一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统的制作方法

本发明涉及新能源汽车发动机控制技术领域，特别涉及一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统。

背景技术：

随着环境污染、能源危机等全球性问题的日益突出，代用燃料汽车、电动汽车和混合动力汽车等低排放、节能经济型的新能源汽车相继涌现。新能源汽车是指使用非常规车用燃料(或使用常规车用燃料但装载新型动力装置)，具有新技术、新结构和先进技术原理的汽车。其中纯电动汽车(bev)、混合动力电动汽车(hev)和燃料电池电动汽车(fcev)发展前景最为良好，也是目前国家大力推广的主要新能源车型。上述几种新能源汽车有各自突出的优点，同时也有相应的局限。压缩空气动力汽车是利用高压压缩空气在发动机气缸内膨胀做功，推动活塞做功对外输出动力，驱动汽车行驶。不仅压缩空气来源方波，而且还具有结构简单、造价低廉、清洁环保等众多优点，可以实现零排放，是真正的环保型汽车。

喷气压力对气动发动机转速有很大影响，因而需保证喷气压力稳定在合适的值，减少由于压力波动对发动机运行造成的不良影响；同时也需要对发动机运行参数实时监测，以便对喷气定时和喷气量能有效控制，使发动机运行更加稳定。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

为了解决上述问题，本发明提供了一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统，能够实时采集气动发动机各传感器参数，实现对特征参数快速精确的计算，准确控制电磁阀喷气定时和喷气量，并在上位机上对数据进行实时监控。

(二)技术方案

一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统，包括信号采集与处理单元、控制器单元、执行单元和can接口单元；

所述信号采集与处理单元包括曲轴/凸轮轴位置信号采集与处理部分和油门位置信号采集与处理部分，所述信号采集与处理单元与所述控制器单元相连接，采集的曲轴/凸轮轴位置信号和油门位置信号经处理之后送入所述控制器单元；

所述控制器单元对接收的数据进一步处理，输出分别与所述执行单元和所述can接口单元相连接；

所述执行单元与所述控制器单元相连接，接收所述控制器单元的指令，实现对喷气定时和喷气量的准确控制；

所述控制器单元通过所述can接口单元接入车载can总线，并与上位机进行数据通讯。

进一步的，所述曲轴/凸轮轴位置信号采集与处理部分包括曲轴/凸轮轴位置传感器和数字信号处理电路，其中所述曲轴/凸轮轴位置传感器选用霍尔式传感器。

进一步的，所述油门位置信号采集与处理部分包括油门位置传感器和模拟信号处理电路，其中所述油门位置传感器选用电位式传感器。

进一步的，所述控制器单元选用低功耗8位cmos微控制器atmega16。

进一步的，所述执行单元包括功率驱动电路和电磁阀；所述功率驱动电路包括光电耦合器、场效应管、插座、第一二极管、第二二极管和第一～第五电阻，其中所述光电耦合器选用tlp521-1，所述第一二极管为齐纳二极管，所述第二二极管为肖特基二极管；所述电磁阀选用高速电磁阀sp021。

进一步的，所述can接口单元包括can总线控制器、can物理接口芯片、石英晶振、第一和第二电容，其中所述can总线控制器选用mcp2515，所述can物理接口芯片选用tja1040。

(三)有益效果

本发明提供了一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统，能够准确检测出发动机的不同转速等各参数，执行单元工作可靠，具有良好负载能力，可准确控制电磁阀的喷气定时和喷气量，使发动机运行更加平稳，基于can总线建立的通讯平台能够实时监控发动机参数与状态，完成数据传输，其结构简单，成本低廉，系统功耗低，控制精度高，响应快速，稳定性和可靠性好，使用灵活，适应车载发动机实际工作环境，具有良好的可扩展性。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统的结构框图。

图2为本发明所涉及的一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统的功率驱动电路原理图。

图3为本发明所涉及的一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统的can接口单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的实施例做进一步详细说明。

如图1所示，一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统，包括信号采集与处理单元、控制器单元、执行单元和can接口单元；信号采集与处理单元包括曲轴/凸轮轴位置信号采集与处理部分和油门位置信号采集与处理部分，信号采集与处理单元与控制器单元相连接，采集的曲轴/凸轮轴位置信号和油门位置信号经处理之后送入控制器单元；控制器单元对接收的数据进一步处理，输出分别与执行单元和can接口单元相连接；执行单元与控制器单元相连接，接收控制器单元的指令，实现对喷气定时和喷气量的准确控制；控制器单元通过can接口单元接入车载can总线，并与上位机进行数据通讯。

曲轴/凸轮轴位置信号采集与处理部分包括曲轴/凸轮轴位置传感器和数字信号处理电路，其中曲轴/凸轮轴位置传感器选用霍尔式传感器。油门位置信号采集与处理部分包括油门位置传感器和模拟信号处理电路，其中油门位置传感器选用电位式传感器。

