（控制理论与控制工程专业论文）寒冷地区汽车预热器的研究.pdf

哈尔滨r 程人学硕士学位论文 摘要 在寒冷的冬攀，特别是在北方，许多人的汽车会因为没有车库而停放在 的室辩，两室辩澄度一般会达蓟零下卡死度葚至零下屁十度，懿鬃在这样豹 低温条件下启动机动车辆，不假不容易启动，而且对机动车的使用性能甚至 怒使焉寿命都会产生禳丈瓣受瑟影确。 本篇论文介绍了一种利用电热元件涞加热汽车的防练液，再利用水泵驱 韵黧蒸蕊耱稼冻液奁发葫穰季瑟鹱城之篾循环滚动，麸嚣达到趣蒸发动樵熬基 的。电热元件采用电磁感应加热原理，通过电磁感应线圈产生的高频交变磁 场在发热 搴( 铁，镶，键等) 馥袭嚣澎戏满滚，这些涡滚炎骚发热钵款惫毽敛 功，散发出热量，从而达到直接加热的目的。遮种加热方式的优点是：比直 接爝电隰丝热热方法豹热效率要蔫基诲多，赁以麴热时糊毙弱魄篷丝鹣鸯g 热 方法快很多，节省了能源。更僦得指出的是它是通过感碰线圈慢发热体产生 涡浚达翻热热豹嚣豹，扶嚣实瑰了发热俗霸主嘏路之润电气上麴隔褰，避免 了因绝缘的损坏而产生的漏电现象，提高了安全性。考虑到汽车停放在崖外 般缀赡找到2 2 0 v 赢魄邀源，奉装嚣袋曩汽车鸯荣的电甄柬为如热装蓬供 电，最大限度地方便了用户。另外，本装置还撼有无线遥控功能，让使用者 足不出户便糍控制车土麴加热装置。 关犍词：电磁感应如热；无线；预热器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sw ea l lk n o w , i nc o l dw i n t e r , e s p e c i a l l yi nn o r t ha r e a , t h et e m p e r a t u r eo f o u t d o o ri s10c e l s i u ss e a l e su n d e rz e r oe v e nr e a c h2 0c e l s i u ss c a l eu n d e rz e r o h o w e v e rm a n yp e o p l e sc a rw i l lp l a c eo u to ft h ed o o r j u s tb e c a u s et h e yh a v en o c a r p o r t t os t a r t u pt h ec a r si nt h i sw e a t h e ri sn o to n l yd i f f i c u l tb u ta l s oh a r m f u lt o t h ec a ra n ds h o r t e nt l l el i r eo f t h ec a r t h i st h e s i si n t r o d u c e st h em e t h o dw h i c hc a ns o l v et h i sp r o b l e mf o rt h ec a r t h ee l e c t r o m a g n e t i s mi n d u c t i o nt h e o r yt e l l su st h a tm u t a t i v em a g n e t i cf i e l dw i l l b ep r o d u c e dw h e n w ea d dm u t a t i v ec u r r e n tt ot h em a g n e tc o i l a tt h es a m et i m e ， i ft h e r ei st h ef e r r o m a g n e t i cs u b s t a n c e ( s u c ha si r o n ，n i c k e l ，c o b a l ta n ds oo n ) o n t h es i d eo ft h em u t a t i v em a g n e t i cf i e l da n dl e tt h em u t a t i v e m a g n e t i cf i e l d t r a v e r s e st h i sf e r r o m a g n e t i cs u b s t a n c e ，t h ew h i r l i n gc u r r e n tw i l lb ep r o d u c e di n t h ef e r r o m a g n e t i cs u b s t a n c e t h ew h i r l i n gc u r r e n t sf l o wi nt h ef e r r o m a g n e t i c s u b s t a n c ea n dp r o d u c eq u a n t i t yo fh e a tj u s tb e c a u s et h ef e r r o m a g n e t i cs u b s t a n c e h a sr e s i s t a n c e i nt h i sp a p e r , w eu s et h ef e r r o m a g