說(shuō)明書——基于單片機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)氣門設(shè)計(jì)

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué)生姓名：陳波學(xué) 號(hào)： 0701024140學(xué)院（系）：機(jī)電工程學(xué)院車輛與動(dòng)力工程系專 業(yè)：熱能與動(dòng)力工程題 目基于單片機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)氣門設(shè)計(jì)綜合成績(jī)：指導(dǎo)教師：張艷崗職稱:助教2011年1月7 日基于單片機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)氣門設(shè)計(jì)節(jié)能、環(huán)保已成為現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展主題。 長(zhǎng)期以來(lái),人們一直在追求燃油、 配氣的精確控制，來(lái)提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低環(huán)境污染。傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)大都采用不變的 配氣定時(shí)，它只適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)某一常用的轉(zhuǎn)速。 最有利的配氣定時(shí)需通過反復(fù)試驗(yàn) 確定。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)采用可變氣門驅(qū)動(dòng)，使氣門開啟相位、氣門開啟持續(xù)角度、氣門 升程隨發(fā)動(dòng)機(jī)的工況變化，可以改善怠速穩(wěn)定性，增加低速下外特性

2、扭矩，改善部 分負(fù)荷燃油經(jīng)濟(jì)性和降低有害排放。 相對(duì)于基于凸輪的可變配氣機(jī)構(gòu)，無(wú)凸輪軸 氣門驅(qū)動(dòng)（camshaftless valve actuation）取消了凸輪機(jī)構(gòu),不受凸輪型線的限制，以電磁、電液、電氣或其他方式驅(qū)動(dòng)進(jìn)排氣門實(shí)現(xiàn)配氣功能，可以柔性地調(diào)節(jié)配氣定時(shí)和氣門升程。其中以電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)最為成熟（已有裝車試用的報(bào)道）。本文采用最具代表性的“雙彈簧雙電磁鐵氣門驅(qū)動(dòng)方案”，設(shè)計(jì)基于單片機(jī) AT89S52的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣門開啟相位和氣門開啟持續(xù)角度的有效控制。一、基本情況和工作原理電磁驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)（Electromechanical valve Actuation，簡(jiǎn)稱為 EMVA）,目

3、前Aura Systems公司、FEV公司和通用汽車公司分別提出了工作原理基本相 同的采用雙彈簧雙電磁鐵氣門驅(qū)動(dòng)方案，并進(jìn)行了多年的研究。其中AuraSystems和FEV的電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)裝車試用。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：i叮*泄卷00 4. 1電璉弓門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理圖:in叫仃金湃工作原理：電磁氣門驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由兩個(gè)相同的電磁鐵 （共用一個(gè)銜鐵，銜 鐵和氣門焊接在一起），兩個(gè)相同的彈簧和氣門組成。發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，激磁線 圈1和2均不通電，氣門半開半閉；發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，氣門驅(qū)動(dòng)裝置初始化，控制 系統(tǒng)根據(jù)曲軸轉(zhuǎn)角判定氣門在這一時(shí)刻應(yīng)有的開關(guān)狀態(tài)，使線圈1或2通電，電磁力克服彈簧力，將氣門關(guān)閉或開

4、啟。氣門處于開啟狀態(tài)時(shí)，線圈1不通電，線圈2則必須通電，使電磁力等于或者大于彈簧力以保持氣門開啟。 要關(guān)閉氣門時(shí)， 線圈2斷電，銜鐵和氣門在彈簧力的作用下向上運(yùn)動(dòng)；在氣門接近關(guān)閉位置時(shí)， 線圈1通電，電磁力幫助氣門（銜鐵）快速至關(guān)閉位置；此后線圈 1繼續(xù)通電使 氣門保持在關(guān)閉狀態(tài)。需要開啟時(shí)，線圈1斷電，銜鐵和氣門在彈簧力作用下向 下運(yùn)動(dòng)。如此循環(huán)往復(fù)。二、系統(tǒng)模型淺析電磁驅(qū)動(dòng)氣門是一個(gè)典型的電、磁和機(jī)械相互耦合的系統(tǒng)。在分析時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)分為電、磁和機(jī)械三個(gè)子系統(tǒng)分別考慮，并建立子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系。（一）電子系統(tǒng)電系統(tǒng)原理圖如下圖一所示，電磁鐵被理想化為一個(gè)電感線圈，上下電路相 同。進(jìn)一步簡(jiǎn)

5、化為圖二等效電路圖，可以列出電壓平衡方程為：U ht =isarjrfl. f 呻4訂1匕 rer + Jriil + 也 bH.d/(1)7T Min ( =/? d V式中,Uin為電源電壓；lcoil 為通過線圈的電流；Rcoil、Lcoil分別為線圈 的電阻和電感；Eemf為線圈在氣隙磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線產(chǎn)生的反電勢(shì)；B S為氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度;l為磁場(chǎng)中有效線圈導(dǎo)體總長(zhǎng)度;v為線圈切割磁力線的速度，（二）磁子系統(tǒng)氣門的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自電磁線圈通電后對(duì)銜鐵的電磁力， 大小取決于電磁驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性以及電流的大小，是驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)特性參數(shù)，可表示為：，其中Km表示個(gè)常數(shù)（二）機(jī)械子系統(tǒng)電磁

