基于MC9S12DP512单片机的发动机点火系统软件设计

基于MC9S12DP512单片机的发动机点火系统软件设计汇报内容课题背景及意义国内外研究现状提高点火能量的研究点火控制的软件设计工作展望本项目重点研究高能点火自适应控制技术，基于现有燃烧重油技术等预研成果，针对航空煤油，实现高空条件下点火能量的自适应控制。1.为后期的发动机台架试验做准备工作是本课题的任务。2.汽油发动机改烧航空煤油具有重要意义；但煤油闪点高，蒸发性差，需要更大的点火能量。3.发动机冷起动时点不着火。课题背景及意义由于以上三个个问题的存在，本课题是，为进一步改烧煤油的最小点火能量和精确点火时刻标定试验做基础研究工作是非常有必要的。国内外研究现状7O年代以来，世界上一些先进的汽车工业国家已陆续开始装备各种各样的高能点火系。从1974年起，美国GM公司开始大量生产并装备HEI(HighEnergyIgnition)系统。初级储能在90~180mJ之间的晶体管无触点点火系在美国、加拿大和欧洲已被普遍采用，并且有着稳定的市场。国内对高能点火的研究起步于6o年代末。但是直到8o年代中期才开始出现各种商品化的汽车高能无触点点火系产品。现在上海桑塔纳。一汽奥迪、捷达、CA142汽车、CA488发动机以及广州标致等汽车均已广泛使用。国内外研究现状内部不带微处理器的数字或模拟IC点火系：它们具有结构简单、独立性强、适用面广、可靠性高(内部不带或很少带有时序逻辑电路。因而抗干扰能力强)和价格低廉等特点，颇受欢迎。自80年代以来，在美国、加拿大和欧洲的汽车工业发达国家里一直占据着50％左右的稳定市场，且有继续扩大的趋势。美国摩托罗拉(Motorola)公司生产的专用集成点火芯片(89S01)，即为70年代中期有影响的该类型产品之一。80年代以来，IC点火系有了许多新的发展，控制功能日趋丰富，性能进一步提高，出现了许多新型的专用或通用汽车点火器模块。纵观现有的点火系，发动机点火提前特性的电子控制往往离不开微处理器。由长沙交通学院、浙江大学联合有关厂家共同研制的汽车电提前高能无触点点火系，利用磁感式分电器输出信号上升沿触发实现电提前的原理，在发动机转速提前特性的电子控制方面作出了许多成功的尝试。针对国内发动机提前持性控制精度要求不高，可用多段折线来近似的特点．将点火系中原有的传统机械提前装置用磁路及IC电路来取代，然后可进一步改变高压配电方式，研制出新一代不带微处理器的全电子点火系，这将是一项符合我国国情的、十分有意义的探索性工作。国内外研究现状微机控制的智能点火系：这类点火系往往与爆震、燃油供给以及排放控制等联合起来成为发动机综合控制的一部分。如福特(Ford)公司的EEC系统、通用(GM)公司的C-4系统、丰田公司的TCCS系统、三菱公司的ECI系统、五十铃汽车的I-TEC系统、日产汽车的ECCS系统等。这类系统是发动机高精度综合控制发展的必然趋势，市场占有量正在稳步上升。将成为21世纪的主要发展方向。随着CMOS器件的应用，更高性能单片机问世。点火系的性能有了很大提高，具备多种闭环控制、故障诊断、自动复位、串并行通讯等功能，其进一步发展将大量采用专门智能集成芯片。目前福特轿车均采用了福特汽车公司1988年推出的第四代EEC-IV电子发动机控制组件，用质量流量型空气流量计取代了以往的进气歧管绝对压力传感器，并采用功能最强、最先进的微处理器，根据各传感器输入的信号优化发动机工作，使发动机控制能力进一步增强，改善了冷起动和可驾驶性，同时还具有很强的故障自检测性能。国内外研究现状在点火系不断发展的同时，点火能量也在逐年提高。7O年代初期所采用的晶体管无触点点火系，其初级储能值一般在8O～120mJ之间，8O年代初期已提高到150mJ以上。人们在研究中发现．采甩200mJ左右的点火能量，可对空燃比高达23的稀薄燃烧产生较好效果，燃油经济性可提高10～15％。因此，8O年代中期以后，高能无触点点火系的初级储能值已提高到200mJ左右。