專利名稱：基于曲軸絕對轉角傳感器的發動機噴射及點火控制裝置的制作方法
技術領域：
基于曲軸絕對轉角傳感器的發動機噴射及點火控制裝置，屬于發動機電子控制技術領域。
背景技術：
為提高發動機效率，減少發動機燃油消耗，減少發動機有害污染物排放，發動機需要根據曲軸位置對噴油器燃油噴射(柴油發動機)或火花塞點火(汽油發動機)進行精確控制。現有傳統發動機噴射、點火(其中的噴射、點火，以下簡稱噴射)控制系統包括曲軸信號齒及其傳感器、凸輪軸信號齒及其傳感器、噴油器或火花塞(其中的噴油器或火花塞，以下簡稱噴油器)和發動機電子控制單元，如圖1所示。隨曲軸飛輪旋轉，曲軸信號齒(信號孔)傳感器獲得帶缺齒的等角度脈沖信號，凸輪軸信號齒傳感器獲得帶多齒的等角度脈沖信號。在發動機控制程序中，通過對曲軸脈沖信號進行計數，并通過瞬時轉速計算插值方法獲得當前曲軸轉角位置。再利用凸輪軸信號確定噴射缸，完成噴射過程。
這種辦法原理上是相對脈沖計數原理，受曲軸信號齒密度限制，所得到的曲軸轉角位置分辨率較低(通常3~6度)。且還受齒加工精度影響，轉角精度也不高(通常0.5度)，不能直接滿足高精度控制需求。為了進一步提高控制精度(如0.1度)，在發動機控制中往往還需要進一步進行數據處理(如曲軸瞬時轉速信號對脈沖信號進行插值估算)。這種方法不僅得到的轉角位置信息不夠精確，還使得噴射控制程序變得復雜，且對需要單片機的運算速度較高。
混合動力汽車技術在傳統單獨由發動機驅動的動力系統中加入了電機進行電力輔助驅動，從而有效的降低了車輛的燃油消耗和有害物排放。集成啟動發電機(其中的集成啟動發電機，簡稱ISG)混合動力系統是一種廣泛應用于轎車、SUV等小型車輛的混合動力構型，其將發動機飛輪和電機二者合二為一，用電機轉子替代了原有發動機的飛輪，電機定子替代飛輪殼，將電機集成到了發動機原有飛輪位置。由于其二者的緊密結合，又將電機和發動機統稱為ISG混合動力發動機(其中的ISG混合動力發動機，簡稱混合動力發動機)。
混合動力發動機中的電機通常為交流永磁同步電機。由于電機需要根據轉子位置對定子電流進行精確控制，因此需要精確獲得轉子位置信號。其控制系統主要包括ISG電機控制器和絕對轉角傳感器，如圖2所示。其中絕對轉角傳感器安裝于轉子上，與發動機曲軸信號齒及其傳感器測量的是同一個曲軸轉角。絕對轉角傳感器通常為非接觸式傳感器。具有抗沖擊振動性強，壽命長，信號分辨率高(如0.044度)，精度高(如0.2度)，響應快(如0.5微秒)，最大跟蹤轉速高(如30,000轉/分鐘)等特點。
在上述已經具備了絕對轉角傳感器的混合動力發動機控制系統中，現有發動機控制系統仍然沿用傳統曲軸信號齒(信號孔)方法獲得曲軸轉角信號，而絕對轉角傳感器得到的轉角位置信號只被電機控制系統所使用。處于同一個系統中的兩個部件，獨立使用自己的轉角傳感器，不僅是對傳感器資源和成本的浪費，同時也沒有完全發揮精度更高性能優良絕對轉角傳感器的優勢。
對于非混合動力的傳統發動機，通過安裝絕對轉角傳感器替代現有的曲軸信號齒及其傳感器，不僅可以提高發動機噴射控制精度，更可以簡化噴射控制程序，同時為發動機管理系統提供了實現更多系統功能的可能。
發明內容
本發明的目的是為更精確的控制發動機噴射和點火以進一步降低發動機燃油消耗、降低有害污染物排放。
