基于16位單片機的摩托車發(fā)動機控制系統(tǒng)開發(fā)

朱忠振，張振東，孫 猛

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

摩托車發(fā)動機是摩托車系統(tǒng)中的關鍵部件，其性能的好壞直接影響燃油消耗和排放污染［1］。目前，電控技術不斷發(fā)展，電控產(chǎn)品可靠性提高、成本大幅度下降，采用電控系統(tǒng)解決發(fā)動機的排放問題已成為現(xiàn)實的技術方案。單片機控制具有精密性、實時性、可靠性，其在發(fā)動機電控系統(tǒng)中已成為核心部件［2］。本文以某型125 mL單缸發(fā)動機二沖程化油器發(fā)動機為開發(fā)對象，設計摩托車發(fā)動機電子控制系統(tǒng)，并通過試驗對所開發(fā)控制系統(tǒng)的控制效果進行驗證。

1 電控系統(tǒng)設計和改裝方案

1.1 結構設計及改裝方案

對原化油器發(fā)動機進行電噴化結構改進，主要對燃油供給系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)和點火系統(tǒng)進行了改進設計，在此基礎上完成傳感器、微處理器的選型以及執(zhí)行器的匹配設計。根據(jù)發(fā)動機系統(tǒng)功能，電控系統(tǒng)硬件設計包括供油系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)以及控制單元。其中硬件包括傳感器、調理電路、16位單片機主控芯片、供電電路、傳感器信號處理電路、執(zhí)行機構控制電路等多個模塊。

采用有回油的燃油供給方式，為電噴系統(tǒng)提供精確的燃油控制；改變原有機械式點火方式，用先進的IGBT晶體管式微機點火方式；發(fā)動機的進氣量用速度–密度法對其測量；匹配并安裝電噴發(fā)動機系統(tǒng)所必須的傳感器類型；采用氧傳感器配合三元催化器的空燃比閉環(huán)控制方案；改裝節(jié)氣門體，利用電子節(jié)氣門控制節(jié)氣門的開度；電噴改裝過程中，對電子節(jié)氣門、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、發(fā)動機溫度傳感器、電控噴油器、電動燃油泵、節(jié)氣門位置傳感器、氧傳感器、發(fā)動機轉速傳感器、三元催化器等傳感器安裝，所設計的改裝后電噴發(fā)動機系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 改裝后電噴發(fā)動機系統(tǒng)結構

1.2 控制系統(tǒng)電路設計

控制系統(tǒng)電路由傳感器輸入信號處理電路、主控芯片、執(zhí)行器輸出信號處理電路以及電源管理、上位機通訊等輔助電路組成，是控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)存儲的載體和控制程序運行的平臺［3］。

1.2.1 傳感器信號處理電路設計

傳感器輸出信號不能直接被采集設備讀取，需要進行放大濾波、隔離等調理后，送入微機進行數(shù)據(jù)采集。節(jié)氣門位置信號電路，選用的是線性量輸出型節(jié)氣門位置傳感器，該傳感器實質上相當于一個滑動變阻器，由于傳感器兩端供電電壓為5 V，所以主控芯片可以直接采集該信號，并經(jīng)模數(shù)轉換成為有效參數(shù)。發(fā)動機溫度信號電路，選用的是負溫度系數(shù)發(fā)動機溫度傳感器，該傳感器實質上相當于一個自身可變電阻，其自身電阻值隨被測體的溫度上升而下降。進氣壓力信號電路，選用的是壓敏電阻型進氣壓力傳感器，該傳感器自身電阻隨外界壓力變化而變化，可以簡化為一個滑動變阻器。氧傳感器信號電路，選用加熱型氧化鋯式廢氣氧傳感器，該傳感器正常工作過程中根據(jù)廢氣中氧含量的不同輸出0～1 V電壓。曲軸轉速傳感器信號電路，選用磁電式曲軸轉速傳感器，該傳感器信號為發(fā)動機控制系統(tǒng)提供曲軸的運行轉速信息，同時還與進氣壓力傳感器共同作用，判斷發(fā)動機的工作沖程。油門位置傳感器的工作原理與節(jié)氣門位置傳感器的工作原理相同。進氣溫度傳感器的工作原理與發(fā)動機溫度傳感器的工作原理相同。

1.2.2 執(zhí)行器控制電路設計

發(fā)動機控制單元噴油、點火模塊選用了Freescale技術公司專門為小型發(fā)動機管理系統(tǒng)開發(fā)的噴油、點火集成芯片MC33812；氧傳感器加熱控制電路，加熱氧傳感器加熱電阻絲時，需要較大的輸出電流，設計驅動電路使主控芯片達到該電流輸出要求，選用驅動芯片IRF7341設計氧傳感器加熱電路；電動燃油泵工作中也需要較大的驅動電流，需要設計同樣驅動模塊。節(jié)氣門電機控制電路，節(jié)氣門控制電機選用了伺服電機進行控制，設計向其發(fā)送PWM控制信號電路。