n e t i cs u b s t a n c ea sh e a t e r s ow e c a nm a k et h eh e a t e rh e a tb yu s i n gt h em e t h o dw et a l ka b o u t i no r d e rt oh e a tt h e w h o l ee n g i n e ，f i r s tw eh e a tu pt h ea n t i f r e e z eo f t h ec a rb yu s i n gi n d u c t i o nh e a t e r , a n dt h e nw ed r i v et h ea n t i f r e e z et of l o wb e t w e e ne n g i n ea n dp i p e l i n e s ot h eh e a t o f t h ea n t i f r e e z ew i l lb et r a n s f e rt ot h ew h o l ee n g i n e t h ea d v a n t a g eo f t h em e t h o d i st h a ti th a sh i g h e re f f i c i e n c yt h a nu s i n gr e s i s t a n c eh e a t e r s oi th e a tf a s t e rt h a n u s i n gr e s i s t a n c eh e a t e ra n ds a v et h ee n e r g ys o u r c e s a b o v ea l lt h i sm e t h o d s e p a r a t e st h eh e a t e rf r o mm a i nc i r c l et h e r e b ya v o i d i n gc r e e p a g e i nt h ep a p e r ，w e c o n s i d e rt h a tw ec a nh a r d l yf i n dt h e2 2 0 va l t e r n a t i n gc u r r e n tp o w e r , w h e nw e p l a c eo u rc a ro u t d o o r s ow eu s et w oa c c u m u l a t o r so nt h ec a ra st h ep o w e ro ft h e d e v i c ea n du s et h ed ct oa ci n v e r t e rc o n v e r s ed i r e c tc u r r e n tt o2 2 0 va l t e r n a t i n g c u r r e n t c o n s i d e r i n gt h ec o n v e n i e n c eo ft h i s d e v i c ew ed e s i g nt h ew i r e l e s s 咯尔滨工程大学硕士学位论文 c o n t r o l l e rf o rt h ed e v i c e m l e nt h eo w n e rw a n t st oh e a tt h ec a r , w h a th en e e d st o d oi sp r e s st h es w i t c ho nt h er e m o t ed e v i c e k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t e r ；w i r e l e s s ：w a r m - u pd e v i c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：猹蝗 日期：瑚年月心日 嗡尔滨i ：张大学硕士学位论文 第1 章绪论 + 1机动车加装预热器的必要| 生 在寒冷的冬攀，特别是在j e 方，室夕 渥度一般会达到零下卡足度甚至零 下几十度，如果在这样的低温条件下启动机动车辆，不但不容易启动，而且 对机动车的使用燃熊甚至是使用鸯念都会产生很大的负瑟影响。般柬说， 解决的方法以下脊两种： o 将汽车放在车库当中。这样傲虽然解决了启动难款阍题，但怒另一个润 题却随之而采。我们知道，冬季下雪后，城镇街道般都会用箍或滁雪 剂来除雪，丽除雪剂的主要成分是盐，盐对金属有缀强的腐蚀性。当汽 车进入暖库詹，在车体上会凝结一层水雾，这些水雾与溅在车体上的除 雪剂棚结合，在暖库照适当的温度条件下，会腐蚀车体及其它部件，汽 车放程暖库黧的时间越长，旖蚀现象越严重。因此，在加拿大等发达国 家，人们通常不把汽率放在暖库里面。 o 对放在室外一个晚上的汽车避行预熟。 那么，为什么在低温条件下船动车辆前必须先预热呢? 首先，发动辊在低温条件下舞动是缀豳难的，特菊是在露天停放了整 夜的车辆，如果不事先采取预热措施更是难以起动。