气动发动机电控系统具有多控制参数、控制算法复杂及实时控制等特点，不但要对发动机各数据信号采集和实时控制，还要处理各信号之间的关系以及喷气定时和喷气量的计算。另外，气动发动机电控系统的工作环境恶劣，要承受强烈的振动和强电磁干扰等，因此选用atmega16单片机作为主控制器。atmega16是一款低能耗、低电压和高性能的微处理器，具有强大的数据处理能力、丰富的外围接口和模块化的功能设计，完成可以满足气动发动机电控系统数据采集、处理、控制和通讯的需求。

为实现发动机实时检测和控制，传感器必须能够准确反映发动机的各状态参数，传感器的选型和传感器信号处理电路的设计是至关重要的。曲轴/凸轮轴位置传感器选用霍尔式传感器，它具有对磁场敏感、输出电压变化大和使用寿命长等优点。油门位置传感器选用电位式传感器，通过加速踏板绕转轴的转动，带动电位器触点的移动，使其输出电压在0.5～4.5v间发生变化。曲轴/凸轮轴位置传感器输出数字信号，后接数字信号处理电路，进行滤波、放大和整形，转换成标准的方波信号，分别输入到atmega16的输入捕捉(icp1)引脚和外部中断1(int1)引脚。而油门位置传感器输出模拟信号，后接模拟信号处理电路进行滤波后，输出接入atmega16的ad转换输入通道0(adc0)引脚。atmega16内部集成了8通道10位的逐次逼近a/d转换器，通过ad转换器可以将油门位置传感器的模拟信号转换成atmega16可以处理的数字量。经信号处理电路处理过的曲轴/凸轮轴位置信号，接到atmega16的icp1引脚和int1引脚，当相应电平变化时就会触发曲轴/凸轮轴中断，在中断函数中完成发动机转速计算，确定喷气定时以及结合油门位置信号的ad转换值计算喷气量等，并通过atmega16的pa7引脚输出信号控制执行单元。

如图2所示，执行单元包括功率驱动电路和电磁阀；功率驱动电路包括光电耦合器u1、场效应管q1、插座j1、二极管d1、二极管d2和电阻r1～r5，其中光电耦合器u1选用tlp521-1，二极管d1为齐纳二极管，二极管d2为肖特基二极管；电磁阀选用高速电磁阀sp021。功率驱动电路将atmega16输出的控制信号转换成电磁阀的控制量，实现对电磁阀执行相应操作的控制，高速电磁阀是整个气动发动机控制系统的执行器。由于喷射高压空气，而且要求在高速下完成电磁阀的开关动作，因此对它的响应时间要有特殊的要求。插座j1连接高速电磁阀，电磁阀一端连接电源，另一端连接场效应管q1漏极。场效应管q1起放大作用，u1是可编程控制的光电耦合器tlp521-1，将atmega16与电磁阀隔离，增加电路的安全性，减小干扰。当atmega16发出驱动信号，光电耦合器u1导通，齐纳二极管d1将场效应管q1的栅极电压稳定在12v，漏极电流增大，漏极电压被拉低。此时电磁阀线圈电流增大，线圈产生强大的电动势，电磁阀被打开。而当光电耦合器u1截止时，电磁阀关闭，线圈中电流变化很大，会产生反电动势。功率电阻r5和肖特基二极管d2与电磁阀并联，防止场效应管q1因反电动势而被击穿。

气动发动机电控系统是及其复杂的，不仅包括转速、油门位置等信号的采集处理，还要对电磁阀的喷气定时和喷气量完成精确控制。另外气动汽车上还包括abs、空调和灯光等模块，这些模块需要实时共享车辆的数据，以达到整车的最优控制。传统的电气控制系统已经不能满足当今电气控制网络的需要了，而can总线的数据通讯具有突出的可靠性、实用性和灵活性等特点，具有布线成本低、通讯速率高和数据传输精度高等优势。如图3所示，can接口单元包括can总线控制器u2、can物理接口芯片u3、石英晶振x1、电容c1和c2，其中can总线控制器u2选用mcp2515，can物理接口芯片u3选用tja1040。atmega16通过同步串行接口spi与mcp2515完成高速的全双工同步数据传输，mcp2515通过can物理接口芯片tja1040连接到车载can总线上，完成气动发动机电控系统与上位机的can通讯。

本发明提供了一种压缩空气动力汽车的发动机电控系统，能够准确检测出发动机的不同转速等各参数，执行单元工作可靠，具有良好负载能力，可准确控制电磁阀的喷气定时和喷气量，使发动机运行更加平稳，基于can总线建立的通讯平台能够实时监控发动机参数与状态，完成数据传输，其结构简单，成本低廉，系统功耗低，控制精度高，响应快速，稳定性和可靠性好，使用灵活，适应车载发动机实际工作环境，具有良好的可扩展性。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。