机电一体化系统.ppt

1、机电一体化系统汽车点火系统第三组,汇报内容,一、建设现状和意义 二、基础条件 三、建设思路 四、预期成果 五、实施计划 六、案例库应用范围,汇报内容,一、基础条件,汇报内容,1、汽车点火系统发展简述 发动机点火系自1910年首次在汽车上装用以来，主要经过传统分电器式 点火系磁电机点火系半导体点火系的发展过程。 （1）传统分电器式点火系 主要由电源、点火线圈、断电器、分电器、火花塞、高压导线等组成。火花塞两电极间产生电火花的电能由电源（蓄电池或发电机）供给，电源的低压电经点火线圈和断电器转变为高压电，再由分电器经高压导线输送到燃烧室中的火花塞，在火花塞两极间形成电火花，点燃可燃混合气。 （2）磁

2、电机点火系 它由磁电机自己产生低压电源，不需要另设低压电源，且其点火线圈、断电器和配电器组合成一个整体，实现点火功能。由于启动性能和发动机低转速时点火性能不好，故一般只用于高速发动机，如竞赛汽车、拖拉机等。 （3）半导体点火系 也称晶体管点火系或电子点火系（含微控制点火系）。它是一种新型的点火系，其电源虽然也是蓄电池，但初级电流的控制是由晶体管来完成的。,汇报内容,2、传统分电器式点火系的组成与工作原理,汇报内容,2.1 如上图所示，传统分电器式点火系主要由蓄电池1、点火开关2、点火线圈3、点火分电器4和火花塞7组成。 2.2 其工作原理可分为三个阶段： （1）触点闭合，初级电流上升。 （2）

3、触点打开，次级绕组产生高压。 （3）火花塞极间放电。,汇报内容,2.3 传统分电器式点火系工作原理如下图所示,汇报内容,发动机工作时，断电器的凸轮在配气机构凸轮轴的驱动下随之旋转。凸轮旋转时，交替地将断电器触点闭合或打开。如果点火开关SW处于“点火”或“起动”位置，则在活动触点K闭合时初级绕组中有电流通过（低压电流用实线表示），电流从蓄电池正极电流表点火开关K点火线圈“+”接线柱附加电阻点火线圈的初级绕组搭铁蓄电池负极。初级电流在点火线圈的铁心中形成磁场，并因铁芯作用而得到加强。当断电器凸轮将活动触点打开时，初级电路被断开，初级电流迅速消失，它所形成的磁场也随之消失，便在两个绕组中感应出电动势

4、，由于次级绕组匝数多，通过互感，在次级感应出1520kv的电动势，击穿火花塞的电极间隙，产生火花点燃可燃混合气。高压电流（虚线）回路为：点火线圈的次级绕组附加电阻点火开关电流表蓄电池搭铁火花塞的侧电极火花塞中心电极配电器的侧接线插孔及分火头点火线圈次级绕组另一端。,汇报内容,3、半导体点火系 3.1 基本特点： 采用各种形式的点火信号发生器来代替断电器触点，信号发生器产生的触发或者控制点火信号经过点火器内的电路，最后控制大功率三极管的导通或者截止，来达到控制点火线圈初级电路通断的目的。 3.2 种类 按信号发生器的不同类型分类： 磁感应式、霍尔式、光电式、电磁振荡式,汇报内容,3.3 磁感应式

5、电子点火系统的组成及工作原理 1-点火信号发生器 2-点火控制器 3-点火线圈 4-点火开关 5-蓄电池,汇报内容,3.4 工作原理（以丰田汽车为例） （1）点火信号发生器,即磁感应发生器的组成如右图所示： 该信号发生器安装在分电器内的底板上。 由信号转子、永久磁铁、铁心、传感线圈组成。,汇报内容,（2）原理：利用电磁感应原理，信号转子转动时，信号转子的凸齿与铁心的空气隙发生变化，使通过传感线圈的磁通发生变化，因此传感线圈中便产生感应的交变电动势，该交变电动势输入到点火器，以控制点火系统工作。其工作过程（假设信号转子顺时针转动）见下图：,汇报内容,（3）电路原理图1,汇报内容,电路原理图2,汇

