汽車起動(dòng)機(jī)控制電路保護(hù)設(shè)計(jì)的研究

蘇梁德

摘 要：為了研究一套傳統(tǒng)汽車起動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，有效解決新手司機(jī)和正在學(xué)車的學(xué)員在起動(dòng)汽車時(shí)出現(xiàn)起動(dòng)機(jī)“空轉(zhuǎn)”和“打齒”現(xiàn)象，損壞起動(dòng)機(jī)和縮短起動(dòng)機(jī)使用壽命的問題。本文通過研究汽車起動(dòng)機(jī)控制電路保護(hù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)在傳統(tǒng)汽車的應(yīng)用意義，本文用一臺豐田汽車臺架進(jìn)行試驗(yàn)研究，并且通過對曲軸位置傳感器檢測發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)曲軸的轉(zhuǎn)速，曲軸位置傳感器將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化以電信號形式輸送到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化，對起動(dòng)系統(tǒng)電路進(jìn)行控制。研究冷車啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和熱車啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速電信號變化，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后將由單片機(jī)切斷電路，讓起動(dòng)機(jī)停止工作起到保護(hù)起動(dòng)機(jī)作用。結(jié)果分析表明發(fā)動(dòng)機(jī)冷車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到800±50r/min，熱車啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到700±50r/min。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)控制 保護(hù) 起動(dòng)機(jī) 電路

Abstract：The study is to study a set of traditional automobile starter protection system， which can effectively solve the problems of “idling” and “tooth-beating” of starter when novice drivers and students learning to start cars， which will damage the starter and shorten its service life. In this paper， the application significance of automobile starter control circuit protection design system in traditional automobiles is studied， and a Toyota test bench is used for experimental research. The crankshaft position sensor detects the crankshaft speed when the engine starts， and the crankshaft position sensor sends the engine speed change to the single chip microcomputer in the form of electric signal， and the single chip microcomputer controls the starting system circuit according to the engine speed change. The electric signal changes of engine speed when cold car starts and when hot car starts are studied. After the engine starts， the single chip microcomputer will cut off the circuit， so that the starter can stop working to protect the starter. The results show that the engine speed reaches 800±50r/min when the engine is cold and 700±50r/min when the engine is hot.

Key words：single chip microcomputer control， protection， starter， circuit

1 引言

開發(fā)和研究汽車起動(dòng)系統(tǒng)控制電路保護(hù)，可以避免新手司機(jī)和學(xué)車的學(xué)員在啟動(dòng)汽車時(shí)，不知道汽車已經(jīng)起動(dòng)的情況下，仍然扭動(dòng)電門，從而出現(xiàn)“打齒”現(xiàn)象，造成汽車起動(dòng)機(jī)損壞，從而起到保護(hù)汽車起動(dòng)機(jī)作用。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要借助起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，促使發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸跟隨旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)活塞連桿壓縮混合氣進(jìn)而啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

本文通過利用單片機(jī)控制電路接通與斷開，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，曲軸位置傳感器檢測到曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度并以電信號形式輸送給單片機(jī)，單片機(jī)切斷啟動(dòng)系統(tǒng)電源，促使起動(dòng)機(jī)停止工作，起到保護(hù)作用。