众所周知，发动机启动 时，必颓预先依靠夕争界的麓量转动曲轴，使褥在激动祝静汽缸雨密现最裙的 可燃混合气，并进行最初的压缩过程，从而使得发动机运转起来。发动机温 液低对，润滑税滴的精度增大，锯个运凄部俘陵漱度下酶两投缩不一造成运 动阻力加大，当外界给发动机的启动能量不足时，发动机就难于扁动，甚至 不麓寤动。经话变，在低滠获惫下，发动季氕癌动功率静大约6 0 怒消耗在克 服活塞、遣杆、曲轴等零件摩擦的运动阻力上的， 而消耗在空气压缩上的只 占一枣部分。对予柒滴发秘撬寒说低温囊翻难静阏题燹为突击。柴漓税瓣点 火系统一般是压燃式，不需要火花塞。 稳静温度饔室努豹溢瘦必然是一致斡， 汽车在室外放置较长的时间后，发动 聚鞭室癸冷空气遴入菠动辊后溢菠不 会有很大的变化，这些未经加热的冷空气同经喷油嘴喷入燃烧室的雾化柴油 l 哈尔滨j ：程人学硕+ 学位论文 混合后形成的可燃混合气的温度也较低，这就造成可燃混合气不容易被压燃， 从而使柴油机启动较困难。为了减少发动机启动时的运动阻力，目前广为使 用的方法是往散热器里加入热水或用汽油喷灯及其他方式对曲轴箱底部进行 烘烤。若用汽油喷灯烤车，一般若达到发动机能够发动，需要用汽油1 5 公 斤，天长同久，不但浪费大量汽油，而且还存在着热量损耗大、安全性差和 易发生火灾的缺点。另外，可使用防冻机油或添加防冻荆，可在一定低温条 件下起到一定的作用，然而，随着发动机的运转温度逐步升高，润滑防冻机 油变稀，从而降低密封和润滑性能。 其次由于低温起动困难，往往需要重复多次才能发动，必然会浪费许多 燃油。经过测试，发动机温度为0 时，如果依靠发动机自身的工作使其温 度升高到4 0 大约需要1 升的汽油，使温度由2 0 升高到4 0 大约耗油o 8 7 升。如果采取一定的预热措施将发动机的温度升高到4 0 不但能够节省燃 油，而且起动也会比较容易。 再次，由于低温条件下发动机油底壳中的机油粘度大，这样在起动之后 的一段时间内，发动机气缸与气缸曲轴上的各卜摩擦点处的给油要求难以满 足，这会加速发动机的磨损。据有关资料显示，发动机在零下5 摄氏度启动 一次，气缸的磨损量相当于汽车正常行驶三百里的磨损量。如果一台汽车在 一个冬天里冷启动了一百次，其磨损量就相当于f 常行驶了三万公罩。这样 时间长了会严重影响发动机的使用寿命。 1 2 国内外汽车预热器的发展 从汽车诞生的那一刻起，冷启动难的问题便一直困扰着设计7 币, f r 。如前 所述，最原始的方法是用热水或者明火对发动机进行预热，但这种方法的缺 点很多。于是人们研制出了防冻机油，这种方法在某种程度上解决了启动时 的摩擦阻力问题，但是这种机油在温度变高时会变稀，又降低了密封和润滑 性能。经过多年的研究和发展，很多汽车上都安装了种类不同的预热器，而 如何提高汽车预热器的性能也成为了一个新的课题。 目前，国内外汽车预热器从概念上分为局部预热和整体预热两种。下面 分别对其作简要阐述： 2 哈尔滨l ：程人学硕十学位论文 1 2 1 局部预热 所谓的局部预热是指在发动机体内安装电热元件或者利用车载燃油在特 定部位燃烧产生热量来对发动机的一部分进行预热。这种预热方法多采取在 进气管内加装空气预热器及在发动机的燃烧室中安装热电阻丝。 空气预热器的其中一种是依靠绕在预热器阀体上的加热线圈通电产生的 热量来预热进入进气管内的空气，、使得从外部进入的冷空气的温度升高为适 合于发动机启动的温度。德国的奥迪1 0 0 型轿车就是应用的这种方法，只不 过它是用p t c 正温度系数陶瓷热敏电阻作为加热元件，由于奥迪1 0 0 型轿车 使用的是汽油发动机，p t c 正温度系数陶瓷热敏电阻安装在发动机的进气歧 管里，这种方法能在发动机启动后，短时间内迅速对可燃混合气进行有效的 预热，使汽车的低温起动性能大为改善。空气预热器的另外一种是利用车载 燃油在特定部位燃烧产生热量来对发动机的一部分进行预热。例如斯达一斯 泰尔汽车和五十铃c v r l 4 6 型载货汽车均采用这种预热方式，利用红热的电热 塞点燃由电磁阀向进气歧管内喷射的高压雾化柴油以达到对进气进行预热的 目的。具体过程为：先对预热塞进行预热，等到预热塞达到预定温度时，丌 始向进气歧管内喷入雾化柴油，雾化柴油与空气混合后形成易燃混合气，由 于预热塞此时处于红热状态，它会立即点燃混合气对进气空气进行预热。同 样，依维柯也是采用的这种方法，只不过它为雾化柴油专门提供了一个燃烧 室，易燃混合气在燃烧室内进行燃烧从而达到加热进气的目的。由于这种方 法在工作时会产生火焰故也称其为火焰式汽车预热器。 我们前面提到的在发动机的燃烧室中安装热电阻丝也属于局部预热方 法。例如日野f c l 6 6 汽车，该型汽车配备w 0 6 e 型6 缸柴油发动机，通过在发 动机各缸燃烧室的顶部安装预热塞，用蓄电池加热预热塞韵电热丝，以迅速 提高燃烧室的温度从而提高汽车的冷启动性能。 如上所述，局部预热虽然可以解决发动机的低温启动问题，但是这种方 法也存在缺陷，它只能单一的对进入发动机的空气或者燃烧室进行预热，而 不能对发动机的整个机体进行有效的预热，因而预热效果差、预热时削长。 有时，长时间预热也不能使发动机达到启动所需的温度，影响发动机的正常 使用。 r 哈尔滨工程人学硕十学位论文 1 2 2 整体预热 我们知道，发动机的整机温度对启动有着重要的影响。