隨著電子技術(shù)的發(fā)展及對發(fā)動機性能要求的提高,微機控制的電子點火系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的發(fā)動機點火系統(tǒng),實現(xiàn)了更為精確的點火時刻和點火能量的控制。在發(fā)動機點火系統(tǒng)中,采用的每個發(fā)動機汽缸各帶一個點火線圈,對各缸點火線圈進行獨立控制的點火系統(tǒng),稱為無分電器各缸獨立點火系統(tǒng),也叫高能直接點火系統(tǒng)。采用高能直接點火可有效地增加點火線圈初級回路的儲能,減少點火能量的傳導(dǎo)損失,從而提高點火能量,滿足車用發(fā)動機稀薄燃燒、增壓和使用代用燃料(如天然氣、酒精)等新技術(shù)的發(fā)展要求。對于多缸發(fā)動機,這種高能直接點火系統(tǒng)由于控制事件多,要求的控制電路和控制軟件復(fù)雜,因而對微控制器的性能和控制軟件均有較高的要求[1>。 　　
　　MC9S12系列是MOTOROLA公司開發(fā)的一種高性能16位微控制器(MCU),具有豐富的輸入輸出接口功能、較強的數(shù)值運算和邏輯運算能力,特別還具有較強的定時控制功能,使其適用于復(fù)雜時序控制技術(shù)的應(yīng)用中[2>。本文針對六缸車用發(fā)動機高能直接點火控制系統(tǒng)的開發(fā),進行了以MC9S12DP256微控制器為核心的電子控制單元的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計。 　　
1 高能直接點火系統(tǒng)及控制要求
　　圖1所示為六缸發(fā)動機的高能直接點火系統(tǒng)電路原理圖。系統(tǒng)由輸入信號傳感器、電子控制單元(ECU)及點火執(zhí)行器三部分組成。其中,點火執(zhí)行器包括每缸獨立的共六組點火線圈和火花塞。點火線圈作為儲能元件,由匝數(shù)比很高的次級繞組和初級繞組構(gòu)成,其作用相當(dāng)于變壓器。當(dāng)初級繞組電路(初級電路)導(dǎo)通時,初級繞組電感線圈中的電流按照指數(shù)規(guī)律增加,從蓄電池獲得的能量以磁場能的形式儲存在初級線圈中;當(dāng)初級電路斷電時,次級繞組感應(yīng)出高壓電,使火花塞電極間產(chǎn)生電火花,將汽缸內(nèi)的混合氣點燃。在圖1所示的系統(tǒng)中,由微控制器發(fā)出的控制信號經(jīng)過點火器中的功率三極管的驅(qū)動放大,實現(xiàn)了對初級電路的通斷電控制。與傳統(tǒng)點火系統(tǒng)只使用一個點火線圈相比,這種直接點火控制方式可利用更長的時間積蓄點火能量,并可將點火線圈與火花塞安裝在一起,減少高壓電流的傳遞損失,從而獲得較高的點火能量。

　　點火控制包括點火順序控制、點火定時控制和點火能量控制。點火系統(tǒng)應(yīng)按發(fā)動機的工作順序進行點火,即點火順序應(yīng)與發(fā)動機的工作順序一致,否則不能適時點著混合氣,發(fā)動機就不能正常工作。點火定時控制的目的是使發(fā)動機功率輸出大、油耗低、爆震小和排放低,點火系統(tǒng)必須在最有利的時刻點火,并需在上述目標(biāo)之間進行折衷。點火時刻用點火提前角來表示,從火花塞開始跳火到活塞運行至壓縮行程上止點的時間內(nèi)曲軸轉(zhuǎn)過的角度被稱為點火提前角。發(fā)動機在不同工況下的最佳點火提前角是不同的。在微機控制的點火系統(tǒng)中,根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等傳感器的信號確定發(fā)動機運行工況,計算出最佳的點火時刻,并由微控制器輸出控制信號,使功率三極管截止、初級電路斷電,從而實現(xiàn)控制。 　　
　　點火能量直接影響發(fā)動機的著火情況。對于使用增壓、稀燃及替代燃料等新技術(shù)的發(fā)動機,只有點火能量足夠高,才能可靠燃燒,達到提高經(jīng)濟性和改善排放的目的。高能直接點火的關(guān)鍵是保證在任何工況下都能夠提供足夠的點火能量。電感儲能式點火系統(tǒng)控制點火能量的實質(zhì)是控制點火線圈在斷電時刻的初級電流,這是靠控制初級電路的通電時間來實現(xiàn)的。點火時刻初級電流所能達到的值,即初級斷開電流,與初級電路導(dǎo)通的時間長短有關(guān),必須保證初級電路的通電時間來使初級電流達到點火能量的要求。但如果通電時間過長,點火線圈又會發(fā)熱并使電能消耗增大。因此,控制一個最佳的初級電路通電時間需兼顧上述兩方面的要求。 　　
　　綜上所述,對于六缸發(fā)動機的高能直接點火系統(tǒng),為保證發(fā)動機的性能要求,需按點火順序、點火時刻和點火能量的要求實現(xiàn)六個獨立點火線圈初級電路的適時通、斷電,即微控制器要完成多通道的復(fù)雜時序控制。 　　
2 ECU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
　　如圖2所示,適用于六缸發(fā)動機的高能直接點火電子控制單元以MC9S12DP256微控制器為核心,并由電源、輸入信號整形處理、驅(qū)動放大電路和通訊電路等功能模塊構(gòu)成。