6、驅(qū)動(dòng)氣門可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度的彈簧 -質(zhì)量-阻尼系統(tǒng),其動(dòng)力學(xué)模型 如圖所示。動(dòng)子M受到電磁力、彈簧力和阻尼力（包括摩擦和空氣阻力），以及燃 燒室內(nèi)氣體對(duì)氣門頂部的壓力（F0）。氣門的位移為x,零點(diǎn)位置位于行程最上端， 即氣門關(guān)閉位置。由牛頓第二定律可得，氣門運(yùn)動(dòng)微分方程為： irrnx = RM I 一 ex 一 kx 一 F（）式中,m為動(dòng)圈式電磁驅(qū)動(dòng)氣門的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，包括氣門、動(dòng)子線圈和骨架、連 接件的質(zhì)量以及彈簧質(zhì)量的1/3;c為阻尼系數(shù);k為彈簧剛度系數(shù)。（四）子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系由上述可得，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程組為:子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系如圖所示:|f0ir機(jī)械子系統(tǒng)亠；D山工B山j(luò) 一

7、Li豐丘結(jié)ci kjc- Fo1仆j| Lr三、硬件的設(shè)計(jì)（一）高速電磁閥的設(shè)計(jì)高速電磁閥是該裝置的核心部分，主要包括彈簧、電磁鐵（含靜鐵芯、動(dòng)鐵芯和電磁線圈）和專用氣門。本文并不對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)展開詳細(xì)的論證，而只 是參考文獻(xiàn)資料完成零件的選型。1、彈簧：中徑D=30mvi岡絲截面直徑d:2.smm,有效圈數(shù)N=7圈，自由高度52mm 剛度為40N/mm材料為普通氣門彈簧材料：50CrVA ,它的許用應(yīng)力為 700N/mmZ兩個(gè)彈簧采用同樣的參數(shù)，它們之間可以互換，形狀為圓形截面 的圓柱螺旋壓緊。2、電磁鐵：選用Si鋼作為EMVA驅(qū)動(dòng)電磁鐵的靜鐵芯材料，選用工業(yè)純 Fe作 為動(dòng)鐵芯（銜鐵）材

8、料。3、靜鐵芯：E型結(jié)構(gòu)。4、動(dòng)鐵芯：動(dòng)鐵芯長(zhǎng)度為 56mm寬為50mm厚為10mm5、電磁線圈：將線圈做成有骨架的機(jī)構(gòu)，骨架材料為膠木，線圈外部加圭寸電工紙。參照國(guó)家電工專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用牌號(hào)為 Q的油性漆包銅線。& 氣門：用普通微型汽車（昌河用）氣門進(jìn)行改裝。（二）芯片及元器件的選型1、單片機(jī)：采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52它是一款低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。2、變壓器（三抽頭，220AC to 24AC）、7805穩(wěn)壓芯片、整流二極管IN5408、NPN三極管9014、電解電容100uf、10uf，獨(dú)石電容0.1uf、30pf。3、繼

9、電器（ HRS2H-S-DC12）V，74HC08， 12V 蓄電池。（三）電路設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)的電路主要由三部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、電源電路（ 12V to 5V、12V to 110V）、上下電磁線圈驅(qū)動(dòng)電路。電路設(shè)計(jì)的核心難點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū) 動(dòng)電路的作用是按照邏輯電路的指令給電磁鐵線圈通電， 因此采用何種形式的驅(qū) 動(dòng)電路，不僅影響電磁線圈中電流的變化速度， 從而影響EMVA勺快速響應(yīng)特性； 還影響電路本身的能量消耗。它應(yīng)該滿足如下特性 :（1）在驅(qū)動(dòng)階段，驅(qū)動(dòng)電路能提供較高的電流 （或電壓 ）給電磁鐵，使電磁鐵 盡快產(chǎn)生足夠大的電磁力，提高整個(gè)電磁閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度 ；（2）在維持階段，能

10、使能量很好利用，防止過熱，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供維 持電壓 （ 或電流 ）；（3）在驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)斷后，電磁線圈中儲(chǔ)存的能量應(yīng)盡快衰減，從而使電磁力 迅速減小，確保氣門在彈簧的作用下迅速開啟或關(guān)閉。綜上，該系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路采用高低壓驅(qū)動(dòng)方案。驅(qū)動(dòng)高壓為110VDC維持低壓為 24VDC。各部分電路設(shè)計(jì)如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)晶振采用12MHz配合復(fù)位電路組成最小系統(tǒng)。12V to 5V電路由三端穩(wěn)壓芯片7805完成，用來(lái)給單片機(jī)和 74HC08供電。12V to 110V電路：首先將12V蓄電池的12V直流電經(jīng)橋式逆變電路逆變?yōu)?2V的交流，再將此交流電由變壓器進(jìn)行升壓，得到 110AC后經(jīng)二極管搭成的 橋式整流電

