林漫琳

摘要：近年來，社會生活水平不斷提高，環(huán)境污染問題更加嚴重，技術研發(fā)力度不斷在增強。該文首先簡要闡述了氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設計總體方案，進而分別從總體結構設計、核心微處理器、信號采集模塊、信號處理模塊、功率驅動模塊、通訊模塊、軟件設計等方面分析具體的電控系統(tǒng)設計要點，構建形成基于CAN總線的網絡通信平臺，旨在全面提升電控系統(tǒng)的應用效果。

關鍵詞：氣動發(fā)動機 電控系統(tǒng) 傳感器? 研究

中圖分類號：TK172文獻標識碼：A??????? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Research on the Design of Electronic Control System of Pneumatic Engine

LIN Manlin

（Guangzhou Electromechanical Technician College， Guangzhou， Guangdong Province， 510435 China）

Abstract： In recent years， social living standards have been improving， environmental pollution has become more serious， and technological research and development efforts have been strengthened. In his paper， firstlyit briefly describes the overall design scheme of pneumatic engine electronic control system， and then analyzes the specific design points of electronic control system from the aspects of overall structure design， core microprocessor， signal acquisition module， signal processing module， power drive module， communication module and software design， so as to form a network communication platform based on CAN bus， the purpose is to comprehensively improve the application effect of electronic control system.

Key Words： Pneumatic engine; Electric control system; Sensors; Research

近年來，社會生活水平不斷提高、環(huán)境污染問題更加嚴重、技術研發(fā)力度不斷在增強，為了更好地貫徹節(jié)能環(huán)保的工作要求，相繼推出電動汽車、混合動力汽車等各種節(jié)能汽車，帶動汽車的經濟環(huán)保建設。其中，壓縮空氣動力汽車作為一種汽車類別，能夠充分貫徹節(jié)能環(huán)保的設計要求，有效應對環(huán)境污染問題。該文則對電控系統(tǒng)的改裝設計進行分析，最終制備形成基于電控系統(tǒng)控制電磁閥噴射壓縮空氣的氣動發(fā)動機。

1氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)設計總體方案

關于氣動發(fā)動機，相應設計電控系統(tǒng)，主要包括軟件設計和硬件設計兩個部分，旨在通過電控系統(tǒng)設計，完成發(fā)動機的實時監(jiān)控，獲取得到有關氣動發(fā)動機運行狀態(tài)的實際運行參數和運行效果，也正是通過獲取得到的特征參數，借助控制系統(tǒng)實現特征參數的計算和分析，還可以通過氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的作用，完成電磁閥噴氣定時和噴氣量的靈活把控，整個系統(tǒng)通訊過程也可以得到控制。

當設計氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)時，則需要合理分析系統(tǒng)檢測和控制功能的實際需求，切實保證氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)能夠更具針對性和可操作性。具體而言，首先，合理選擇傳感器和信號采集方式，借助傳感器自身的數據采集功能，完成發(fā)動機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和動態(tài)分析。其次，合理選擇元器件和控制芯片。無論是元器件，還是控制芯片，都會直接影響到氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的應用效果，想要提高控制精度，則需要盡可能簡化電路，選擇那些性能穩(wěn)定、功耗較低的元器件。最后，設計氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)采用模塊化設計方法，對信號采集模塊、信號處理模塊、功率驅動模塊、通信模塊一一進行設計和分析。

2系統(tǒng)硬件設計

2.1總體結構設計

氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件設計，則需要從整個氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的應用性能和功能需求出發(fā)，合理進行研究與分析。其中，電控單元始終發(fā)揮著重要作用，氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)電控單元不僅包括輸入信號處理模塊、功率輸出執(zhí)行模塊，同時還有通信模塊和微控制系統(tǒng)模塊，在系統(tǒng)硬件設計時，則需要從電控單元的各個模塊進行分析，完成更具針對性的功能設計。

首先，氣動發(fā)動機電控單元數據采集和處理功能。氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)電控單元不僅能夠完成傳感器采集數據的動態(tài)分析和處理，同時還可以將傳感器采集得到的數據信息進行A/D轉換，這些數據便可以直接構建形成便于讀取的標準信號。

其次，氣動發(fā)動機電控單元噴氣控制。信號轉換完成，在數學計算和邏輯判斷之后，便可以相應完成控制命令驅動執(zhí)行器（高速電磁閥）工作，也就是說，能夠準確控制噴氣量，還可以實現噴氣定時。

