为用于喷气控制的ATmega128单片机引脚图及其附属电路。

 一种采用AVR单片机的天然气发动机系统设计

图5  用于喷气控制的Atmega128单片机引脚图

  (2) 系统电源

  由于天然气发动机电控系统为装机嵌入式系统,ECU必须直接使用发动机蓄电池提供的电源,因此,必须将蓄电池的12 V电压进行转换,为单片机、输入输出接口和传感器提供稳定的+5 V、+12 V和+9 V电源。本设计采用了LM7809和LM7805两个稳压芯片实现电压转换。图6为电源电路图。

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图6  电源电路

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