　　MC9S12DP256微控制器采用了高性能的16位處理器HCS12,可提供豐富的指令系統(tǒng),具有較強的數(shù)值運算和邏輯運算能力;其內(nèi)256K字節(jié)的FLASH存儲器具有在線編程能力,4K字節(jié)的EEPROM和12K字節(jié)的RAM可存儲各種控制參數(shù)。MC9S12DP256的低功耗晶振、復(fù)位控制、看門狗及實時中斷等配置和功能更有助于系統(tǒng)的可靠運行[2>。 　　
　　MC9S12DP256豐富的接口資源為ECU輸入輸出功能的實現(xiàn)提供了方便。負(fù)荷信號(節(jié)氣門位置和進氣壓力)、水溫信號、蓄電池電壓信號等系統(tǒng)模擬輸入信號由放大濾波電路處理后,利用MCU的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行采集。通過MCU增強型串行通訊模塊SCI可實現(xiàn)與PC機之間的通訊功能, 進行點火系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控和控制參數(shù)的匹配標(biāo)定。由一個16 位主定時器和8個可編程輸入捕捉/輸出比較定時通道構(gòu)成的增強型捕捉定時器提供了較強的定時控制功能,可充分滿足高能直接點火的復(fù)雜時序控制要求。在本系統(tǒng)中, 兩個定時通道設(shè)置為輸入捕捉功能,對經(jīng)過整形處理后的曲軸位置信號和發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號進行采集處理;另六個定時通道設(shè)置為輸出比較功能,用于六個汽缸的點火線圈初級電路的通斷電控制。 　　
3 ECU的控制軟件設(shè)計
3.1 點火時序的控制方法
　　點火時序的控制以發(fā)動機曲軸位置信號為依據(jù)。曲軸位置信號通過安裝于凸輪軸上的霍爾傳感器測量。如圖3所示,凸輪軸每轉(zhuǎn)一周,產(chǎn)生七個脈沖信號,其中六個為各缸的點火基準(zhǔn)信號,根據(jù)發(fā)動機的點火順序,按1、5、3、6、2、4的缸號順序均勻排列,各基準(zhǔn)脈沖信號的上升沿設(shè)置在對應(yīng)各缸壓縮行程上止點前40°,相鄰基準(zhǔn)信號間相差120°的曲軸轉(zhuǎn)角。另一個附加的脈沖信號在一缸基準(zhǔn)脈沖信號后,其上升沿對應(yīng)于1號缸的上止點,用于控制系統(tǒng)判定1號缸的位置,使點火系統(tǒng)與發(fā)動機的工作同步,稱為判缸同步信號。 　　
　　MCU利用定時器輸入捕捉與輸出比較功能的配合,采用延時計數(shù)法進行點火線圈初級電路通斷電時序控制。如圖3所示,每缸基準(zhǔn)信號的上升沿通過MCU輸入捕捉定時器通道觸發(fā)中斷,并以此中斷信號作為一個控制周期的開始和點火時序控制的基準(zhǔn)。將每相鄰兩基準(zhǔn)信號間的時間作為一個控制周期(對應(yīng)曲軸120°轉(zhuǎn)角), 控制周期時間等于主計數(shù)器的時鐘周期與兩基準(zhǔn)間計數(shù)值差的乘積,前者是由MCU預(yù)設(shè)的常數(shù),記作TC;后者可通過輸入捕捉通道測得,記作NG。若此時的點火提前角為θ,那么當(dāng)基準(zhǔn)信號出現(xiàn)時,只要再過(40°-θ)就該進行本缸點火,這一角度被稱為點火延遲角,對應(yīng)的時間被稱為點火延時,對應(yīng)的計數(shù)器計數(shù)值Nd?？筛鶕?jù)NG。值計算如下:

　　將主計數(shù)器的值加上延時計數(shù)值Nd后送到本缸點火線圈控制的輸出比較通道寄存器中,啟動該通道的輸出比較功能,并預(yù)先規(guī)定該通道引腳為低電平。當(dāng)計數(shù)時間到時,該引腳就自動翻轉(zhuǎn)為低電平,點火線圈初級電路斷電,從而實現(xiàn)了本缸點火。MCU的輸出比較功能可得到非常精確的時間間隔,并且對用戶程序沒有額外的負(fù)擔(dān)。

　　同理,在每個控制周期內(nèi),為了給即將工作的汽缸進行點火能量的蓄積,還進行了點火線圈初級電路通電的延時計數(shù)法控制。如圖3中所示,初級電路的通電時間要求為ton,則從本缸基準(zhǔn)信號出現(xiàn)到下一缸初級電路通電延時所對應(yīng)的計數(shù)值Nt的計算如下:

　　
　　當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低,下一缸通電延遲時間大于控制周期時間(即 )時, 則需在下一控制周期開始時首先進行該缸通電延時控制,通電延時計數(shù)值為Nt1=Nt-NG,并設(shè)置該通道輸出比較中斷,以此中斷為基準(zhǔn)進行點火延時控制。其點火延時計數(shù)值為:

3.2 點火控制程序設(shè)計
　　點火控制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序等多個模塊組成。主程序的主要功能是根據(jù)發(fā)動機運行工況,通過邏輯運算確定最優(yōu)的點火提前角及初級電路導(dǎo)通時間;中斷服務(wù)子程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)輸入信號的采集與處理,而其中輸入捕捉和輸出比較中斷程序是實現(xiàn)點火時序控制的關(guān)鍵。 　　
　　圖4為點火控制主程序流程圖。ECU上電后,主程序首先執(zhí)行MCU的初始化操作,設(shè)置定時器計數(shù)周期、各輸入輸出功能和各中斷。初始化完成后,主程序進入循環(huán)運行狀態(tài),等待各中斷服務(wù)程序發(fā)生,檢測各輸入?yún)?shù),進行故障查詢和處理。如系統(tǒng)狀態(tài)正常,則根據(jù)發(fā)動機運行工況確定最優(yōu)的點火提前角及初級電路導(dǎo)通時間。由于各缸點火時刻是通過程序控制進行調(diào)節(jié)的,因此利用CPU內(nèi)部的存儲器存儲點火控制數(shù)據(jù)表(點火脈譜)。這樣,點火提前角就能按發(fā)動機負(fù)荷及轉(zhuǎn)速信號通過查數(shù)據(jù)表得到, 并可按不同工況進行修正。如此便可使發(fā)動機在任何工況下均能提供最佳點火時刻。

　　
　　輸入捕捉和輸出比較的中斷服務(wù)程序流程圖分別如圖5和圖6所示。利用定時器輸入捕捉與輸出比較功能的配合,采用延時計數(shù)法實現(xiàn)點火線圈初級電路通斷電時序控制。在進入曲軸位置信號上升沿觸發(fā)的輸入捕捉中斷后,首先完成判缸信號拾取、工作缸號確定及控制周期計數(shù)值計算等工作。然后進行點火線圈的通斷電延時控制。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時,設(shè)置本缸的斷電延時和相應(yīng)的輸出比較通道,以及下一缸的通電延時和相應(yīng)的輸出比較通道;當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低時,設(shè)置本缸的通電延時和相應(yīng)的輸出比較通道,并開輸出比較中斷。當(dāng)進入輸出比較中斷時,再以此中斷為基準(zhǔn),設(shè)置本缸的斷電延時和相應(yīng)的輸出比較通道。