由于低温条件下 发动机油底壳中的机油粘度大，这样在起动之后的一段时间内，发动机气缸 与气缸曲轴上的各个摩擦点处的给油要求难以满足，这会加速发动机的磨损， 所以在启动前除了对进气和燃烧室进行预热外还必须对发动机的润滑机油， 活塞等部件预热，而局部预热方法不能很好地解决这个问题。整体预热方法 应运而生，该方法通过预热器的工作对发动机的整体包括近气管、燃烧室、 活塞、机油等等都进行了预热，使得发动机的低温启动性能进一步提高。加 拿大合作，哈尔滨海阔电器有限公司研制的海阔牌发动机预热器便是其中的 代表。它利用2 2 0 伏电源，通过加热防冻液来提高发动机的温度。 目前，关于汽车预热器的研究工作集中在如何提高预热器的效率上，例 如，寻找新的材料使得安装在发动机上的预热塞能够更快的达到预定的温度， 并且使用寿命长等等。 1 3 电磁感应加热方法 本篇论文介绍了一种基于海阔牌h k 0 3 型汽车预热器利用电热元件来加 热汽车的防冻液来提高发动机的温度的方法，并对其进行了改进。论文只讨 论了控制和加热部分，对水泵和电动机及安装方法不做论述。 不同于常见的预热器用通电加热电阻丝束预热发动机的是，本文介绍的 预热器是采用电磁感应加热原理，通过电磁感应线圈产生的高频交变磁场在 发热体的表面形成涡流，这些涡流克服发热体的电阻做功，散发出热量，从 而达到直接加热的目的。这种加热方式的优点是：比直接用电阻丝加热方法 的热效率要高出许多，所以加热时间比用电阻丝的加热方法少很多，节省了 能源。更值得指出的是，它是通过感应线圈使发热体产生涡流达至t j j j , q 热的目 的，从而实现了发热体和主电路之间电气上的隔离，避免了因绝缘损坏而产 生的漏电现象，提高了安全性。 考虑到汽车停放在室外一般很难找到2 2 0 v 市电电源，而每台汽车上都装 有蓄电池，本装置采用汽车自带的蓄电池来为加热装置供电，最大限度地方 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 便了用户。另外，本装置还具有无线遥控功能，让使用者足不出户便能控制 车上的加热装置。 1 4 论文结构安排 本论文共分为四章，其结构安排如下： 第1 章：阐述了北方寒冷地区机动车加装预热器的必要性，以及国内外 预热器的发展趋势，并简要给出了电磁加热方法。 第2 章：重点介绍了电磁加热系统的硬件和软件的设计。 第3 章：为了方便用户使用，特为预热器设计了无线电遥控功能。本章 着重介绍了无线电遥控器的原理，硬件构成和软件设计，并简要介绍了核心 芯片的使用方法。 第4 章：本设计采用了l p c 9 0 0 系列单片机，该单片机支持i s p 在系统编 程( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) 功能，编程时不需要将微控制器( m c u ) 从系 统目标系统中移出，在结合系统中一系列内部的硬件资源可实现通过串口对 微控制器的编程。此功能主要是便于用户升级系统，本章介绍了相应的硬件 电路和进入i s p 模式的三种方法及注意事项。 5 哈尔滨上程人学硕士学位论文 第2 章电磁感应加热器 2 1 基于海阔预热器的改进措施 2 1 1 海阔牌汽车预热器 图2 1 所示为海阔牌h k 0 3 型发动机预热器( 图2 1 a 是预热器外形，图 2 1 b 是预热器内部结构) ，它是海阔公司与加拿大合作研制的。海阔牌汽车 预热器利用2 2 0 伏电源，通过加热防冻液来提高发动机的温度。预热器由电 热元件、水泵、电动机和温控元件组成，串联于发动机和水箱管路上。电热 元件加热防冻液，水泵驱动加热后的防冻液在发动机和水箱之间循环流动。 温控元件在水温达到7 0 摄氏度时会自动切断电源。当发生干烧时，温度保险 会防止火灾的发生。 图2 1 海阔牌h k 0 3 型发动机预热器 图2 2 海阔牌h k 0 3 型发动机预热器安装位置 图2 2 为海阔牌h k 0 3 型发动机预热器安装过程的截图，可以看到预热器 是通过在车内防冻液循环通路上截掉一段等长的距离，然后将预热器串联在 6 哈尔滨j 一程人学硕士学位论文 管路上的。这样做使得人们在安装时不必在车体上钻孔，不必另外加胶管， 而且不受车型限制，适用于任何水冷式发动机。 2 1 2 三点改进措施 在对海阔牌预热器进行细致地了解后，经过认真考虑，提出了三点改进 措施： 用车载蓄电池作为预热器的供电电源。 我们知道，般来说在室外是很难找到2 2 0 v 电源的。经过调查，很多车 主都是从自家的阳台悬挂下一条很长的电源线，晚间停车时尽量将车停在靠 近电源线的地方。这样做固然可以，但是楼层一高电源线太长的问题便显现 出来。用车载蓄电池作为预热器的供电电源可以解决这个问题，但是这个方 法是否可行呢? 也就是说蓄电池内存储的能量能否将水箱旱的防冻液升高到 一定的温度从而加热发动机呢? 下面我们来定性的分析一下： 首先我们通过逆变器将蓄电池的1 2 v 直流电逆变为2 2 0 v 的交流电，我们 知道，与电源逆变器配套的蓄电池，一般以安培时( a h ) 为电量计量单位。 根据经验，用蓄电池的容量除以电器功率再乘以1 0 即为电源逆变器所带电器 的可使用叫舡j 。