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基于MC9S12微控制器的發(fā)動機(jī)高能直接點火控制
摘要：發(fā)動機(jī)高能直接點火系統(tǒng)需按點火順序、點火時刻和點火能量的要求實現(xiàn)各點火線圈的獨(dú)立控制。介紹了以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。利用MCU的增強(qiáng)型捕捉定時器，該將輸入捕捉與輸出較功能相配合，滿足了6個點火線圈初級電路通斷電的復(fù)雜時序控制要求。該系統(tǒng)在某稀燃天然氣發(fā)動機(jī)的開發(fā)中進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果表明：在各種工況下，都能獲得可靠的點火。關(guān)鍵詞：微控制器增強(qiáng)型捕捉定時器點火系統(tǒng)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展及對發(fā)動機(jī)性能要求的提高，微機(jī)控制的電子點火系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)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(jī)點火系統(tǒng)中，采用的每個發(fā)動機(jī)汽缸各帶一個點火線圈，對各缸點火線圈進(jìn)行獨(dú)立控制的點火系統(tǒng)，稱為無分電器各缸獨(dú)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(jī)機(jī)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(jī)，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們微控制器（MCU），具有豐富的輸入輸出接口功能、較強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)算能力，特別還具有較強(qiáng)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(jī)高能直接點火控制系統(tǒng)的開發(fā)，進(jìn)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(jī)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(dú)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，從蓄電池獲得的能力以磁場以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(jī)的工作順序進(jìn)行點火，即點火順序應(yīng)與發(fā)動機(jī)的工作順序一致，否則不能適時點著混合氣，發(fā)動機(jī)就不能正常工作。點火定時控制的目的是使發(fā)動機(jī)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(jìn)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(yùn)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(jī)在不同工況下的最佳點火提前角是不同的。在微機(jī)控制的點火系統(tǒng)中，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等傳感器的信號確定發(fā)動機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)，只有點火能量足夠高，才能可靠燃燒，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)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(dá)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(dá)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(jī)的高能直接點火系統(tǒng)，為保證發(fā)動機(jī)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(dú)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。
2ECU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
如圖2所示，適用于六缸發(fā)動機(jī)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(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算和邏輯運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行采集。通過MCU增強(qiáng)型串行通訊模塊SCI可實現(xiàn)與PC機(jī)之間的通訊功能，進(jìn)行點火系統(tǒng)運(yùn)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(qiáng)型捕捉定時器提供了較強(qiáng)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(jī)轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行采集處理；另六個定時通道設(shè)置為輸出比較功能，用于六上汽缸的點火線圈初級電路的通斷電控制。
3ECU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(jī)曲軸位置信號為依據(jù)。曲軸位置信號通過安裝于凸輪軸每轉(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(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行本缸點火，這一角度被稱為點火延遲角，對應(yīng)的時間稱被為點火延時，對應(yīng)的計數(shù)器計數(shù)值Nd可根據(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(jìn)行點火能量的蓄積，還進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速較低，下一缸通電延遲時間大于控制周期期間（即Nt≥NG）時，則需在下一控制周期開始時首先進(jìn)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(jìn)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(jī)運(yùn)行工況，通過邏輯運(yùn)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5
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(jìn)入循環(huán)運(yùn)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(jìn)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(jī)運(yùn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行修正。如此便可使發(fā)動機(jī)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(jìn)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收、工作缸號確定及控制周期計數(shù)值計算等工作。然后進(jìn)行點火線圈的通斷電延時控制。當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jī)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(jìn)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。
以MC912DP256微控制器為核心的發(fā)動機(jī)高能直接點火系統(tǒng)一方面可實現(xiàn)點火時刻按發(fā)動機(jī)工況進(jìn)行最優(yōu)調(diào)節(jié)，另一方面利用MCU的增強(qiáng)型捕促定時器，可實現(xiàn)六缸發(fā)動機(jī)點火的獨(dú)立通道控制。而且，將輸入捕捉與輸出比較功能相配合，滿足了六個點火線圈初級電路通斷電的復(fù)雜時序控制要求。試驗結(jié)果表明，在其工作范圍內(nèi)的各種轉(zhuǎn)速工況下，都能獲得可靠的點火，無失火現(xiàn)象發(fā)生。
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