最后，氣動發(fā)動機電控單元控制整體穩(wěn)定性的效能。依托于氣動發(fā)動機電控單元的智能，可以完成CAN總線實時通信任務，切實保證發(fā)動機的穩(wěn)定運行狀態(tài)，將氣動發(fā)動機故障發(fā)生的可能性降到最低[1]。在氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)中，凸輪軸信號曲軸信號相應傳入數據、完成數字信號處理、油門位置相應傳入數據、完成模擬信號處理，數字信號處理和模擬信號處理結果一同輸入到主芯片，主芯片和監(jiān)控系統(tǒng)相互聯(lián)系和傳輸，經由主芯片將處理結果直接傳送到功率驅動電路中，進而到達電磁閥。

2.2核心微處理器

氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)具有多方面的特點，不僅能夠實現實時控制，而且具有較多的控制參數，控制算法也較為復雜多變。電控單元是氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的核心部件，能夠完成氣動發(fā)動機數據采集和數據處理的多重職能，也正是基于氣動發(fā)動機電控單元的作用，明確不同處理信號之間的關聯(lián)、計算噴氣量。需要注意的是，氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)自身工作環(huán)境較為復雜多變，也很容易受到外部環(huán)境的干擾，想要強化氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的應用效能，有效應對惡劣環(huán)境、形成較強的防振動和防強電磁干擾特性。在選擇芯片時，則采用ATmega16，選擇一款高效率、高質量、具有較強數據處理能力的芯片，能夠為后續(xù)各項工作的展開奠定良好基礎。ATmega16主芯片自身的數據處理能力較強，具備較為豐富的外圍接口，將其用于氣動發(fā)動機電控中圖分類號： 文獻標識碼：A??????? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00系統(tǒng)硬件設計，能夠更好地滿足數據采集和數據處理的需求。

2.3信號采集模塊

在對信號采集模塊進行設計時，則需要合理選擇傳感器。氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的數據采集和狀態(tài)控制主要是借助傳感器完成的，傳感器也會直接影響到電控系統(tǒng)的功能。無論是傳感器選型，還是設計傳感器信號處理電路，都需要從氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)自身應用情況進行分析，油門位置傳感器和曲軸/凸輪軸位置傳感器分別選用電位式傳感器、霍爾式傳感器，每一種傳感器的應用特點和應用效能也存在差別，對于霍爾式傳感器，又可以細分為開關型霍爾傳感器、線型霍爾傳感器，應用效果穩(wěn)定、可靠性佳，能夠廣泛適應復雜多變的社會環(huán)境，使用壽命較長。對于電位式傳感器，則可以借助踏板繞轉軸的作用，實現轉動加速踏板繞轉軸，在加速踏板繞轉軸轉動的同時，電位器觸點也會相應進行移動，輸出電壓也會相應受到影響，電壓波動始終保持在0.5～4.5 V之間。

通常而言，對于傳感器信號，一共包括兩種，分別是數字信號和模擬信號。包括曲軸/凸輪軸信號在內的信號則為數字信號，能夠在數字信號處理電路的作用下，先后完成濾波、放大、整形等多重功效，最終轉換形成方波信號，數據信號也更加安全可靠，方波信號能夠相應輸入到主芯片輸入捕捉（ICP1）引腳，還有部分方波信號相應輸入到主芯片外部中斷1（INT1）引腳。包括油門位置信號在內的模擬信號，則可以當完成模擬信號電路處理后，直接進行濾波，濾波結束便可以相應進行信號輸入，在主芯片AD轉換輸入通道0（ADC0）引腳[2]。

2.4信號處理模塊

在對氣動發(fā)動機的電控系統(tǒng)信號處理模塊進行設計時，主芯片已經集成ADC功能模塊，能夠直接在0-VCC的ADC完成電壓范圍的輸入與輸出?；贏D轉換器，便可以完成信號轉換的作用，讓模擬信號在AD轉換器的作用下，直接演變?yōu)楸阌趩纹瑱C處理的數字量，這些轉換完的數據量能夠直接保存在ADC數據寄存器當中。在對信號處理模塊進行設計時，還會應用到定時計數器，選擇和主芯片相契合的16位多功能定時計數器。借助16位多功能定時計數器的輸入捕捉單元，便可以完成外部事件的實時獲取，對于捕獲到的外部事件能夠以時間為單位，對外部事件進行記錄?；谝_ICP1，相應輸入后續(xù)的外部事件觸發(fā)信號，具體而言，引腳ICP1能夠相應對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行檢測，在檢測期間發(fā)現引腳邏輯電平變化明顯，這個時候輸入捕捉便會被同步激發(fā)，引腳數據也會相應拷貝、傳遞，引發(fā)中斷現象[3]。

設計氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)，當曲軸位置和凸輪軸位置信號完成電路處理后，則會直接接入到ICP1和INT1引腳當中，相應形成電平異常波動、進而實現曲軸、凸輪軸的中斷現象。對于凸輪軸中斷情況，則是基于凸輪軸中斷程序，對壓縮上止點位置進行科學分析與判斷。