2 汽車起動(dòng)機(jī)控制線路設(shè)計(jì)過程

2.1 起動(dòng)機(jī)工作原理

通過對起動(dòng)系統(tǒng)的拆解測試研究，對汽車起動(dòng)系統(tǒng)有了更深入的了解，傳統(tǒng)起動(dòng)系統(tǒng)主要由控制線路與起動(dòng)機(jī)兩大部分組成，控制線路包括蓄電池、點(diǎn)火開關(guān)、常開式起動(dòng)繼電器，電磁開關(guān)，導(dǎo)線組成；起動(dòng)機(jī)由直流電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三部分組成。系統(tǒng)的工作過程如圖1所示，當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)旋至ST檔，接通起動(dòng)繼電器的線圈電路使之工作。電流便可以通過端子50流入起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)，電磁開關(guān)內(nèi)的線圈產(chǎn)生磁場力，吸引電磁開關(guān)內(nèi)的活動(dòng)鐵芯移動(dòng)，鐵芯端的接觸盤被推出與端子30、端子C結(jié)合，便接通了直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，電動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。活動(dòng)鐵芯同時(shí)也拉動(dòng)撥叉把驅(qū)動(dòng)齒輪撬出與飛輪嚙合，起動(dòng)機(jī)便能順利帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始自行運(yùn)轉(zhuǎn)后，駕駛員松開鑰匙，斷開ST檔，起動(dòng)繼電器電路被斷開，端子50無電流輸入，電磁開關(guān)磁場消失，活動(dòng)鐵芯在回位彈簧的作用下回到原來的位置，便斷開了直流電動(dòng)機(jī)的電流，起動(dòng)機(jī)停止工作，系統(tǒng)完成一次完整的工作過程。在系統(tǒng)工作過程中起動(dòng)繼電器和起動(dòng)電磁開關(guān)起到小電流控制大電流的作用，避免了在起動(dòng)車輛瞬間因電流過大而燒毀系統(tǒng)導(dǎo)線與開關(guān)。另外，系統(tǒng)在動(dòng)力傳遞路線上設(shè)置有單向傳動(dòng)離合器，主要作用是：在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后防止發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過驅(qū)動(dòng)齒輪反向傳遞給起動(dòng)機(jī)，從而保護(hù)了起動(dòng)機(jī)。但如果發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，駕駛員并未松開點(diǎn)火鑰匙，側(cè)點(diǎn)火開關(guān)一直處于接通狀態(tài)，起動(dòng)機(jī)控制電路遲遲沒有斷開，或斷開后又再次接通，起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪還是會(huì)彈出與正在轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪強(qiáng)行嚙合而導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)發(fā)生機(jī)械損壞。故原有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)并沒有避免人為的“誤起動(dòng)”所引起的機(jī)械損毀。

通過上述對傳統(tǒng)起動(dòng)系統(tǒng)工作過程分析知道，對于“誤起動(dòng)事故”引起起動(dòng)機(jī)的機(jī)械損毀，帶來不必要的維修，將“單片機(jī)+傳感器”技術(shù)串接到起動(dòng)控制線路中，可以避免因“誤起動(dòng)”引起的機(jī)械損毀。發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸位置傳感器是檢測發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它可以檢測活塞上止點(diǎn)信號和曲軸轉(zhuǎn)角信號，并將檢測的信號傳送至ECU，用于控制點(diǎn)火時(shí)刻和噴油正時(shí)。改進(jìn)設(shè)計(jì)電路如圖2所示，在起動(dòng)機(jī)控制回路的點(diǎn)火開關(guān)與起動(dòng)繼電器間串聯(lián)一個(gè)常閉繼電器，在起動(dòng)控制回路外附加“單片機(jī)+傳感器”控制線路。傳感器為曲軸位置感器，曲軸位置傳感器是電噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中最重要的傳感器之一，也是點(diǎn)火系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)共用的傳感器，一般安裝在分電器內(nèi)，在變速箱離合器殼體上，位于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體左側(cè)后面，用二條螺栓緊固，一些則安裝在曲軸前端、凹輪軸前端或飛輪上。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)訓(xùn)臺架，用傳統(tǒng)強(qiáng)制嚙合式起動(dòng)系統(tǒng)為原型。12V電壓電瓶作為電源，與實(shí)車保持相同，保證實(shí)訓(xùn)的高度切合。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)候，冷車啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1200轉(zhuǎn)每分鐘，曲軸位置傳感器檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷以電信號形式輸送給ECU。用曲軸位置傳感器電壓信號變化，輸送給單片機(jī)，單片機(jī)檢測曲軸位置傳感器電壓信號變化判斷發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，切斷啟動(dòng)系統(tǒng)電路，讓起動(dòng)機(jī)停止工作，從而起到保護(hù)起動(dòng)機(jī)的作用。具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

3 單片機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 單片機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

圖4所示為單片機(jī)設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì)框圖，控制電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要有信號接收，單片機(jī)控制電路和電流切斷電路。

實(shí)驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺四缸、自然吸氣冷車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下起動(dòng)時(shí)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)測量和試驗(yàn)控制系統(tǒng)。

3.2 曲軸位置傳感器傳感器工作原理

目前豐田發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是磁脈沖式曲軸位置傳感器安裝在分電器內(nèi)。曲軸位置傳感器上有信號盤，曲軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，傳感器發(fā)出四個(gè)信號，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)信號判斷曲軸轉(zhuǎn)角，其傳感器的為磁感應(yīng)傳感器，產(chǎn)生交流電壓信號，電阻阻值在300—800歐之間，其波形圖如下圖5所示。