例如，用8 0 a h 的黼电池带一台1 0 0 瓦的电视的使用时问为： 8 0 a n 1 0 0 瓦1 0 = 8 小时 ( 2 - 1 ) 设计中我们选用1 i o a h 的蓄电池，预热器的功率定为1 0 0 0 瓦，则根据公式可 得使用时间为1 1 小时。再根据公式： p ：一w ( 2 2 ) f 得到，在i 1 小时内逆变器提供的能量是： 缈= 尸x t = 1 0 0 0 1 1 x3 6 0 0 = 3 9 6 x 1 0 6 t ，( 2 - 3 ) 我们知道，水的比热容是4 2 1 0 3 ，堙c 。，即一千克水温度升高1 需 要的能量是4 2 1 0 3 ，。汽车的水箱容积一般是5 1 0 升，通常2 0 排量的车 有7 9 升，这里我们取l o 升。由物理知识可知1 0 升水的质量是l o 千克。通 过计算可得3 9 6 x 1 0 6 ，的能量可以使l o 千克的水温度上升9 4 摄氏度。按照 室外气温零下2 5 摄氏度来计算，可以将水温上升到零上6 9 摄氏度。目j 狮汽 7 哈尔滨_ _ l _ = 程大学硕士学位论文 车的防冻液都是用乙二醇加水混合而成，这种混合液体的比热容和密度都要 比水低( 视比例而定) ，考虑到低温状态下蓄电池的放电能力下降和电磁加热 器的效率问题，实际水温的升高要低一些。这个问题可以通过在车上加装一 个蓄电池来解决，也就是说用两个蓄电池来为预热器供电。 用电磁加热方法代替电阻丝加热方法。 海阔预热器采用的是用电阻丝来加热防冻液，用这种方法加热存在不少 缺点：加热效率低、电阻丝容易损坏、电阻丝浸没在防冻液里会产生漏电现 象。电磁感应加热方法是目前新兴的加热方法，它加热效率高而且水电分离， 从根本上消除了漏电现象。 加装无线电遥控装置。 由于预热器改用车载蓄电池供电，所以预热器的开关必然安装在车上。 车主的愿望是进车即能启动车辆，而不是呆在车里等待预热完毕。考虑到这 一点，本设计中加入了无线电遥控装置，使得车主在家中即可控制预热器工 作。 2 2 电磁感应加热原理 涡流 图2 3 交变电流产生涡流示意图 根据电磁学相关知识可以知道，由于铁，镍，钴等铁磁材料是导体，因 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 此当交变的磁通通过这些材料时，会在材料内部产生感应电流，此电流称为 涡流，如图2 3 所示。涡流将使铁磁材料发热并消耗能量，称为涡流损耗。 本设计中，我们通过由电容，电感和高频开关组成的震荡电路，在电感内部 产生高频的交变电流。根据电磁原理，这个交变的电流会产生高频的交变磁 通，这个高频的交变磁通通过用铁磁材料制作成的发热体后，在发热体内部 产生涡流来达到加热的目的。 预热器利用车载逆变器将汽车的电瓶中存储的电能变为2 2 0 伏交流电， 通过加热防冻液水来提高发动机的温度。预热器出电热元件、水泵、电动机 和温控元件组成。串联于发动机和水箱管路上。电热元件加热防冻液，水泵 驱动加热后的防冻液在发动机和水箱之间循环流动从而达到加热发动机的目 的。温度检测元件在水温达到4 0 摄氏度时会通知控制器停止工作。 2 3 电磁感应加热器硬件设计 图2 4 电磁感应加热器框图 9 哈尔滨：l ：程人学硕士学位论文 按照电磁感应原理，我们设计出了本论文中的加热器，图2 4 给出了电 磁感应加热器的框图。它是由电源回路、主回路、单片机控制电路和保护电 路等单元电路组成。它的工作原理是：首先，将出车载逆变器产生的2 2 0 伏 交流电转换成3 0 0 伏左右的直流电压，再通过由谐振电感和谐振电容组成的 并联谐振电路加到i g b t 上，此i g b t 受驱动信号的控制而导通和截止，从 而在励磁线圈中有高频电流流过，在谐振线圈的周围将产生高频磁场，这个 高频磁场在加热元件内部产生涡流，此涡流克服加热元件内阻流动时将电能 转换成热能使得加热元件发热，从而加热防冻液。下面对框图中各部分作详 细说明： 2 3 1 主回路 如图2 4 所示，i g b t 是受矩形脉冲驱动的，当i g b t 导通时，流过励磁线 圈的电流迅速增加；当i g b t 截止时，l 、c 回路发生谐振，i g b t 集电极产生脉 冲高压，当此高压降至接近电源电压时( 励磁线圈中电流正在反向减小时) ， 驱动脉冲再次j j h 至t j i g b t 的基极，使i g b t 再次导通。矩形脉冲驱动信号的脉宽 决定了电磁加热器负荷电流的大小。 2 3 2 同步电路和缓冲电路 图2 5 同步和缓冲电路 1 0 路 哈尔滨工程火学硕十学位论文 同步电路严密监视主回路的工作状况，当开关管( i g b t ) 的集电极电压 下降至接近电源电压时，输出一个触发脉冲强行使振荡电路开始下一个周期 的振荡，并使i g b t 导通，这样可以避免励磁线圈中的电流瞬间变化太大，保 护了关键部件i g b t 。 缓冲电路输出矩形驱动脉冲，此矩形驱动脉冲加到集成驱动电路t a b 3 1 6 ， 控$ 1 j i g b t 的导通和截止，f 常工作时该矩形脉冲的上升沿时刻受同步电路的 强行控制，以确保与主回路l 、c 谐振电路同步。 由图2 5 可知，同步电路由l m 3 3 9 一d 和r 6 一r 1 0 ，d 2 组成；缓冲电路则由 l m 3 3 9 一c 和r 1 l ，r 1 4 ，c 1 4 ，d 4 等组成。