研究内容1、学习点火系统分类、组成、原理、工作特性等基础知识；2、搜索国内外的点火系研究资料，进行阅读整理；3、从理论入手推导点火能量的计算方法；4、探讨点火能量的提高措施；5、根据点火能量提高措施重新设计点火线圈，包括磁芯材料和形状的选择，磁芯截面积估算，初次级匝数计算，初次级绕组线径就算等；6、MC9S12DP512的入门学习；7、安装CodeWarrior开发软件并学习如何创建工程及用C语言编程；8、初步设计一个简化的点火系统控制程序。论文结构第一章引言部分，1.首先阐明了课题背景与研究意义，并概括研究方法以及结果。2.总结出近十年国内外对于点火系统的研究现状。3.描述了对于本课题的研究路线，力求有理有据，清晰明了。4.对论文结构的一个说明。第二章介绍点火系统的原理。1.说明了发动机对点火系统的要求。2.详细介绍点火系统的结构与原理。3.介绍MC9S12DP512单片机的结构和编程方法。第三章是基于MC9S12DP512单片机的发动机点火系统软件设计。1.根据提高点火能量的需要对点火线圈进行重新设计计算。2.概括点火ECU的硬件构架。3.介绍点火控制方法。4.点火的软件实现。第四章里总结了整个项目的研究过程，并说明了最终做出的成果，并发表了本人对于本项目领域的展望。关于提高点火能量的研究点火方式选择A、电感蓄能式点火系统点火系统产生高压前以点火线圈建立磁场能量的方式储存点火能量。特点：靠断开初级线圈电流产生点火电压，火花持续时间长。B、电容储能式点火系点火系统产生高压前，先从电源获取能量以蓄能电容建立电场能量的方式储存点火能量。特点：靠电容通过初级线圈放电产生点火电压，放电能量大，时间短，可在一个燃烧期作1-3次跳火。本课题最终选择电感式点火原因：电感式点火系统的电火花的电弧时间也长些，对冷机启动和稀薄油汽的点火性能比交流CDI点火器好。其他一些原因：电容器本身局限性大，代价高，且不如电感式点火普及，改造起来恐怕难度大。电感式点火原理简单，易于改造，也易于实现对点火能量的微机控制。RUVTC1C2U2W2W1eMeL+_+_电感式点火系统原理简图：利用的是互感原理：一个线圈中的电流变化而使另一个线圈中产生感应电动势的现象。先接通初级电路，当三极管VT截止时，初级电路被切断，初级电流消失，铁心中的磁通量迅速变化，在初级绕组W1和次级绕组W2中都会感应产生电动势。由于次级绕组匝数多，因此能够感应产生足以击穿火花塞电极间隙的高压电动势。关于提高点火能量的研究三个阶段：1.初级电流接通时按指数规律增长2.初级电流切断时次级绕组产生高压电3.火花塞电极之间产生火花放电左图为初级电路，在三极管VT导通期间，随电流i1的增大，初级绕组中便会产生自感电动势eL。由楞次定律知：eL与i1方向相反，则有LLUeiR1LdieLdt1(1)RtLUieR关于提高点火能量的研究则有：1(1)RtLUieR由图b）中虚线，初级电流在通电期间按指数规律增长，直至最大值Imax。微机对点火能量的控制也就是控制初级电路的通电时间来实现。当通电达到所需电流Ip时，即发出信号让三极管截止。关于提高点火能量的研究212LPWLI212LPWLI1020U2max(kN)Uj010002000200040003000600040008000信号转子转速发动机转速n（r/min)nmax提高点火能量的基本思想就是要提高初级线圈的储能WL。初级线圈储能增加，可以得到较高的次级电压，本课题中提出将点火线圈的匝比减小1倍，即次级电压变为原先的1半，但次级电流就增大了1倍。此种方法目前还在进行试验，最终能不能成功还有待观望。由于提高了电流，点火线圈的发热较高，需重新设计点火线圈的相关参数。另外点火电路的线路连接也许考虑到电流变大的问题。