提出了一種基于曲軸絕對轉角傳感器的發動機噴射控制系統，包括控制電路和控制流程。
其中控制電路的特征在于，包括絕對轉角傳感器、凸輪軸信號齒及其傳感器、D觸發器、比較器、邏輯門和單片機。其中(1)絕對轉角傳感器數據輸出與D觸發器輸入端相連；(2)單片機PWM輸出模塊與絕對轉角傳感器輸入和D觸發器時鐘輸入相連；(3)凸輪軸信號傳感器與單片機第1數據輸入端口相連；(4)D觸發器輸出與開始比較器輸入端口P、結束比較器輸入端口P和單片機第2數據輸入端口相連；(5)單片機第1數據輸出端口與開始比較器Q輸入端口相連；(6)單片機第2數據輸出端口與結束比較器Q輸入端口相連；(7)開始比較器P＝Q輸出端口和P＞Q輸出端口與或門相連；(8)結束比較器P＝Q輸出端口和P＞Q輸出端口與與非門相連；(9)活門輸出端口、與非門輸出端口與第0與門輸入端口相連；(10)第0與門輸出端口與單片機外部中斷輸入端口、第1與門、第2與門、第3與門、第4與門輸入端口相連；(11)單片機第3數據輸出端口與第1與門輸入端口相連；(12)單片機第4數據輸出端口與第2與門輸入端口相連；(13)單片機第5數據輸出端口與第3與門輸入端口相連；(14)單片機第6數據輸出端口與第4與門輸入端口相連；(15)第1與門輸出端口與1缸噴油器驅動電路輸入端口相連；(16)第2與門輸出端口與2缸噴油器驅動電路輸入端口相連；
(17)第3與門輸出端口與3缸噴油器驅動電路輸入端口相連；(18)第4與門輸出端口與4缸噴油器驅動電路輸入端口相連；其中控制流程基于硬件比較器和單片機中斷觸發實現了噴射信號自動發生方法，其特征在于(1)單片機PWM輸出模塊同時控制D觸發器更新和絕對轉角傳感器變更抑制；(2)轉角信號通過D觸發器進行采樣和保持；(3)噴射開始和結束轉角通過開始和結束比較器自動進行比較并通過或門、與非門和與門運算得到噴射信號；(4)單片機通過數據輸出端口輸出選缸信號通過四個與門對四個噴油器、點火線圈驅動電路進行控制；(5)噴射結束信號自動觸發單片機中斷程序；(6)在中斷程序中，單片機更新下一次噴射位置數據和選缸使能數據。為下一次噴射做好準備。
本發明提高了發動機噴射控制精度，簡化了噴射軟件程序，降低了單片機運算需求，并為發動機管理系統提供了更多功能。
圖1現有傳統發動機中的噴射控制系統示意圖。
圖2現有混合動力發動機中的發動機噴射控制系統和電機控制系統示意圖。
圖3為本發明結構示意圖。
圖4為本發明的電路結構示意圖。
圖5為本發明噴射控制流程示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例進一步說明本發明。
圖3為本發明結構示意圖。如圖3所示，包括絕對轉角傳感器、凸輪軸信號齒及其傳感器、噴油器和發動機電子控制單元。其中凸輪軸信號齒及其傳感器獲得凸輪軸位置脈沖信號，傳送給發動機電子控制單元。絕對轉角傳感器測量曲軸轉角位置信號，傳送發動機電子控制單元。發動機電子控制單元控制噴油器噴油(或火花塞點火)。其中，絕對轉角傳感器測量的曲軸轉角位置信號在被發動機電子控制單元利用的同時還可以被其他控制系統共享，如ISG電機控制器，如圖3中虛線框所示。其中本發明的電路結構示意圖如圖4所示。本實施例中的絕對轉角傳感器采用Tamagawa Seiki公司的Singlsyn旋轉變壓器及其Smartcoder控制電路芯片。