直流CDI点火器原理和实现方案.doc

广州触摸屏维修直流CDI点火器原理和实现方案 目录第一章摩托车点火器概述.21.1前言.21.2点火系统组成.21.3点火系统的发展及分类.21.3.1点火系统的发展.31.3.2点火系统分类.31.3.3小结.5第二章原理设计.62.1电源部分设计.62.1.1单片机电源设计.62.1.1逆变振荡电路设计.72.2可控硅控制放电电路设计.82.3触发信号处理部分电路设计.82.3.1触发PC简介.92.3.2触发信号转换电路.92.4 MCU控制电路.102.4.1 P89LPC915简介.112.4.2 复位电路.112.4.3 模拟电压比较器输入电路.122.4.4 PTC功能电路.12第三章软件设计.123.1 简介内容.133.1.1 点火正时.133.1.2提前角延时原理.13 3.2点火程序软件设计.153.2.1 设计功能及I/O口设定.153.2.2 程序主体结构介绍.153.2.3 连续点火模式.16第四章总结.254.1 测试结果介绍.254.1.1 提前角延时点火方式.264.1.2 固定点火方式.284.2 总结.294.3 声明.29第一章摩托车点火器概述1.1前言我们知道，燃油摩托车的动力来自于汽油机气缸内可燃混合气的燃烧，而燃烧的完善与否直接影响到汽油机输出的驱动动力。良好的燃烧必须具备以下三个条件，即：良好的混合气充分的压缩最佳的点火其中，点火包括点火时刻和点火能量。点火时刻和点火能量的控制则由点火系统来完成。点火系统在汽油机中有着十分重要的作用。点火能量必须要足够大，否则则不能点燃缸内的混合气，汽油机也无法正常运行。点火时刻或点火提前角则更为关键，因为它是影响汽油机性能的最重要参数之一，点火的过早或过迟都会直接影响到汽油机的经济性和动力性。所以，对应于给定的汽油机运行工况都存在着一个最佳点火提前角。1.2点火系统组成磁电机：提供发动机曲轴位置信息；提供点火能量（对于部分点火器）点火器：暂时存储点火能量；在适当的时候向点火线圈输出点火能量点火线圈：将点火器输出转换为高压，传输点火能量火花塞：将点火能量从电能转换为热能，点燃油气混合物1.3点火系统的发展及分类 图1.1点火系统的发展1.3.1点火系统的发展如图1.1所示，近几十年来，摩托车点火系统的发展很快。首先它经历了从有触点点火系统到目前普遍使用的无触点点火系统的历史性技术革新。因为在有触点点火系统中，其触点因机油污损或磨损等原因常引起触点接触不良和导电困难等故障，可靠性差，所以需要进行经常性的检查和保养，到了使用周期后应该更换新品，十分不便。这无疑也制约着摩托车无故障里程数的提高。无触点点火系统是通过触发线圈获取的触发电流来控制晶体管或可控硅的动作，从而切断点火线圈的初级电流。无触点点火系统无需保养，成本不高，技术上也不复杂，所以很快被推广使用。现在的摩托车几乎全部都使用这种无触点点火系统。1.3.2点火系统分类摩托车点火系统的分类方法很多，这里主要介绍以下两种：按放电方式可分为电容放电式点火系统和电感放电式点火系统按点火时刻控制方式可分为模拟式点火系统和数字式点火系统1、电容放电式点火系统(CDI)该系统采用磁电机发出的电流为电容充电，由于电容放电能产生强大的电火花，而且次级电流上升快，对高速汽油机十分有利，而且也有利于防止火花塞污损。这些特点与二冲程汽油机的特殊要求极其吻合，所以高性能二冲程汽油机大多使用这种点火方式。由于这类点火系统结构简单、工作可靠，我国又能自己生产，所以，我国生产的摩托车(不管是二冲程还是四冲程)绝大部分都采用了这类点火系统。电容放电点火系统中火花强，但放电时间短，这样，在汽油机低速或混合气较稀时就不易点燃混合气。另外，磁电机方式的固有缺点是低速时电流弱、点火能量小。所以，高性能大排量的四冲程汽油机大多采用无触点蓄电池式晶体管点火系统(TLI)。