关于提高点火能量的研究点火线圈的重新设计——磁芯选择：材料导磁率涡流损耗电阻率饱和磁感应强度适用于硅钢片很高较低——2T低频铁氧体MnZn铁氧体——————0.45T高频NiZn铁氧体高较低较高高频粉芯铁粉芯4~80大大降低——1T较低开关频率MPP14~350低0.7T反激电路等高磁通粉芯14~200比铁粉芯更低1.5T绝大多数场合硅钢片具有最高的饱和磁感应强度值可达2T；由于它们具有较好的磁电性能，又易于大批生产，价格便宜，应用广泛，特别是在低频、大功率下最为适用。硅钢片磁性与成本关于提高点火能量的研究初始条件：初级供电蓄电池电压48V；频率0~90Hz；次级电压达到30000V；估算磁芯截面积计算匝数计算线径由最大点火能量300mJ估算次级最大功率P2：2300mJPt点火估算磁芯截面积由2SkP选择EI型铁心，中部舌宽a和叠厚b之比a：b一般为1:1到1:2之间0450000mNBS由此计算每伏匝数，Bm为饱和磁感应强度，保守选择15000Gs。再由N1=N0×U1，N2=N0×U2计算初次级匝数。/SI线为电流密度，此式计算初次级导线截面积，再算得线径。磁芯截面积/cm2匝数线径/mm初级次级初级次级40.1375248061.110.14关于提高点火能量的研究软件实现部分512KBFLASHHCS12CPU12KBRAM4KBEEPROM16位键盘唤醒IRQI/O口2个8路10位ADC增强型8路16位定时器8位8路/16位4路PWM2个SCI口3个SPI口I2CJ1850通信口5V变2.5V电压调整器最多5个增强型CAN总线接口MC9S12DP512的结构框图转速信号整形处理增强型捕捉定时器驱动电路CPU12电源电路复位及看门狗电路ECUMC9S12DP512A/D转换模块存储器串行通讯模块滤波放大通讯接口点火器点火系统控制器结构框图点火控制程序由主程序和中断服务子程序等多个模块组成。主程序的主要功能是根据发动机运行工况，通过逻辑运算确定最优的点火提前角及初级电路导通时间；中断服务子程序负责系统输入信号的采集与处理，而其中输入捕捉和输出比较中断程序是实现点火时序控制的关键。ECU上电后，主程序首先执行MCU的初始化操作，设置定时器计数周期、各输入输出功能和各中断。初始化完成后，主程序进入循环运行状态，等待各中断服务程序发生，检测各输入参数，进行故障查询和处理。如系统状态正常，则根据发动机运行工况确定最优的点火提前角及初级电路导通时间。由于各缸点火时刻是通过程序控制进行调节的，因此需要建立CPU内部的点火脉谱。这样，点火提前角就能按发动机负荷及转速信号通过查点火脉谱得到，并可按不同工况进行修正。如此便可使发动机在任何工况下均能提供最佳点火时刻。但由于做软件时间仓促，本点火系统在软件控制进行了简化，略去了故障查询处理、CPU内部脉谱图的建立，仅使用转速传感器，由输入捕捉中断程序得到转速信号后，再由CPU中的周期计算模块算得周期、频率以及转速值，由经验根据转速信号取定值占空比进行点火。利用定时器输入捕捉与输出比较功能的配合，采用延时计数法进行点火线圈初级电路通断电时序控制。控制流程图如右：初始化转速信号采集转速周期计算确定初级线圈充电脉宽充电脉宽延时点火voidECT_Init(void)/*输入捕定时器初始化*/{TIOS=0xF7;/*PT3分别定义为0：输入捕捉；PT2为1：输出比较*/TSCR2=0x07;/*TCNT速率设置，128分频，1048.576毫秒溢出一次*/TCTL4=0x40;/*PT3设定为上升沿捕捉*/TFLG1=0xFF;/*清除PT3,PT2标志位*/TSCR1_TEN=1;/*TCNT使能*/DDRT=0xF7;/*1111_0111,PT3isinput,PT2isoutput*/TIE=0x08;/*0000_1000，置1允许对应的通道产生硬件中断*/TSCR2_TOI=0;/*定时器溢出中断禁止*/TC2=TCNT;}初始化模块频率与周期的测量ΔTrising_1rising_2转速测量原理图：rising_1rising_2ΔT=rising_2-rising_1ΔT=(rising_2+0FFFFH)-rising_