旋轉變壓器共具有三種輸出模式脈沖(串行數據)輸出模式、獨立并行輸出模式和并行總線輸出模式。其中只有并行獨立輸出模式支持數據多個控制器共享，因此應被配置工作在這個模式。在這種模式下，旋轉變壓器控制電路通過12條信號線(Data)并行輸出12位數字信號，將12位數字信號按順序進行組合可以得到一個0~4095的數字量。這個量就表示了測量的轉角位置，其中0表示0度，4095表示179.9度。為保證12位數據的一致性，系統需要一個變更抑制輸入信號(Inhibit)，當這個信號為有效電平(低電平)時，旋轉變壓器的12位數據輸出保持不變，以供外部控制器進行采樣。這些信號線被并聯分別接入ISG電機控制器和發動機電子控制單元中，使得兩者均可以向旋轉變壓器發出變更抑制輸入信號，均可以得到轉角位置信號。
本實施例中的發動機電子控制單元采用Freescale公司的32位單片機，其具備多個輸入輸出接口(I/O Port)、模塊化輸入/輸出子系統(MIOS)、脈寬調制輸出接口(PWM)和外部中斷輸入接口(Ext.Int)。原有的凸輪軸信號齒及其傳感器產生的脈沖信號連接單片機MIOS模塊，單片機通過對其計數從而確定當前噴射缸。旋轉變壓器數據輸出接口信號首先送入一個D觸發器以保證多位數據的一致性。單片機PWM模塊控制旋轉變壓器變更抑制信號和D觸發器時鐘信號。D觸發器輸出端口Q將轉角數據同時送入兩個比較器的P端口。同時也送入單片機數據輸入接口，以供發動機管理程序計算轉速等用途使用。其中一個比較器用于比較噴射開始角度(開始比較器)，其Q端口用于存放噴射開始角度，通過單片機的I/O端口控制。其輸出端口P＝Q和P＞Q通過一個或門后將得到P≥Q的邏輯運算。另一個比較器用于比較噴射結束角度(結束比較器)，其Q端口用于存放噴射結束角度，通過單片機I/O端口控制。其輸出端口通過一個與非門后得到P＜Q的邏輯運算。兩個邏輯運算結果再經過一個與門后即得到大于等于開始角度而小于結束角度的邏輯運算。此信號即為噴射信號，同時輸入進單片機外部中斷接口用于觸發噴射控制程序。噴射信號通過與選缸信號進行與操作后控制噴油器驅動電路從而控制噴油器噴油。
基于上述噴射電路的噴射控制流程如圖5所示。圖5為本發明噴射控制流程示意圖。單片機PWM首先輸出周期為4微秒(通過計算在發動機3600轉/分鐘轉速下保證0.1度轉角精度)的PWM波，其中低電平用于抑制旋轉變壓器數據變更，上升沿用于D觸發器更新數據。D觸發器將旋變數據每4微秒更新一次后鎖定，傳送給開始和結束比較器進行比較。當轉角值大于等于開始比較器時，比較器P＝Q端口P＞Q端口為高電平，通過或運算當P≥Q時得到高電平。結束比較器通過將P＝Q端口P＞Q端口進行與非運算后當P＜Q時得到高電平。兩個信號進行與操作后得到具備上升和下降沿的噴射信號，并送入單片機中斷。配合選缸使能信號，驅動噴油器噴油。當噴射信號下降沿時，單片機進入中斷。在中斷內單片機更新比較器的開始和結束噴射角度，并根據凸輪軸信號確定下次噴射缸使能信號，然后退出中斷。
