气动发动机的电控系统设计

摘要：文章介绍了基于ATmega16的气动发动机电控系统设计，经试验证明该电控系统可以实现对气动发动机的有效控制。文章设计了信号采集处理模块、电磁阀驱动模块和CAN通讯模块等的硬件电路，采用模块化方式的控制软件设计，并建立了基于CAN总线的网络通信平台以便系统扩展，还提出了完善电控系统的建议。
关键词：气动发动机；电磁阀；电控系统；CAN总线；ATmega16

0 引言
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、节能经济型的汽车相继涌现。它们有各自突出的优点，但同时也有相应的局限。而压缩空气动力汽车(Air-powered Vehicle)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便，而且它还具有结构简单、造价低廉、清洁环保等众多优点；可以实现零排放，是真正的环保汽车。
本课题将LF162MK改装成由电控系统控制电磁阀喷射压缩空气的气动发动机。本文进行了基于ATmcga16的气动发动机电控系统设计，该电控系统具有灵活、快速和准确等优点，能够实现对气动发动机各传感器的实时测量和对执行器的控制以及PC机上的实时监控。

1 气动发动机电控系统设计总体方案
气动发动机电控系统设计包括硬件设计和软件设计两部分，系统主要完成以下任务：实时采集发动机状态参数：实现对特征参数快速精确的计算；实时控制电磁阀喷气定时和喷气量；实现数据实时通讯。
气动发动机电控系统的设计要从系统检测和控制功能的需求出发，按以下要求进行设计：选择适当的信号采集方式，选用合理的传感器，准确地反映发动机各状态参数；选用合适的控制芯片，采用低功耗高性能的元器件，简化电路，提高控制精度；采用模块化设计方法；系统具有抗振动和抗干扰性能；驱动模块具有良好的可靠性和负载能力；适应车载发动机实际工作环境。

2 气动发动机电控单元硬件设计
电控单元(ECU)是整个气动发动机电控系统的核心。它由微控制系统模块、输入信号处理模块、功率输出执行模块和通讯模块等部分组成。ECU要完成的主要任务有：实时处理传感器采集的数据，并将采集的数据经A／D转换、滤波和整形放大，转换成单片机可以读取的标准信号；通过数学计算和逻辑判断制定出控制命令驱动执行器(高速电磁阀)工作，实现对喷气定时、喷气量的准确控制；实现CAN总线实时通讯任务，从而使发动机保持最佳运行状态。气动发动机电控系统总体结构如图1所示，包括ATmega16、信号处理电路、功率驱动电路、通讯电路及
传感器和执行器等，分别完成对气动发动机的实时检测、控制和监测的功能。

2．1 电控系统的核心微处理器
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。ECU作为整个电控系统的核心，它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。本课题选用ATMEL公司开发的ATmega16作为主芯片，它是一款低能耗、低电压、高性能的AVR系列微处理器。它具有强大的数据处理功能、丰富的外围接口和模块化的功能设计，完全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。