基于16位單片機的摩托車發動機控制系統開發

朱忠振，張振東，孫 猛

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

摩托車發動機是摩托車系統中的關鍵部件，其性能的好壞直接影響燃油消耗和排放污染［1］。目前，電控技術不斷發展，電控產品可靠性提高、成本大幅度下降，采用電控系統解決發動機的排放問題已成為現實的技術方案。單片機控制具有精密性、實時性、可靠性，其在發動機電控系統中已成為核心部件［2］。本文以某型125 mL單缸發動機二沖程化油器發動機為開發對象，設計摩托車發動機電子控制系統，并通過試驗對所開發控制系統的控制效果進行驗證。

1 電控系統設計和改裝方案

1.1 結構設計及改裝方案

對原化油器發動機進行電噴化結構改進，主要對燃油供給系統、進氣系統和點火系統進行了改進設計，在此基礎上完成傳感器、微處理器的選型以及執行器的匹配設計。根據發動機系統功能，電控系統硬件設計包括供油系統、進氣系統、點火系統以及控制單元。其中硬件包括傳感器、調理電路、16位單片機主控芯片、供電電路、傳感器信號處理電路、執行機構控制電路等多個模塊。

采用有回油的燃油供給方式，為電噴系統提供精確的燃油控制；改變原有機械式點火方式，用先進的IGBT晶體管式微機點火方式；發動機的進氣量用速度–密度法對其測量；匹配并安裝電噴發動機系統所必須的傳感器類型；采用氧傳感器配合三元催化器的空燃比閉環控制方案；改裝節氣門體，利用電子節氣門控制節氣門的開度；電噴改裝過程中，對電子節氣門、進氣溫度傳感器、進氣壓力傳感器、發動機溫度傳感器、電控噴油器、電動燃油泵、節氣門位置傳感器、氧傳感器、發動機轉速傳感器、三元催化器等傳感器安裝，所設計的改裝后電噴發動機系統結構如圖1所示。

圖1 改裝后電噴發動機系統結構

1.2 控制系統電路設計

控制系統電路由傳感器輸入信號處理電路、主控芯片、執行器輸出信號處理電路以及電源管理、上位機通訊等輔助電路組成，是控制系統軟件系統存儲的載體和控制程序運行的平臺［3］。

1.2.1 傳感器信號處理電路設計

傳感器輸出信號不能直接被采集設備讀取，需要進行放大濾波、隔離等調理后，送入微機進行數據采集。節氣門位置信號電路，選用的是線性量輸出型節氣門位置傳感器，該傳感器實質上相當于一個滑動變阻器，由于傳感器兩端供電電壓為5 V，所以主控芯片可以直接采集該信號，并經模數轉換成為有效參數。發動機溫度信號電路，選用的是負溫度系數發動機溫度傳感器，該傳感器實質上相當于一個自身可變電阻，其自身電阻值隨被測體的溫度上升而下降。進氣壓力信號電路，選用的是壓敏電阻型進氣壓力傳感器，該傳感器自身電阻隨外界壓力變化而變化，可以簡化為一個滑動變阻器。氧傳感器信號電路，選用加熱型氧化鋯式廢氣氧傳感器，該傳感器正常工作過程中根據廢氣中氧含量的不同輸出0～1 V電壓。曲軸轉速傳感器信號電路，選用磁電式曲軸轉速傳感器，該傳感器信號為發動機控制系統提供曲軸的運行轉速信息，同時還與進氣壓力傳感器共同作用，判斷發動機的工作沖程。油門位置傳感器的工作原理與節氣門位置傳感器的工作原理相同。進氣溫度傳感器的工作原理與發動機溫度傳感器的工作原理相同。

1.2.2 執行器控制電路設計

發動機控制單元噴油、點火模塊選用了Freescale技術公司專門為小型發動機管理系統開發的噴油、點火集成芯片MC33812；氧傳感器加熱控制電路，加熱氧傳感器加熱電阻絲時，需要較大的輸出電流，設計驅動電路使主控芯片達到該電流輸出要求，選用驅動芯片IRF7341設計氧傳感器加熱電路；電動燃油泵工作中也需要較大的驅動電流，需要設計同樣驅動模塊。節氣門電機控制電路，節氣門控制電機選用了伺服電機進行控制，設計向其發送PWM控制信號電路。