2、晶体管点火系统（TLI）无触点蓄电池式晶体管点火系统采用蓄电池供电，利用晶体管的导通和截止特性，在需要点火时瞬间切断点火线圈的初级电流，从而在次线线圈上感应产生出高电压，由此在火花塞得到很强的电火花。晶体管点火器的点火性能稳定，火花强，放电时间相对较长，而且在发动机转速较低时也能保证可靠点火。在该系统中，磁电机发出的三相交流电经过整流调压器向蓄电池充电，这样可以充分利用磁电机产生的电能。国外的中大排量四冲程汽油机基本上采用这类点火系统。我国生产的一些高性能四冲程汽油机也采用了这种点火系统，如轻骑集团生产的GS125摩托车。表1.1CDI和TLI点火系统特性比较3、模拟式点火器上述两大类点火系统的技术发展主要体现在点火器上，而点火器的技术进步又主要体现在点火提前角的控制上。简单的点火器主要依靠触发线圈发出的触发信号随磁电机转速的升高而迅速提前的特性来控制点火提前角。这种点火器被称为第一代点火器。尽管这种提前特性可以通这调整电路和和元件参数略作改变，但可改变的范围及灵活性都有很有限，其点火特性与汽油机的最佳点火提前角规律相差甚远。为了使实际的点火提前角尽量接近其最佳值，四冲程汽油机点火器的点火特性一般被设计成拥有二台阶的折线，即低速段和高速段各对应一个近于固定的点火提前角，中间过度段用斜线连接。高低转速段之间的点火提前角差由磁电机上触发块所占的弧度决定，其具体的控制过程一般由专用芯片来完成。这种点火器被称为第二代产品，其点火特性可更接近汽油机的最佳值。尽管第二代点火器的点火特性是以拥用二台折线来逼近形状复杂的最佳点火提前角规律，比第一代点火器的点火特性更接近最佳值，但与实际的最佳点火提前角规律还有一定的差距。这是因为在第一代和第二带点火器的点火控制电路中采用了模拟电路，很难实现形状复杂的最佳点火特性。这类点火器就是模拟式点火器。4、数字式点火器如前所述，由于在点火控制电路中采用模拟电路，模拟式点火器所控制的点火特性只能大致接近而很难达到最佳值。要实现摩托车汽油机在整个运行范围内的最佳点火就必须采用数字控制电路，这种数字式点火器被称为第三代点火器。由于数字式点火器采用了单片机控制电路，故能按照任意给定的点火提前角曲线控制点火。因此，只要获取汽油机的最佳点火提前角规律，数字式点火器即可保证其最佳点火。在汽车工业发达的国里，基于对最佳性能的追求，点火提前角的数字式(微机)控制在轿车汽油机上的应用已有二十多年的历史。在豪华大排量运动型摩托车汽油机上多年来同样也应用了微机控制技术，以最大限度地发掘发动机的性能潜力。如著名的美国哈利戴维森公司、德国宝马公司和日本本田、川崎、铃木公司等都有这类产品。最近几年一些公司又把这种数字式点火技术应用到普通家庭型的摩托车汽油机上，如日本雅马哈的JOGAPRIO踏板车就采用了数字式点火器，使其经济性和动力性得到了进一步的改善。所以，越来越多的摩托车制造商也将会很快地把数字式点火器应用到普通家庭型摩托车汽油机上。1.3.3小结综上所述，数字化也是点火系统未来必然的发展趋势。再充分考虑性价比因素，所以本方案的设计目标确定为：直流CDI(DC-CDI)点火器。特选择NXP半导体的89LPC915单片机作为控制设计。第二章原理设计以下将按各个功能模块进行介绍。2.1电源部分设计本次方案设计目标为直流CDI点火器。使用的工作电源为12V蓄电池，即输入电源为直流12V电压。2.1.1单片机电源设计因使用输入电源为12V，而选择的MCU：P89LPC915操作电压范围为（2.43.6）V。所以需要添加电源转换器件。本方案选用SPX1117M3。SPX1117为Sipex公司生产的LDO芯片，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在1%以内，还具有电流限制和热保护功能。