曲軸位置傳感器是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制系統(tǒng)中最主要的傳感器之一，它提供點(diǎn)火時(shí)刻（點(diǎn)火提前角）、確認(rèn)曲軸位置的信號，用于檢測活塞上止點(diǎn)、曲軸轉(zhuǎn)角及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

在實(shí)驗(yàn)過程中根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)和熱車啟動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷車啟動(dòng)時(shí)冷卻水溫度在（30±5）℃，發(fā)動(dòng)機(jī)熱車啟動(dòng)時(shí)冷卻水溫（85±5）℃。利用示波器檢測發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間曲軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)示波器檢測曲軸位置傳感器著火瞬間曲軸轉(zhuǎn)速信號為800±50r/min，熱車后曲軸轉(zhuǎn)速信號為750±50r/min[3]，在單片機(jī)接收到信號后對起動(dòng)機(jī)電路進(jìn)行切斷，斷開蓄電池對起動(dòng)機(jī)的供電，從而起動(dòng)機(jī)停止工作，達(dá)到保護(hù)起動(dòng)機(jī)作用。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后利用單片機(jī)控制電路切斷起動(dòng)控制線路，實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常工作狀態(tài)后不會(huì)再次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。新手司機(jī)或是駕校學(xué)員出現(xiàn)誤起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，起動(dòng)機(jī)控制線路處于斷開狀態(tài)，起動(dòng)機(jī)無電流流入，所以不工作。避免了驅(qū)動(dòng)齒輪與飛輪的非正常嚙合，保護(hù)了起動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

冷車起動(dòng)，設(shè)置曲軸轉(zhuǎn)速達(dá)到800±50r/min，在單片機(jī)接受到信號后立刻切斷起動(dòng)機(jī)電源，發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)，一方面是起動(dòng)機(jī)無力導(dǎo)致起動(dòng)無力，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)，另一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)在達(dá)到800±50r/min時(shí)，切斷電源則曲軸轉(zhuǎn)速下降，ECU檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，停止對其他幾個(gè)缸噴油，氣缸內(nèi)無可燃混合氣，導(dǎo)致汽車無法啟動(dòng)。在單片機(jī)接受到信號時(shí)，延遲2秒對起動(dòng)機(jī)切斷電源信號，在延遲切斷起動(dòng)機(jī)電源后發(fā)動(dòng)機(jī)可以正常啟動(dòng)。但是在熱車啟動(dòng)時(shí)，延遲2秒鐘則出現(xiàn)起動(dòng)機(jī)“打齒”現(xiàn)象，主要原因在發(fā)動(dòng)機(jī)熱車后對混合氣的濃度依賴沒有熱車高。導(dǎo)致出現(xiàn)以上現(xiàn)狀一方面是設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，另一方面是對起動(dòng)機(jī)電源切斷的延遲時(shí)間。所以設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在750±50r/min時(shí)，延遲1.5秒切斷起動(dòng)機(jī)電源。在這個(gè)參數(shù)下，不管是熱車還是冷車，發(fā)動(dòng)機(jī)均可以啟動(dòng)，同時(shí)避免“打齒”現(xiàn)象。

5 總結(jié)

本文通過對汽車起動(dòng)機(jī)電路原理入手，通過對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的測試，以曲軸位置傳感器信號輸送給單片機(jī)，檢測到曲軸位置傳感器電壓信號的變化，從未判斷發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)著火，進(jìn)一步切斷起動(dòng)機(jī)電源，使起動(dòng)機(jī)停止工作。通過對汽車起動(dòng)機(jī)控制電路保護(hù)設(shè)計(jì)的研究主要得出以下結(jié)論：

（1）通過單片機(jī)控制電路，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后切斷起動(dòng)機(jī)可得出起動(dòng)機(jī)避免打“打齒”，導(dǎo)致起動(dòng)機(jī)損壞，延長起動(dòng)機(jī)壽命。（2）檢測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以找到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速，可以利用單片機(jī)切斷起動(dòng)機(jī)電路。（3）結(jié)合起動(dòng)機(jī)電路，設(shè)計(jì)單片機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后切斷起動(dòng)機(jī)的電路可以保護(hù)起動(dòng)機(jī)，提高起動(dòng)機(jī)壽命。

基金項(xiàng)目：廣西中青年教師科研能力基礎(chǔ)提升《基于單片機(jī)與傳感器技術(shù)的汽車起動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》（2021KY1442）。

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