同步电路不仅对驱动脉冲的形成起 到非常重要的作用，而且确保缓冲电路l m 3 3 9 一c 第1 4 脚输出的驱动脉冲与高 频振荡电路的振荡频率同步，否则电路难以工作，i g b t 也容易损坏。同步电 路l m 3 3 9 一d 的同相输入端第1 1 脚输入的基准电压，是电源电压经过电阻( r 7 和r 8 ) 的分压后得到的；i g b t 集电极的震荡电压通过电阻( r 6 和r i o ) 的分 压后输入至l m 3 3 9 一d 的反相输入端第1 0 脚，经过l m 3 3 9 一d 的比较和整形，其 第1 3 脚输出规则方波。该方波经过r 9 输入至缓冲电路l m 3 3 9 一c 的第9 脚。 那么，l m 3 3 9 一c 输出的驱动脉冲是怎样随功率电平的大小而变化呢? 功 率调节电平通过r 1 4 输入至l m 3 3 9 一c 的第9 脚该电平与l m 3 3 9 一d 的第1 3 脚上拉电压叠加。功率调节电平越高，l m 3 3 9 一d 的第1 3 脚输出的脉冲波幅度 越大，c 1 4 的充电时间越长，l m 3 3 9 一c 的第1 4 脚输出高电平的时间越长。当 i g b t 由导通变为截止时，l 、c 回路发生谐振，i ( j b t 集电极产生脉冲高压。 此时，比较器l m 3 3 9 一d 的反相输入端的电压大于同相输入端的电压，比较器 第1 3 脚输出低电平，而l m 3 3 9 一c 的第9 脚也随之变为低电平，l m 3 3 9 一c 输出 端第1 4 脚跳变为低电平，c 1 4 所充电压经过d 4 ，r 9 快速放电。由于d 4 的存 在，l m 3 3 9 一c 的第8 脚始终比第9 脚的电平高，故l m 3 3 9 一c 的1 4 脚输出低电 平。当电路由截止变为导通时，比较器l m 3 3 9 一d 的反相输入端的电压小于同 相输入端的电压，比较器第1 3 脚输出高电平，而l m 3 3 9 一c 的第9 脚也随之变 为高电平，由于c 1 4 两端的电压不能突变，l m 3 3 9 一c 输出端第1 4 脚跳变为高 电平，随后+ 1 2 v 电压经r 1 1 向c 1 4 充电，d 4 反偏，l m 3 3 9 c 输出端第1 4 脚 维持高电平，丌关管处于导通状态。当c 1 4 所充电压上升至高于l m 3 3 9 一c 的 第9 脚电压时d 4 正偏，l m 3 3 9 一c 输出端第1 4 脚翻转，跳变为低电平，开关 1 1 嗡尔滨l ：矬大学硕士学位论文 管由导通变为截此状态。功率调节电平越高，c 1 4 充电至此电平的时间越长， l m 3 3 9 一c 竣出端第1 4 嬲绦特毫电乎魏时阉越长，壤即开关管在一个震期波导 通的时间越长，加热的功率也就越大。 同步电路确缳驱动脉滓与裹频振荡曦路的援游频率疑步，奁电路宙零逶 变为截止时，会发生并联谐振，根据并联谐振原理，i g b t 集电极电压在缀过 默砖高压厩会下降，当此电压降援接近电源电压融( 励磁线圈中魄沆正在反 向减小时) ，比较器l m 3 3 9 一d 的及相输入端的电愿小于嗣相输入端的电压， 使得比较器输出麓电平，这令毫魄平加到l m 3 3 9 一c 的第g 脚，搜褥l m 3 3 9 一e 的第9 脚的电压大于第8 脚的电蕊，l m 3 3 9 - c 的1 4 脚输出高电平，强迫i g b t 由截止变为导遥。从两确保了驱动脉冲与态频摄滋电路掇荡频率瓣嗣步。 2 3 。3q 1 温度检测电路 该电路时刻采集i g b t 的工作濑度，并且将温发信号转变成为电信号，由 革片祝进行采集，一旦溢鹰过高，单片机会立即佟出响应，停止输出功率调 节电平，保护i g b t 不被烧坏。如图2 6 所示，r 1 4 和r t l 构成了分压电路，其中 r t l 为燕敏电阻，我们知邋，热敏电阻是幽对温度非常敏感的半导体陶瓷瓒工 作体构成的元件，它的阻值会随豢温度的变化而变化。图示电路当中，当瀑 度灞加或减少的嚣寸候，电阻r t l 的隧值使会发生交化，根攒分压电路的原邂， r 1 4 上的电压v l 也随着温度的增加或减少而变化。我们通过热敏电隰的特性越 线可以壹褥萁在浆温度下的阻值，雳这个阻值可以非常简单的计算出菜溢度 下r 1 4 所分得的电压。微控制器工作时，不断地枪测v 1 ，一旦发现 贝i 得的电 压眈计算的电压低，就立郎停止工作，从丽达到僚护的目的。 t e ：m p 】 + 5 v 图2 6q z 温度枪测电路 1 2 哈尔滨工程大学硕士学能论文 2 3 4 发动机温度检测电路 该电路时刻监视发动机的温度，并且将温度信号转变成为电信号，由单 片机进行采集，在检测到发动机温度达到正常启动温度( 4 0 摄氏度左右) 后， 停止输出功率调节电平，关掉加热器。电路形式如图2 7 所示，r t s 矛n r t 2 构成 了分压电路，其中r t 2 为热敏电阻，电路的工作原理与q 1 温度检测电路相同， 通过检测v 2 来确定发动机温度。 t e m p 2 + 5 v 2 3 5 过压保护电路 图2 7 发动机温度检测电路 该电路严密监视i g b t 集电极电压，一旦电压过高立即停止输出驱动脉 冲，令i g b t 截止。