它是一个低功耗正向电压调节器，其可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。SPX1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。SPX1117可调节，以选择1.5V，1.8V，2.5V，2.85V，3.0V，3.3V及5V的输出电压。这里选择3.3V输出电压的SPX1117M3-3.3。一个10uF的输出电容可有效地保证该芯片的稳定性，然而在大多数应用中，仅需一个更小的2.2uF电容。在本方案中，考虑较高的可靠性设计，特在SPX1117的输入及输出端均加上一个10uF的电容，如图2.2所示。其中D1二极管为防止外部电源反接，R21电阻为限流电阻。2.1.1逆变振荡电路设计CDI点火器的典型特点就是通过给电容的充电和放电过程来实现点火的。而逆变振荡电路就是保证系统给电容器正常充电的设计。VDD电源输入直流12V到逆变线圈T1的初级的一端，当三极管Q1（TIP41C）处于放大状态时，其集电极将线圈T1初级的另一端拉低，从而使逆变线圈起振，进行升压转换。这时，T1的次级产生250V左右的交流经过续流二极管D3完成给电容C3的充电过程。其中，D4稳压管起稳定充电后C3电容电压的作用。如图中OSC端为单片机的输出端控制端。当OSC输出为高电平时（3.3V）使能三极管Q2，于是Q2的集电极将Q1的基极拉低，使Q1进入截止状态。这样Q1的集电极被拉高从而可使T1停振，停止对电容C3的充电过程。这样，就可以通过单片机OSC端输出高低电平以完成对振荡电路停振和起振的转换控制。2.2可控硅控制放电电路设计如图2.4所示，OUT为单片机的输出I/O口。当OUT被单片机置高后，三极管Q3被使能，其射极被拉高后通过两个电阻R9，R10分压将高电平（1.5V左右）加到可控硅的控制极上，便可将可控硅Q4导通，这样Q4和C3便构成了一个放电回路。在点火器IGN输出端接点火线圈时，电容器的电能便通过可控硅进入点火线圈。而当OUT脚被单片机拉低后，Q3截止关断可控硅。点火线圈的电流被断开，这时点火线圈就会立即产生自耦高压电，使火花塞迸发火花点火。如此反复循环，就能保证点火系统正常工作。另外需要注意的是，因为是CDI式点火，即电容充放电点火。该方式存在一个“充电放电充电”的循环过程，而由前面2.1.2部分介绍可知，电容的充电过程也是由单片机通过另一个输出脚OSC控制逆变电路的起振来实现的。因此，需要满足在逆变电路起振时（即给电容充电过程中），可控硅必须截止（此时不能形成放电回路，不然将无法给电容充电）；同时，必须保证在振荡电路停振后才开可控硅（不然将损坏点火器）。所以，单片机程序设计时，必须充分考虑OSC和OUT两个输出控制信号之间的时序关系，以避免系统运行不正常甚至毁坏系统。2.3触发信号处理部分电路设计（a）2.3.1触发PC简介在分析触发信号转换电路之前，这里先简单介绍一下摩托车点火系统的PC触发信号。如图2.5（a）所示，在磁电机飞轮的外表面上，存在一个凸台（很多复杂磁电机甚至具有多个长短不一，间隔不等的凸台）。摩托车的磁电机在高速转动时，飞轮与磁电极定子之间通过磁场变化为摩托车提供电能。与此同时，飞轮上每转过一周，与磁电机配套的触发块（即触发线圈）在凸台到来时都会被触发，产生一个PC信号，如图2.5（b）所示。该PC信号在飞轮转速不变的情况下为固定周期的连续脉冲信号。有的点火系统PC信号为先正后负，有的点火系统PC信号又是先负后正。这是由触发线圈的硬件结构决定的，这里就不在详细介绍。本方案设计的PC触发为先负后正。在磁电机飞轮转动过程中，通常把凸台先转到触发线圈位置处的边沿叫做触发前沿，后转过的边沿则称做触发后沿。再来看看图2.5，前言信号为负向脉冲，后沿信号为正向脉冲。A便是磁电机飞轮转速周期。B则是凸台角度在当前转速下的周期时间。