2 軟件程序設計

軟件程序是電噴發動機控制系統的靈魂和中樞神經，其利用傳感器采集的發動機實時信號，通過不同的控制邏輯和算法，最終控制執行器執行相應的控制操作，驅動發動機運行。控制軟件影響著響應速度、控制精度和穩定性［4］。

2.1 控制系統軟件原理

控制系統軟件程序采用經典的前后臺程序設計方法，后臺軟件為操作系統，是基于時間片管理的方法進行設計，是應用程序的運行平臺；前臺軟件為應用程序，是基于中斷響應的方法進行設計，它是控制發動機運行的具體程序［5］。前臺程序原理圖如圖2所示。

2.2 控制系統軟件程序

圖2 前臺程序原理圖

軟件設計充分利用了Freescale單片機豐富的硬件資源，采用模塊化設計技術和實時多任務控制機制。程序以模塊形式存在，各模塊間具有獨立功能，模塊間影響小，方便進行單獨調試，尋找問題所在。程序可以直接擴充。實時性要求較低的任務放在主程序中執行，主要包括發動機運行管理、控制量計算、故障診斷及通信管理等高層功能。實時性要求較高的任務則由相應的中斷程序執行，主要有數據采集控制、噴射時序控制、噴油驅動控制、點火驅動控制、通信接口等底層的硬件驅動功能。數據采集、噴油控制、點火控制、串行通信和系統高層管理等多個任務均按各自的執行頻率獨立運行。高層功能模塊與底層功能模塊通過RAM連接。

2.2.1 前臺應用程序設計

前臺應用程序包括發動機運行所需要的信號采集與處理、執行機構的輸出與控制等，是電噴發動機運行最直接的控制程序。整個軟件程序劃分為驅動層程序和算法層程序，三個主要的子模塊包括信號處理層、工況與參數更新層和發動機驅動層。其中信號處理層和執行器控制層子模塊可以認為是驅動層次，而工況與參數更新層則可以認為是算法層次，其結構與相互之間的邏輯關系如圖3所示。

圖3 前臺應用程序總體框架

2.2.2 MAP數據查詢與估計算法

發動機的MAP圖是在各種工況下所需的點火控制曲線圖，通過一系列傳感器，來判斷發動機的工作狀態，在MAP圖上找出發動機在此工作狀態下所需的點火提前角，按此要求進行點火。然后根據爆震傳感器信號對上述點火要求進行修正，使發動機工作在最佳點火時刻。

設計軟件程序時，采用二分法來搜索實時的發動機工作狀態。二分法查找又被稱為折半查尋，這是一種效率較高、實現容易的數據查找方法［5］。其基本的思想是：首先確定該數據區間的中間位置；然后將需要查找的值K與中間值M進行比較：如果數據相等，則查找成功，如果數據不匹配，根據需要查找的值與中間值的大小，確定新的查找區間，繼續按照二分方法查找，具體的程序流程如圖4所示。

（1）如果M＞K，則由表的有序性可知大于M的值也均大于K。因此，可以確定新的查找區間為小于M的部分，即M的左子區間，再依照二分法在新的區間內查找與目標值K相近的數值。

（2）類似的，如果M＜K，則要查找的K必在中間值M的右側數據中，即新的查找區間是M的右子區間。

圖4 二分法程序流程圖

二分法雖然方便、快速，但是這種方法只能夠查詢已標定的工況節點的充氣效率數據，對于非工況節點，無法獲得其相對應的值。對于這一問題，本文引入了另一種算法——四點插值算法。針對不在特定工況點上的數據，本文采用了被測點周圍4個節點的數據進行二次線性插值來計算該非標定工況點的數據。四點插值方法是一種快速、準確的數據估算方法，它是一種線性估測手段，適合于計算機對數據的處理。其原理如圖5所示，當知道被估測值附近的四個已知點的數值后，首先利用其中兩點，做線性一次方程，求出與被估測點相同橫坐標的兩點數據。再利用這兩點，通過線性插值求得與被測點相同的縱坐標，最終獲得被測點的數據。