2 軟件程序設計

軟件程序是電噴發(fā)動機控制系統(tǒng)的靈魂和中樞神經(jīng)，其利用傳感器采集的發(fā)動機實時信號，通過不同的控制邏輯和算法，最終控制執(zhí)行器執(zhí)行相應的控制操作，驅動發(fā)動機運行?？刂栖浖绊懼憫俣?、控制精度和穩(wěn)定性［4］。

2.1 控制系統(tǒng)軟件原理

控制系統(tǒng)軟件程序采用經(jīng)典的前后臺程序設計方法，后臺軟件為操作系統(tǒng)，是基于時間片管理的方法進行設計，是應用程序的運行平臺；前臺軟件為應用程序，是基于中斷響應的方法進行設計，它是控制發(fā)動機運行的具體程序［5］。前臺程序原理圖如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)軟件程序

圖2 前臺程序原理圖

軟件設計充分利用了Freescale單片機豐富的硬件資源，采用模塊化設計技術和實時多任務控制機制。程序以模塊形式存在，各模塊間具有獨立功能，模塊間影響小，方便進行單獨調試，尋找問題所在。程序可以直接擴充。實時性要求較低的任務放在主程序中執(zhí)行，主要包括發(fā)動機運行管理、控制量計算、故障診斷及通信管理等高層功能。實時性要求較高的任務則由相應的中斷程序執(zhí)行，主要有數(shù)據(jù)采集控制、噴射時序控制、噴油驅動控制、點火驅動控制、通信接口等底層的硬件驅動功能。數(shù)據(jù)采集、噴油控制、點火控制、串行通信和系統(tǒng)高層管理等多個任務均按各自的執(zhí)行頻率獨立運行。高層功能模塊與底層功能模塊通過RAM連接。

2.2.1 前臺應用程序設計

前臺應用程序包括發(fā)動機運行所需要的信號采集與處理、執(zhí)行機構的輸出與控制等，是電噴發(fā)動機運行最直接的控制程序。整個軟件程序劃分為驅動層程序和算法層程序，三個主要的子模塊包括信號處理層、工況與參數(shù)更新層和發(fā)動機驅動層。其中信號處理層和執(zhí)行器控制層子模塊可以認為是驅動層次，而工況與參數(shù)更新層則可以認為是算法層次，其結構與相互之間的邏輯關系如圖3所示。

圖3 前臺應用程序總體框架

2.2.2 MAP數(shù)據(jù)查詢與估計算法

發(fā)動機的MAP圖是在各種工況下所需的點火控制曲線圖，通過一系列傳感器，來判斷發(fā)動機的工作狀態(tài)，在MAP圖上找出發(fā)動機在此工作狀態(tài)下所需的點火提前角，按此要求進行點火。然后根據(jù)爆震傳感器信號對上述點火要求進行修正，使發(fā)動機工作在最佳點火時刻。

設計軟件程序時，采用二分法來搜索實時的發(fā)動機工作狀態(tài)。二分法查找又被稱為折半查尋，這是一種效率較高、實現(xiàn)容易的數(shù)據(jù)查找方法［5］。其基本的思想是：首先確定該數(shù)據(jù)區(qū)間的中間位置；然后將需要查找的值K與中間值M進行比較：如果數(shù)據(jù)相等，則查找成功，如果數(shù)據(jù)不匹配，根據(jù)需要查找的值與中間值的大小，確定新的查找區(qū)間，繼續(xù)按照二分方法查找，具體的程序流程如圖4所示。

（1）如果M＞K，則由表的有序性可知大于M的值也均大于K。因此，可以確定新的查找區(qū)間為小于M的部分，即M的左子區(qū)間，再依照二分法在新的區(qū)間內查找與目標值K相近的數(shù)值。

（2）類似的，如果M＜K，則要查找的K必在中間值M的右側數(shù)據(jù)中，即新的查找區(qū)間是M的右子區(qū)間。

圖4 二分法程序流程圖

二分法雖然方便、快速，但是這種方法只能夠查詢已標定的工況節(jié)點的充氣效率數(shù)據(jù)，對于非工況節(jié)點，無法獲得其相對應的值。對于這一問題，本文引入了另一種算法——四點插值算法。針對不在特定工況點上的數(shù)據(jù)，本文采用了被測點周圍4個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行二次線性插值來計算該非標定工況點的數(shù)據(jù)。四點插值方法是一種快速、準確的數(shù)據(jù)估算方法，它是一種線性估測手段，適合于計算機對數(shù)據(jù)的處理。其原理如圖5所示，當知道被估測值附近的四個已知點的數(shù)值后，首先利用其中兩點，做線性一次方程，求出與被估測點相同橫坐標的兩點數(shù)據(jù)。再利用這兩點，通過線性插值求得與被測點相同的縱坐標，最終獲得被測點的數(shù)據(jù)。