11、路整流，最后經(jīng)電容濾波得到 110DC。線圈1驅(qū)動(dòng)電路（12V）:單片機(jī)信號(hào)經(jīng)過74HC08與門，將電平轉(zhuǎn)換為CMOS 電平，提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，再驅(qū)動(dòng)三極管 9014實(shí)現(xiàn)線圈 1 的通斷電控制。線圈2低壓驅(qū)動(dòng)電路（12V）:同上。線圈2高壓驅(qū)動(dòng)電路（110V :配合繼電器（HRS2H-S-DC12V和三極管9014 實(shí)現(xiàn)線圈 2 的通斷電。系統(tǒng)電路圖見附錄一。四、軟件的設(shè)計(jì)（一、編程思路在工程應(yīng)用上， 正確的思路應(yīng)該是這樣: 單片機(jī)通過傳感器接口電路檢測(cè)轉(zhuǎn) 速和負(fù)荷信號(hào)并修正后，通過查詢預(yù)先存入的MAP圖，得到相應(yīng)的氣門開啟定時(shí) 和氣門升程，并由此確定電磁閥的控制電流，然后輸出一個(gè)脈沖信號(hào)以

12、適當(dāng)?shù)碾?流驅(qū)動(dòng)電磁閥，使氣門開閉，從而實(shí)現(xiàn)氣門驅(qū)動(dòng)的控制。但是發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況是極其復(fù)雜的， 考慮到本文只是做理論層次的探 討，因此暫不考慮其它工況，采取單缸機(jī)模型，一個(gè)進(jìn)氣門和一個(gè)排氣門，根據(jù) 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將其分為低速、中速、和高速三個(gè)工況，由轉(zhuǎn)速的高低來(lái)確定氣門 的開啟相位和持續(xù)角度。因?yàn)闅忾T升程的控制較為復(fù)雜，因此本文暫不予考慮。 因?yàn)镸AP等數(shù)據(jù)資料的保密性，所以本系統(tǒng)的程序并不涉及 MAP圖，而是由作 者根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況和配氣定時(shí)之間的關(guān)系擬定一個(gè)“轉(zhuǎn)速氣門相位關(guān)系 表”程序通過查詢此表得到相應(yīng)的控制量。關(guān)系表如下：進(jìn)氣提前 角進(jìn)氣遲閉 角排氣提前 角排氣遲閉 角氣門疊開 角

13、低速(1000r/min )3060503565轉(zhuǎn)速氣門相位關(guān)系表制定此表的依據(jù)為：低速時(shí)，進(jìn)氣遲閉角和氣門疊開角要小，防止新鮮充量 向進(jìn)氣系統(tǒng)倒流；高速時(shí)，進(jìn)氣遲閉角和氣門疊開角要大，以提高充量系數(shù)，滿 足動(dòng)力性的要求。進(jìn)氣遲閉角和氣門疊開角應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。對(duì)于一般內(nèi)燃機(jī)，進(jìn)氣提前角在0至40度之間，進(jìn)氣遲閉角在20至60度之間，排氣提 前角在30至80度之間，排氣遲閉角在10至35度之間。在編程時(shí)應(yīng)用到了曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器。 曲軸位置傳感器產(chǎn) 生轉(zhuǎn)速Ne信號(hào)，凸輪軸位置傳感器產(chǎn)生上止點(diǎn) G信號(hào)，設(shè)計(jì)安裝保證G信號(hào)在 上止點(diǎn)前70度。曲軸轉(zhuǎn)120度，Ne產(chǎn)生60個(gè)信號(hào)脈

14、沖，G產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)脈沖。高壓驅(qū)動(dòng)電路持續(xù)時(shí)間t1取為1ms（二）控制算法由于只對(duì)氣門開啟相位和氣門開啟持續(xù)角度控制，因此不考慮閉環(huán)而采用較 簡(jiǎn)單的開環(huán)控制方案（三）程序流程圖（四）程序代碼見附錄二五、結(jié)論 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)氣門能夠很好的根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整氣門開啟相位和氣門開啟持續(xù)角度， 從而改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。 本文在理論層次上論證了控 制硬件和軟件的設(shè)計(jì)，在一定程度上達(dá)到了控制要求。六、參考文獻(xiàn)1、烏.謝費(fèi)爾特.未來(lái)的汽車技術(shù) .北京：人民交通出版社， 19902、姚國(guó)平 . 汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理檢修 .北京：人民郵電出版社， 20003、袁兆成 . 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì) . 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 19984、華北水利水電學(xué)院 .工程機(jī)械用內(nèi)燃機(jī) . 北京：電力工業(yè)出版社， 19815、唐