2.3.2触发信号转换电路我们对PC信号转换的最终目的是将PC触发的脉冲信号转换为单片机所能识别，并且方便我们做相关处理判断的逻辑电平信号。原始PC触发信号如图2.5（b）所示。转换电路如图2.6所示。该部分处理电路将PC前沿和后沿信号通过两个二极管D9，D10分两条支路进行处理。最终输出IN1代表前沿信号，IN2代表后沿信号作为单片机输入。D9负向支路在前沿信号未到时，三极管Q5基极被上拉置高，Q5导通，其集电极为低从而保证Q6截止，这样保证没有前沿负向信号时IN1一直为高；当前沿负向信号到来时，Q5基极电压变低，于是Q5截止，集电极将Q6基极拉高，Q6导通集电极被拉低，于是保证了前沿信号到来时IN1输出低电平。D10正向支路中，也是通过三极管Q9的截止和导通来保证IN2在没有后沿信号时输出一直为高，而后沿信号到来时输出为低。如图2.7所示为PC的对应转换波形。2.4 MCU控制电路如图2.8所示，为MCU控制芯片的电路及相关外围电路（包括芯片输入电源，复位器件，模拟比较输入电压部分等）。这里芯片电源使用SPX1117的输出3.3V电源。电阻R22为限流电阻。下面，首先对P89LPC915做一个简单性能介绍。2.4.1 P89LPC915简介P89LPC915是单片封装的微控制器，适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。P89LPC915采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需2到4个时钟周期，6倍于标准80C51器件。P89LPC915集成了许多系统级的功能，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。P89LPC915主要特性：2kB可字节擦除的Flash程序存储器，具有256字节的扇区和16字节的页。单字节擦除功能使得任何字节可用作非易失性数据存储。256字节RAM数据存储器。2个16位定时/计数器，定时器0可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出。23位的系统定时器，可用作实时时钟。4输入8位A/D转换器/1个DAC输出。2个模拟比较器，可选择参考源。增强型UART。具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用中断功能。选择内部RC振荡器时不需要外接振荡器件。RC振荡器（出厂校准精度为1）选项可选并且其频率可进行很好的调节。VDD操作电压范围为2.43.6V。I/O口可承受5V（可上拉或驱动到5.5V）。2.4.2复位电路本方案中使用外部复位方式，选择Catalyst半导体公司生产的外部复位监控期间CAT809R。CAT809的RESET是推挽输出（低有效）。复位时，CAT809产生一个复位信号，这个信号在电源电压低于预置的阈值时和电源电压上升到该阈值后的140ms内有效。由于Catalyst半导体运用了底层浮动闸（floating gate）技术AE2TM，因此器件可以提供任何特定的复位阈值。7个工业标准的阈值可支持+5.0V、+3.3V、+3.0V和+2.5V的系统。本设计中选择使用CAT809R，复位阈值为2.63V。2.4.3模拟电压比较器输入电路本方案设计中，选择模拟电压比较方式来实现对MCU的过压保护功能。当输入电压大于保护电压时，点火系统将关闭振荡电源电路。这里，只使用单个比较器输入引脚，选择内部参考电压发生器提供的默认参考电压Vref=1.23（110%）V。所以，由图2.8中电路，可计算出保护电压为：（1.2321）V=25.83V。2.4.4 PTC功能电路PTC功能即启动加浓功能是指通过启动加浓，使机车的启动时燃油通过加浓通道与空气混合，使机车启动更容易。