6、报内容,电路原理图3,汇报内容,3.5 霍尔效应式点火系统 （1） 霍尔式电子点火系由内装霍尔信号发生器的分电器、点火器、火花塞、点火线圈等组成。利用霍尔效应来实现点火的。原理图见下图 。当电流通过放在磁场中的半导体基片，且电流方向和磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁场的半导体基片的横向侧面上产生一个与电流和磁场强度成正比的电压，这个电压称为霍尔电压。,汇报内容,（2）组成：霍尔信号发生器位于分电器内，其结构见下图。主要由分电器轴带动的触发叶轮、永久磁铁、霍尔元件等组成。,汇报内容,（3）工作原理：触发叶轮转动时，每当触发叶轮的叶片1进入永久磁铁3与霍尔集成块2空气隙中时，作用在霍尔集成电路中的

7、磁场被触发叶轮叶片所旁路。如图a)，这时不产生霍尔电压，无信号输出，集成电路放大器输出级导通，接通点火线圈的初级电路。当触发叶轮离开空气隙时，霍尔发生器存在信号输出，集成电路放大器输出极截止，切断点火线圈的初级电流，次级绕组中便感应出高压电动势。,汇报内容,二、电子控制点火,汇报内容,1、电子控制点火技术发展概况 传统的点火系统，其点火时刻的调整是依靠机械离心式调节装置和真空式调节装置完成的，由于机械的滞后、磨损及装置本身的局限性，故不能保证点火时刻在最佳值。而用ECU控制的点火系统，则可方便地解决以上问题。因为用微机可考虑更多的对点火提前角影响的因素，使发动机在各种工况下均能达到最佳点火时刻

8、，从而提高发动机的动力性、经济性、改善排放指标。,汇报内容,2、微机控制电子点火系统的优点 微机控制电子点火系统具有以下优点： 可实现最佳点火时间控制 可针对各种影响因素修正点火时间 可与其他电子控制系统实现协调控制,汇报内容,3、微机控制点火系统的控制原理,(1)点火提前角的控制方式,1）点火提前角对发动机性能的影响 点火提前角是从火花塞发出电火花，到该缸活塞运行至压缩上止点时曲轴转过的角度。 当汽油机保持节气门开度、转速以及混合气浓度一定时，汽油机功率和耗油率随点火提前角的改变而变化。对应于发动机每一工况都存在一个“最佳”点火提前角 适当点火提前角，可使发动机每循环所做的机械功最多（ 曲线

9、阴影部分）,汇报内容,2）最佳点火提前角确定依据 发动机转速 ：随着转速的升高点火提前角增大。采用电控点火系统，更接近理想的点火提前角。 发动机负荷 ：歧管压力高（真空度小、负荷大），点火提前角小，反之点火提前角大。采用电控点火（ESA）系统时，可以使发动机的实际点火提前角接近于理想的点火提前角。 燃料性质：汽油辛烷值越高，抗爆性越好，点火提前角可增大，反之应减小。 其他因素：燃烧室形状、燃烧室内温度、空燃比、大气压力、冷却水温度。,汇报内容,3）控制点火提前角的基本方法 发动机起动时，按ECU内存储的初始点火提前角（设定值）对点火提前角进行控制。起动时点火提前角的设定值随发动机而异，对一定的

10、发动机而言，起动时的点火提前角是固定的，一般为10左右。 发动机正常运转时（起动后），主ECU根据发动机的转速和负荷信号，确定基本点火提前角，并根据其他有关信号进行修正，最后确定实际的点火提前角，并向电子点火控制器输出点火执今信号，以控制点火系的工作。,汇报内容,4）点火提前角的控制内容 实际点火提前角 初始提前角 + 基本提前角 + 修正提前角,汇报内容,(2)起动时点火提前角的控制 发动机起动过程中，进气管绝对压力传感器信号或空气流量计信号不稳定，ECU无法正确计算点火提前角，一般将点火时刻固定在设定的初始点火提前角。此时的控制信号主要是发动机转速信号（Ne信号）和起动开关信号（STA信号