例如，圖5中E工況點的充氣效率ηpE無法通過二分法得到，即可以按4點插值法通過以下幾個步驟計算求得：首先在轉速恒定的條件下，利用二分法查表取得的充氣效率值，通過第一次線性插值，求得：

圖5 四點插值算法原理圖

在求出與E點相同進氣壓力、不同轉速的F、G兩點的充氣效率ηpE、ηpG后，調節進氣壓力恒定、轉速不同，進行第二次線性插值，最終得到：

通過以上兩種算法，本文解決了軟件程序中針對MAP圖數據的查詢與計算問題，為電噴發動機控制系統提供了準確的控制參數［5］。

3 試驗驗證

根據采用的傳感器信號變化的特點，設計了一套針對控制單元目標功能進行驗證的傳感器信號模擬發生器，如圖6所示。它可以模擬發動機正常運行過程中各傳感器產生的信號，控制單元采集這些仿真信號后控制噴油、點火等執行器，以此來驗證控制系統的各項功能是否達到預期目標。傳感器信號模擬發生器共模擬了7種傳感器的信號輸出。其中，發動機溫度、進氣溫度、油門位置、電源電壓均采用電位計模擬傳感器信號，而對于曲軸轉速信號則利用電機帶動信號齒盤來模擬該信號。進氣壓力信號的變化基于轉速，即曲軸每旋轉兩周輸出一個周期的進氣壓力模擬信號。因此，在進氣壓力信號的模擬中，根據信號齒盤的轉速，在發動機吸氣沖程階段信號發生器內部芯片快速的輸出隨進氣壓力變化的仿真信號。氧傳感器輸出信號作為控制系統的一種反饋信號，很難對其進行模擬，所以本文在該信號的模擬過程中進行了簡化處理，僅以300 mV和800 mV電壓輸出作為混合器偏濃和偏稀的模擬信號，觀察控制單元噴油、點火等執行器的執行情況。傳感器信號模擬發生器的原理如圖7所示。選用的數據采集儀是奧地利德維創（DEWETRON）公司生產的多通道高精度數據采集儀。

圖6 傳感器信號模擬發生器

圖7 傳感器信號模擬發生器原理圖

整個功能測試的檢測系統結構如圖8所示，實驗中通過調節傳感器信號模擬發生器的旋鈕，輸出不同工況下的傳感器模擬信號，再由發動機控制單元接收并處理這些模擬信號，最終控制噴油、點火、電子節氣門等執行器。整個測試過程中，數據采集儀監測進氣壓力、發動機轉速以及噴油、點火等信號，以驗證控制單元的各項功能是否完成預定控制目標。

圖8 檢測系統結構圖

圖9 噴油、點火及轉速信號

測試過程中，調節電機轉速達到4 000 r／min且轉速穩定時，利用數據采集儀采集噴油、點火以及曲軸轉速信號，如圖9所示，圖中底端信號為電機的轉速信號，中間信號為點火信號，而頂端信號則為噴油信號。由圖9可以看到，各執行器均能夠按照軟件程序的預定設置準確執行相應操作，證明控制系統的各項功能開發成功，并為后續做進一步的研究做準備。

4 結束語

電控技術是摩托車發動機排氣凈化和燃油消耗控制的關鍵技術，是滿足國Ⅲ排放法規的有效技術方案。在我國摩托車市場中，電控系統的應用除了考慮技術的先進性外，還必須充分考慮其制造成本、可靠性以及安裝工藝性等多方面因素。由于條件限制，本文僅就控制系統的設計與開發進行了初步的探索，本研究結果可為摩托車發動機電控系統研究開發提供參考。

［1］ 劉長平.我國摩托車發動機的現狀與展望［J］.機電工程技術，2002，31（2）：18－19.

［2］ 張明峰.PIC單片機入門與實戰［M］.北京 北京航空航天大學出版社，2004：1－10.

［3］ 唐 程.電噴摩托車排放控制策略的應用研究［D］.天津：天津大學，2011.

［4］ 黃益政.單缸四沖程摩托車發動機電噴控制單元開發［D］.上海：上海理工大學，2013.

［5］ 陳 超.基于8位單片機的摩托車發動機電控單元軟硬件的開發［D］.北京：清華大學，2004.