该电路全部由硬件实现的，因此保护速度极快。下图为i g b t 过压保护电路的具体电路图： 图2 8 过压保护电路 通过l m 3 3 9 集成比较器实现了对i g b t 集电极的过压保护，通过图2 8 我们可以看到，5 伏电源经过两个电阻( r 2 和r 4 ) 的分压接到了l m 3 3 9 的同 1 3 哈尔滨j 二程大学硕士学位论文 相输入端( u 1 b - 7 ) ，这个电压会作为过压保护的门槛电压。同样，i g b t 的集 电极电压亦通过电阻( r 3 和r 5 ) 的分压接到了比较器l m 3 3 9 ( u 1 b 一8 ) 的反 相端，时刻监视着集电极的电压变化情况。当i g b t 工作在正常状态下的时候， 反相端的电压经过分压后，其电压值小于同相端的门槛电压，由比较器的原 理我们可以知道，此时比较器输出高电平，震荡电路可以e 常工作。一旦i g b t 集电极电压过高，造成比较器反相端的电压大于同相端的电压这时比较器 输出低电平，这个低电平使缓冲电路停止工作，强迫i g b t 关断，从而达到了 保护i g b t 的目的。 电路中的两个电容( c l o 和c 1 1 ) 的作用是滤波，会滤掉同相输入端和反 相输入端的电压干扰，这样会提高电路的抗干扰能力。 2 3 6p 8 9 l p c 9 3 5a d 和d a 功能 如上所述，在电磁感应加热器的电路的同步电路部分需要一个功率给定 电平，以便根据给定电平的高低来改变加热器的功率，这就需要微控制器具 有d a 输出功能；同时电路中需要采集i g b t 和发动机的温度，也就是说微控 制器还得需要a d 采集功能，鉴于l p c 9 0 0 系列单片机的特性：同一个通道中 a d 和d a 不能同时起作用，而发射机和接收机中采用的微控制器p 8 9 l p c 9 2 5 只有一个a d ，d a 通道，所以不能继续采用p 8 9 l p c 9 2 5 。这里我们选择 p 8 9 l p c 9 3 5 ，它和l p c 9 2 5 功能基本相似只是含有2 个a d 和d a 通道，这就 满足了系统设计的要求。现在介绍p 8 9 l p c 9 3 5a d 和d a 的用法。 p 8 9 l p c 9 3 5 含有2 个8 位、4 路逐步逼近式模数转换模块，共用一个控制 逻辑。a d 转换器的原理框图见图2 9 。每个a d 转换器由一个4 输入多路转换 器组成。多路器的输出通过采样一保持电路，为两个比较器提供一个输入信 号。控制逻辑连同逐次逼近式寄存器( s a r ) 来驱动一个数模转换器，为比较 器提供另外一个输入。比较器的输出又回至u s a r 。 以下为其主要特性： 2 个8 位4 路输入的逐次逼近式a d 转换器，共用一个控制逻辑。 每个a d 转换器包含4 个结果寄存器。 在3 3 m h z 的a d c 时钟下，8 位转换时间 3 9 u s 。 1 4 哈尔滨l 程大学硕十学位论文 中断或查询操作 图2 9a d c 原理框图 6 种工作模式 一固定通道，单次转换模式 一固定通道，连续转换模式 一自动扫描，单次转换模式 一自动扫描，连续转换模式 一双通道，连续转换模式 一单步模式 4 种转换肩动模式 一定时器触发起动 一立即起动1 一边沿触发 一两个转换器立即起动 边界限制中断 d a c 输出到高输出阻抗的i o d 时钟分频器 掉电模式 】5 哈尔滨：程大学硕士学位论文 2 3 6 1a o 工作模式 固定通道，单次转换模式 选择单个通道进行转换。执行单次转换并将转换结果存放到所选输入通 道对应的结果寄存器中( 见表2 1 ) 。如果中断使能，转换完成后产生中断。 利用a d i n s 寄存器来选择输入通道。通过篝位a d m o d a 寄存器的s c a n x 位来选择 该模式。 表2 1 固定通道单次转换、自动扫描单次转换和自 动扫描连续转换模式的输入通道和结果寄存器 输入通道 结果寄存器输入通道结果寄存器 a d 0 0a d o d a t oa d l oa d i d a t o a d 0 1a d o d a t la d l la d l d a t l a d 0 2a d o d a t 2a d l 2a d l d a t 2 a d 0 3a d o d a t 3a d l 3a d l d a t 3 固定通道，连续转换模式 选择单个通道进行连续转换。转换结果顺序存放在4 个结果寄存器中。如 果中断使能，完成4 次转换后产生中断。其它多于4 个的转换结果再循环存放 n 4 个结果寄存器中，将之前的结果覆盖。连续转换过程由用户终止。通过置 位a d m o d a 寄存器的s c c x 位来选择该模式。 自动扫描，单次转换模式 选择4 输入通道的任意组合进行转换，通过置位a d i n s 寄存器的位来选择 相应的通道。转换按照a d i n s 寄存器l s b n m s b 方向选择的通道进行。执行所选 输入的转换并将转换结果存放到所选输入通道对应的结果寄存器中( 见表 2 1 ) 。如果中断使能，完成所有选择通道的转换后产生中断。