11、）。,汇报内容,(3)起动后基本点火提前角的确定 1）基本点火提前角的确定 1）发动机起动后怠速运转时，ECU根据节气门位置传感器信号（IDL信号）、发动机转速传感器信号（Ne信号）和空调开关信号（AC信号）确定基本点火提前角。 2）发动机起动后在除怠速以外的工况下运转时， ECU根据发动机的转速和负荷（单位转数的进气量或基本喷油量）确定基本点火提前角。,汇报内容,2）修正点火提前角控制 不同的发动机控制系统中，对点火提前角的修正项目和修正方法也不同。修正方法有修正系数法和修正点火提前角法两种 。 主要修正项目有： 水温修正 怠速稳定修正 空燃比反馈修正 过热点火提前角控制 发动机爆燃点火提前

12、角控制 最大提前和推迟控制,汇报内容,4、微机控制点火系统硬件设计 （1）传感器及其调理电路 主要包括转速传感器、水温传感器、爆震传感器和节气门开度传感器及其相应调理电路。,汇报内容,（2）电控单元及AD转化电路设计 本系统以AT89C2051(STC12C5410)单片机作为控制器。AD转化器采用ADC0809对前端输入信号进行模数转换。系统中需要进行AD转换的信号有水温信号、节气门开度信号和爆震信号。 单片机与AD转换器的接口电路如下图所示,汇报内容,汇报内容,由ADDA，ADDB和ADDC选择转化信道，信道0输入温度信号、信道1输入爆震信号、信道2输入节气门开度信号，转化后的信号通过P1

13、口输入到单片机内部。其中AT89C2051的P3.4(T0)对曲轴转速信号计数，确定转速和曲轴位置。通过P3.5输出点火控制信号。,汇报内容,（3）点火控制电路设计 点火电路的作用是产生火花塞点火所需的高压。其输入是来自单片机P3.5引脚的点火控制信号，输出端接到火花塞上。电路如下图所示。,汇报内容,汇报内容,单片机的P3.5输出高电平时，T1和T2都截止，12V电压通过R4和L1对C7充电。当单片机P3.5输出低电平时(发出点火控制信号)，T1，T2导通，则C7两端的电压立即变位低电平(即C7迅速放电)，从而使流过L1的电流突变，L2两端产生点火高压。其中D1起保护T2的作用。,汇报内容,（

14、4）电源电路设计 在汽车系统中一般只提供12V的直流电压，而芯片大都需要5V的电压。系统还要设计12V到5V的DC-DC转换电路。,汇报内容,4、微机控制点火系统的软件设计 系统软件主要由主程序及延时子程序、计算基本点火提前角子程序、计数T0中断服务子程序、AD转化子程序、点火提前角修正子程序和点火子程序组成。本系统采用汇编语言编写了源程序。,汇报内容,（1）主程序 系统上电后，首先进行系统初始化(包括单片机的初始化，ADC0809的初始化，计数器T0的初始化)，接着获取转速信号确定基本点火提前角，再进行AD转化采集水温、爆震和节气门开度信号，对采集的信号进行运算处理，最后等待点火时刻的到来并

15、发出点火控制信号实现系统点火。,汇报内容,（2）计算基本点火提前角子程序 本系统的基本点火提前角由转速信号确定，采用查表法确定基本点火提前角。首先建立两个数据表，一为转速表v(v0，v1，v2，vi，vi+1，)和基本点火提前角表。两表中的元素个数相等，且都以升序排序。Vi对应的基本点火提前为基本点火提前角表中的第i个元素。为了减少查找的次数，设计时采用了二分法对转速表进行检索。,汇报内容,（3)水温对点火提前角修正子程序 水温对点火提前角进行双重修正，即暖机修正和过热修正。当水箱温度过低，应加大点火提前角，即进行暖机修正。当发动机水箱温度过高，应减小点火提前角，即进行过热修正。 本设计中水温对点火提前角修正也采用查表法，建立2个修正表：过热修正表(升序表)和暖机修正表(降序表)。根据经验水温对点火提前角最大修正5，采用直接查找法。首先确定对点火提前角零修正的水温T，测得的水温