现在的座式车发动机上的化油器一般都设置有自动加浓阀装置，在发动机启动后的转速急剧变化的一段时间内，加浓阀自动打开。当转速增加到一定时，需要MCU通过软件控制PTC电路使电流导通流过PTC发热体，从而关闭自动启动加浓阀！这里不再对PTC发热体的工作原理和过程进行详细说明。系统PTC输出外接PTC发热块，当PTC为低电平时，回路导通，电流流过发热块实现关闭自动启动加浓阀功能。系统设计要求当发动机转速大于PTC额定启动转速后，P89LPC915的PTC功能输出I/O口将被拉高。于是三极管Q7导通，发射极变高又导通三极管Q8，于是PTC输出被Q8集电极拉低。本章节内容介绍了电路个部分的设计，对功能性部分作了简略的介绍。下一章，将对点火系统控制MCU的软件设计部分进行介绍。直流CDI点火器原理和实现方案第三章软件设计在进行软件设计之前，必须对摩托车发动机点火系统的点火正时概念，以及CDI式的点火系统自动调节提前角的原理有一个清楚的认识。下面，首先简单介绍一下这部分内容。3.1简介内容点火正时及提前角延时简介3.1.1点火正时对于摩托车发动机，运行过程中气缸内的气体被活塞压缩，喷油嘴给油，在汽缸内形成高浓度的油气混合物，当活塞将其压缩到一定程度时，点火系统工作，火花塞放电点火，油气混合物急速剧烈燃烧，推动活塞运动，为摩托车提供动力。如图3.1所示，在此过程中，理论上的理想状态是当活塞运动到最高位置，如图中黑线所示活塞的理想点火位置（即将油气混合物压缩最小体积）时，火花塞点火。这就称做点火正时。点火正时的前提是认为点火后，油气混合物瞬间燃烧。但是众所周知，即使混合密度非常均匀的油气混合物的燃烧也是有一定延时的，虽然这个延时很小，但是对于点火系统来说却是不可忽略的，况且很多发动机气缸里的油气混合物混合还没有达到均匀的程度，更会加大完全燃烧的延时，导致点火不正时。长期工作于点火不正时的发动机系统不仅对汽油燃烧的利用率不高会导致油耗增加，更加会缩短发动机的使用寿命。3.1.2提前角延时原理由3.1.1节介绍可知，如果点火不正时，将会影响发动机的耗油和使用寿命。怎么解决点火不正时的问题呢？业界通用的CDI点火器提前角延时法便是针对这个问题的解决方案。什么是点火提前角呢？再看看图3.1，黑实线表示理想的点火时刻，但是因为油气混合物燃烧延时因素，如果等活塞运动到该位置再点火，那么将会造成点火不正时。所以，如图3.1中虚线所示，在活塞还没有运动到最高的理想状态位置时，我们提前一定的时间让点火系统点火，以此来缓冲前面所提到的燃烧延时，尽量减小燃烧延时对系统运行的影响，使点火器的工作尽量逼近点火正时。因为活塞的上下冲程运动对应的是发动机的圆周运动，我们从磁电机转动圆周角度的方面来看的话，就是要提前一定的转动角度让点火系统点火，这便称做点火提前角。另外，因为摩托车发动机的转速范围较大，所以，我们不能在整个转速范围内都使用同一个点火提前角。简单来说就是，必须要让CDI点火系统具备自动调节点火提前角的能力，使发动机在低速时点火提前角变小，在高速时点火提前角自动增大。那什么又是提前角延时呢？在说明这个问题之前，先介绍以下固定点火方式，以方便和提前角点火做比较。首先，理想状态的点火我们称做：固定角度点火，简称为固定点火。如图3.2A所示，固定点火方式是指点火始终在凸台后沿信号到来时刻。而提前角点火方式如图3.2B所示，提前点火时刻比固定点火时刻提前了一段时间。这段时间就是磁电机在当前转速下转过提前角度所用的时间。另外，因为点火器是当PC触发信号到来之后才被触发开始工作，所以提前角延时就是指触发前沿信号到提前点火时刻这段时间。所以有：必须注意的是不同的转速下，对应的提前角是不一样的。前面介绍点火器类型时曾说过，模拟CDI点火器是通过专用芯片来尽量实现逼近点火二台阶曲线。而数字点火器则是只要获得了发动机对应的提前角变化规律，便可在程序中任意设定点火提前角曲线。