如果只选择一 个转换通道，该模式便与单通道，单次转换模式完全相同。通过置位a d m o d a 寄存器的s c a n x 位来选择该模式。 自动扫描，连续转换模式 通过置位a d i n g 寄存器的相应通道位可选择4 输入通道的任意组台进行连 续转换。转换按照a d i n s 寄存器l s b 至i j m s b 方向选择的通道进行。执行所选每个 1 6 嗡承滨上糕大学硕士学位论文 通道的转换并将结果存放到转换通道相应的结果寄存器中( 见表2 1 ) 。如果 中颧健憝，完成鼷选逯遨戆转换矮产生中凝。垂囊魂善次选择逶：i 莲静转挠开 始，转换过程不断重复。萁它多于4 个的转换结粜再循环存放n 4 个结果寄存 器中，将之前的缕果疆羲。连续转换过程瘦用户终止。遴过置位a d m o d a 寄存 器的b u r s t x 位来选择该模式。 双逯邀，连续转换模式 从4 个通道中选择任何2 个通邋进行转换。第个输入通道的转换结果存 放在第一个结果寄存器中，第二个输入邋道的转换结果存款在第二个结巢寒 存器中。第一个通道的第二次转换结果存放在第三个寄存器中，第二个通道 的第二次转换结果存放在第四个密存器中。如果中断使能，完成4 次转换爱产 警中断( 每个通道执行两次转换) 。通过筲位a d m o d a 寄存器的s c c x 位来选择 该模式。 单步模式 这是一静特殊的工作模式。它允许在自动扫搦转换模式中进行单步 转换。该模式下，用户可选择4 个输入通道的任意缀台进行转换。每个通i l 妻转 换结束后，产生中断( 如祭中断使能) ，a d 转换器再等待下次转换的启动条 件。每个转换结莱存放在所选输入通道稻应的结果寄存器中( 见袭2 1 ) 。该 模式可与侄何一种启动模式结合使用。通过清零a d c 使用的a d m o d a 寄存器的 b u r s t x 、s c c x 和s c a n x 位来选择该模式。 o 转换模式选择位 表2 2 转换模式位 b u r s t xs c c xb c a f i x a d c x 转换模式 ooo 雄步 o 0l 阉定通邋，单次转换 自动扫描，单次转换 o lo 圊定通道，连续转换 敝通道，连续转换 l0o 自动扫描 每次a d 转换均使用a d m o d a 寄存器的3 位来选择转换模式。这3 个模式 1 7 哈尔滨1 ：稃火学硕士学位论文 选择位如表2 2 所示。除去表2 2 中列出的组合外，3 个模式选择位的其它 组合都未定义。 2 3 6 ，2 触发模式 定时器触发启动 定时器o 溢出时启动一次a d 转换。一旦转换过程被启动，其它的定时器o 触发操作均无效，直至转换过程结束。定时器触发模式适用于所有a d 工作模 式。该模式通过t m m x 位、a d c s x i 芹i a d c s x o 位来选择( 见表2 3 和表2 4 ) 。 立即启动 编程为该模式将立即启动一次转换。立即启动模式适用于所有a d 工作模 式。该模式通过置位a d c o n x 寄存器的a d c s x l 和a d c s x o 位来选择( 见表2 3 和表 2 4 ) 。 边沿触发 由p 1 4 脚的上升或下降沿来启动a d 转换。一旦转换过程被启动，其它的 由边沿触发引起的操作均无效，直至转换过程结束。边沿触发启动模式适用 于所有a d 工作模式。该模式通过置位a d c o n x 寄存器的a d c s x l 和a d c s x o 位来选 择( 见表2 3 和表2 4 ) 。 两个转换器立即启动 该模式可同步启动两个a d 转换器。它适用于所有a d 工作模式。但是， 要求两个a d 转换器工作在同一模式下。而且，在自动扫描单次转换模式下， 两个a d 转换器必须选择相同的输入通道。通过向任何一个a d c o n x 寄存器 a d c s xl 和a d c s x o 位写入1 l 就可启动两个a d 转换器的同时转换。两个a d 转换器必须使能。 2 3 6 3d a o 输出到高输出阻抗的i 0 3 每个a d 转换器的d a c 块都可输出电压到一个i o d 。该模式下，a d x d a t 3 用来存放输k n d a c 的值。完成一次对d a c 的写操作后( 写a d x d a t 3 ) ，d a c 的输出便出现在通道3 管脚上。d a c 输出通过a d m o d b 寄存器的e n d a c l 和e n d a c o 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位来使能( 见表2 6 ) 2 3 6 4 用作a d c 功能的i o 脚 用于a d 转换器的模拟输入管脚也具有数据输入和输出功能。为了得到最 好的模拟特性，这些用于a d c 的管脚应当禁止其数字输出和输入功能，并且断 开与5 v 最大允许电压的连接。通过将端口设置成仅为输入模式来禁止数字信 号输出。当设置a d i n s 寄存器的相应位选中这些t o 管脚且对应的a d 转换被使 能时，i 0 管脚的数字输入将自动断开。如果相应的a d 转换被使能且器件不 处于掉电模式，n a d i n s 寄存器选中管脚的最