2.5功率驅動模塊

功率驅動模塊是氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件設計中的重要組成部分，基于功率驅動模塊的作用，可以完成控制信號的動態(tài)轉換，經由單片機輸出的控制信號，可以直接在功率驅動模塊的作用下，轉換形成電磁閥控制量。想要保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定且安全，則需要合理設計與應用高速電磁閥。在氣動發(fā)動機控制系統(tǒng)中，高速電磁閥是核心執(zhí)行器，能夠直接影響到系統(tǒng)的運行效果和運行穩(wěn)定性。在對高速電磁閥進行設計時，還需要合理把控電磁閥開關動作和響應時間。在安裝電磁閥功率驅動模塊時，高速電磁閥、電磁閥線圈需要相應和電源進行連接，電磁閥線圈還需要和場效應管漏極進行連接。選擇不同的場效應管能夠起到不同的效用，一個合理的場效應管，能夠廣泛適用于各種電路、完成信號處理、減少電路干擾。在電控單元運行期間，則可以直接發(fā)出驅動信號、實現光耦導通。在功率驅動模塊設計時，同時選用D11肖特基二極管1N5819、R20功率電阻，將其和電磁閥進行并聯(lián)處理，切實避免出現場效應管被擊穿的情況。

2.6通信模塊

事實上，氣動發(fā)動機控制系統(tǒng)內部結構復雜多樣，無論是對油門位置信號進行采集處理，還是控制噴氣量，都需要謹慎對待，一旦設計不當，都會直接影響到氣動發(fā)動機控制系統(tǒng)的實際應用效能。在氣動汽車上，為了保證車輛正常行駛，同時還配備車輛燈光模塊、空調系統(tǒng)模塊等多個基本功能模塊，基于這些功能模塊的數據采集，完成車輛數據信息的獲取和分析，實現整車控制的作用。在對通信模塊進行設計時，則可以采用CAN總線。CAN總線數據通信可靠性強、穩(wěn)定性佳，將其應用于氣動發(fā)動機設計中，還可以減少成本投入，提高通信速率[4]。

3系統(tǒng)軟件設計

當對氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)軟件進行設計時，則需要秉持著標準化、模塊化的設計原則，保證功能穩(wěn)定和性能可靠，強化電控單元軟件自身的可拓展性和抗干擾能力，也正是依托于電控單元軟件的抗干擾單元，不僅能夠完成系統(tǒng)保護，還可以實現自我診斷的作用效果，予以氣動發(fā)動機一個安全穩(wěn)定的運行環(huán)境，將發(fā)動機故障發(fā)生的可能性降到最低。需要明確的是，氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)時效性要求較高，這就需要合理把控噴氣功能。當對電控單元軟件進行設計時，首先需要進行模塊初始化，然后再執(zhí)行主控模塊和中斷模塊的處理。特別是在初始化模塊環(huán)節(jié)，需要合理設置電控系統(tǒng)狀態(tài)參數、寄存器。

4系統(tǒng)調試

在設計完氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)硬件和軟件后，相應進行系統(tǒng)調試，對系統(tǒng)具有的應用性能進行分析。調試結束后發(fā)現，該氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)能夠達成設計要求，應用起來較為穩(wěn)定可靠，能夠實現快速且高效的參數檢測，各個功能模塊運行較為穩(wěn)定可靠，特別是功率驅動模塊，自身負載能力強、應用穩(wěn)定性佳，很少會受到外部環(huán)境的影響。通信模塊則可以完成系統(tǒng)化的發(fā)動機狀態(tài)監(jiān)控和參數傳輸分析。試驗同時發(fā)現，噴氣壓力、冷卻水溫、噴氣溫度等因素和氣動發(fā)動機保持著十分緊密的聯(lián)系，在噴氣壓力、冷卻水溫、噴氣溫度等因素發(fā)生變動的同時，氣動發(fā)動機轉速也會相應受到影響，這就需要加強研究，合理分析影響發(fā)動機運作的運行參數，切實保證發(fā)動機的穩(wěn)定性和安全性[5-6]。

5結語

綜上所述，對關于氣動發(fā)動機的電控系統(tǒng)設計展開分析具有至關重要的意義。該電控系統(tǒng)不僅應用起來較為簡單靈活，而且測量精確、使用壽命長。為了更好地保障氣動發(fā)動機的穩(wěn)定狀態(tài)，今后，則需要不斷加強對氣動發(fā)動機電控系統(tǒng)的設計和研究，合理把控各種發(fā)動機運行參數、提高技術應用效能。

參考文獻

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