3.2点火程序软件设计首先对程序设计功能及MCU的I/O口设定做简要介绍。3.2.1设计功能及I/O口设定本方案设计点火器主要有以下功能：u点火提前角自动调整u转速限制u过压保护uPTC功能控制MCU的输入输出，如表3.1所示：表3.1I/O口功能表3.2.2程序主体结构介绍如图3.3A为程序主要结构流程图，当初始化完成后，程序将不断检测是否有触发信号到来，如有IN1，IN2信号到来，判断IN1，IN2信号是否持续400US，以防止尖峰脉冲干扰。以下为程序主函数：其中，check_pulse()为信号检测子函数：run_ignite()为连续点火子函数3.2.3连续点火模式连续点火模式是指程序经过初始化并收到正确的输入信号后，开始进行循环的点火过程。它执行一遍就对应着磁电机转动一周。如图3.3B为连续点火模式的流程图。这里将不对整个程序做详细介绍，重点说明以下几部分内容：第一部分当前转速计算连续点火模式每循环一次，都会计算一次当前转速。在连续点火模式初始化中，会打开定时器1计时，然后利用两次IN1外部中断的间隔时间得到当前转速周期，便可通过计算得到当前的转速。这里需要说明一点的是，磁电机的转速在高速时可达10000r/min，为了方便对8位寄存器的操作，所以对当前实际转速作除以100的操作，得到商代表当前转速，这样以保证当前转速数据在256范围以内，并增加了一个表示当前转速余值的数据。第二部分 提前角延时数据的计算这部分是按以下流程进行计算的：提前角数据的计算是通过查表的方式来实现。在程序的开始定义了一个一维数组用于查表，因为程序中操作的当前转速是经过除以100的处理之后的数据，所以该数组中相邻两个提前角数据对应的实际转速间隔为100r/min。如上所示，该数组数据可根据调试结果更改，以满足用户需求。根据当前转速计算出查表用的提前角数据地址。这样，查表就可以得到原始的提前角数据。这里程序借用了125AN车型点火器的提前角数据。上面取了两个相邻的原始提前角数据。是为了进行插值计算。这里采用了工程计算中常用的牛顿插值法，其特点是函数逼近。通过有限个已知点，可以利用插值法计算出插值，得到较为精确的函数曲线。已知点越多，牛顿插值均差的阶数越高，近似逼近就越精确。下面对牛顿插值公式做个简要介绍。如图3.5所示，Y为X的一维函数，Y2=F(X2), Y1=F(X1)。则当X1XX2时，函数Y对应当前X的插值计算公式为：所以，根据前面所取的相邻两个提前角数据，可以计算当前转速对应的提前角插值： 公式3.3这里的V1，V2为处理过后的相邻当前转速，所以有V2-V1=1。另外，还满足关系：V1所代表实际转速当前实际转速V2所代表实际转速，所以有：（当前实际转速V1）即是当前转速余值。于是，最终的计算公式为： 计算出插值后，再根据提前角的变化趋势判断出是正向进角还是反向进角以进行插值的加减运算，这样便完成了利用插值法对点火提前角数据的修正过程。牛顿插值法在这里的应用，大大地提高了提前角曲线的精度，使系统点火时刻更加精确，提高了点火器的性能。得到处理过的提前角数据后，根据3.1.2介绍，利用公式3.1，便可计算的出当前转速下的提前角延时数据了。这里需要说明一点的是，本方案确定的磁电机触发凸台角度为36，而且提前角度也在这个范围内，相对于8位寄存器最大存储数据255，其变化范围均较小。所以程序中对凸台夹角和提前角都作了除以0.15的操作（360.15=240），以放大角度的变化范围，便于更精确的操作。这样，需要将程序中的角度数据做乘以0.15的操作，以还原为实际角度，才能将其用来计算提前角延时。第三部分 点火处理虽然连续点火模式的循环中，每一次都会按前面所介绍的方法计算提前角延时数据，但是在点火的处理中，却不是每次都使用了这个数据来延时点火。因为除了提前角延时点火外，还有固定点火方式。点火处理这部分程序首先就是判断本次点火的点火方式是这两者中的哪