例如，圖5中E工況點的充氣效率ηpE無法通過二分法得到，即可以按4點插值法通過以下幾個步驟計算求得：首先在轉速恒定的條件下，利用二分法查表取得的充氣效率值，通過第一次線性插值，求得：

圖5 四點插值算法原理圖

在求出與E點相同進氣壓力、不同轉速的F、G兩點的充氣效率ηpE、ηpG后，調節(jié)進氣壓力恒定、轉速不同，進行第二次線性插值，最終得到：

通過以上兩種算法，本文解決了軟件程序中針對MAP圖數(shù)據(jù)的查詢與計算問題，為電噴發(fā)動機控制系統(tǒng)提供了準確的控制參數(shù)［5］。

3 試驗驗證

根據(jù)采用的傳感器信號變化的特點，設計了一套針對控制單元目標功能進行驗證的傳感器信號模擬發(fā)生器，如圖6所示。它可以模擬發(fā)動機正常運行過程中各傳感器產(chǎn)生的信號，控制單元采集這些仿真信號后控制噴油、點火等執(zhí)行器，以此來驗證控制系統(tǒng)的各項功能是否達到預期目標。傳感器信號模擬發(fā)生器共模擬了7種傳感器的信號輸出。其中，發(fā)動機溫度、進氣溫度、油門位置、電源電壓均采用電位計模擬傳感器信號，而對于曲軸轉速信號則利用電機帶動信號齒盤來模擬該信號。進氣壓力信號的變化基于轉速，即曲軸每旋轉兩周輸出一個周期的進氣壓力模擬信號。因此，在進氣壓力信號的模擬中，根據(jù)信號齒盤的轉速，在發(fā)動機吸氣沖程階段信號發(fā)生器內部芯片快速的輸出隨進氣壓力變化的仿真信號。氧傳感器輸出信號作為控制系統(tǒng)的一種反饋信號，很難對其進行模擬，所以本文在該信號的模擬過程中進行了簡化處理，僅以300 mV和800 mV電壓輸出作為混合器偏濃和偏稀的模擬信號，觀察控制單元噴油、點火等執(zhí)行器的執(zhí)行情況。傳感器信號模擬發(fā)生器的原理如圖7所示。選用的數(shù)據(jù)采集儀是奧地利德維創(chuàng)（DEWETRON）公司生產(chǎn)的多通道高精度數(shù)據(jù)采集儀。

圖6 傳感器信號模擬發(fā)生器

圖7 傳感器信號模擬發(fā)生器原理圖

整個功能測試的檢測系統(tǒng)結構如圖8所示，實驗中通過調節(jié)傳感器信號模擬發(fā)生器的旋鈕，輸出不同工況下的傳感器模擬信號，再由發(fā)動機控制單元接收并處理這些模擬信號，最終控制噴油、點火、電子節(jié)氣門等執(zhí)行器。整個測試過程中，數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測進氣壓力、發(fā)動機轉速以及噴油、點火等信號，以驗證控制單元的各項功能是否完成預定控制目標。

圖8 檢測系統(tǒng)結構圖

圖9 噴油、點火及轉速信號

測試過程中，調節(jié)電機轉速達到4 000 r／min且轉速穩(wěn)定時，利用數(shù)據(jù)采集儀采集噴油、點火以及曲軸轉速信號，如圖9所示，圖中底端信號為電機的轉速信號，中間信號為點火信號，而頂端信號則為噴油信號。由圖9可以看到，各執(zhí)行器均能夠按照軟件程序的預定設置準確執(zhí)行相應操作，證明控制系統(tǒng)的各項功能開發(fā)成功，并為后續(xù)做進一步的研究做準備。

4 結束語

電控技術是摩托車發(fā)動機排氣凈化和燃油消耗控制的關鍵技術，是滿足國Ⅲ排放法規(guī)的有效技術方案。在我國摩托車市場中，電控系統(tǒng)的應用除了考慮技術的先進性外，還必須充分考慮其制造成本、可靠性以及安裝工藝性等多方面因素。由于條件限制，本文僅就控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)進行了初步的探索，本研究結果可為摩托車發(fā)動機電控系統(tǒng)研究開發(fā)提供參考。

［1］ 劉長平.我國摩托車發(fā)動機的現(xiàn)狀與展望［J］.機電工程技術，2002，31（2）：18－19.

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［3］ 唐 程.電噴摩托車排放控制策略的應用研究［D］.天津：天津大學，2011.

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［5］ 陳 超.基于8位單片機的摩托車發(fā)動機電控單元軟硬件的開發(fā)［D］.北京：清華大學，2004.