上述比較過程每4微秒發生一次，保證了在發動機3600轉/分鐘下噴射信號精度為0.1度曲軸轉角，而不需要單片機干預。噴射完成后，通過外部中斷觸發單片機進入中斷處理程序。程序中只需要按照當前噴射需求給出下次噴射位置信息和缸使能信號就可以了。這樣，整個噴射過程基本由控制電路硬件實現，把單片機的計算量需求降到了最低程度。不許按照現有的計算轉速、數據插值和轉角預估的辦法進行噴射控制，大大簡化了噴射控制算法，降低了處理器運算速度的要求。
本發明除簡化噴射控制外，通過利用更精確的和采樣率更高的轉角位置信息，發動機管理系統可以通過求導計算得到精確且更高帶寬的發動機瞬時轉速信號。進一步進行曲軸瞬時轉速分析，就可以得知發動機缸內燃燒情況，從而實現失火檢測、在線故障診斷(OBD)和多缸平衡等更先進的發動機管理功能。
權利要求
1.基于曲軸絕對轉角傳感器的發動機噴射及點火控制裝置，其特征在于，該發動機噴射及點火控制裝置包括絕對轉角傳感器、凸輪軸信號傳感器、D觸發器、比較器、邏輯門和單片機；絕對轉角傳感器數據輸出端與D觸發器輸入端相連；單片機PWM輸出模塊與絕對轉角傳感器輸入端和D觸發器時鐘輸入端相連；凸輪軸信號傳感器與單片機第1數據輸入端口相連；D觸發器輸出端與開始比較器輸入端口P、結束比較器輸入端口P和單片機第2數據輸入端口相連；單片機第1數據輸出端口與開始比較器Q輸入端口相連；單片機第2數據輸出端口與結束比較器Q輸入端口相連；開始比較器P＝Q輸出端口和P＞Q輸出端口與或門相連；結束比較器P＝Q輸出端口和P＞Q輸出端口與與非門相連；活門輸出端口、與非門輸出端口與第0與門輸入端口相連；第0與門輸出端口與單片機外部中斷輸入端口、第1與門、第2與門、第3與門、第4與門輸入端口相連；單片機第3數據輸出端口與第1與門輸入端口相連；單片機第4數據輸出端口與第2與門輸入端口相連；單片機第5數據輸出端口與第3與門輸入端口相連；單片機第6數據輸出端口與第4與門輸入端口相連；第1與門輸出端口與1缸噴油器驅動電路輸入端口相連；第2與門輸出端口與2缸噴油器驅動電路輸入端口相連；第3與門輸出端口與3缸噴油器驅動電路輸入端口相連；第4與門輸出端口與4缸噴油器驅動電路輸入端口相連。
2.基于曲軸絕對轉角傳感器的發動機噴射及點火控制裝置的噴射信號自動發生方法，其特征在于該噴射信號自動發生方法包括以下步驟(1)單片機PWM輸出模塊同時控制D觸發器更新和絕對轉角傳感器變更抑制；(2)轉角信號通過D觸發器進行采樣和保持；(3)噴射開始和結束轉角通過開始和結束比較器自動進行比較并通過或門、與非門和與門運算得到噴射信號；(4)單片機通過數據輸出端口輸出選缸信號通過四個與門對四個噴油器、點火線圈驅動電路進行控制；(5)噴射結束信號自動觸發單片機中斷程序；(6)在中斷程序中，單片機更新下一次噴射位置數據和選缸使能數據，為下一次噴射做好準備。
全文摘要
基于曲軸絕對轉角傳感器的發動機噴射及點火控制裝置，屬于發動機電子控制技術領域。包括絕對轉角傳感器、凸輪軸信號傳感器、D觸發器、比較器、邏輯門和單片機；絕對轉角傳感器數據輸出端與D觸發器輸入端相連；單片機PWM輸出模塊與絕對轉角傳感器輸入端和D觸發器時鐘輸入相連；凸輪軸信號傳感器與單片機第1數據輸入端口相連；D觸發器輸出端與開始比較器輸入端口P、結束比較器輸入端口P和單片機第2數據輸入端口相連；活門輸出端口、與非門輸出端口與第0與門輸入端口相連；第1與門輸出端口與1缸噴油器驅動電路輸入端口相連。本發明提高了發動機噴射控制精度，簡化了噴射程序，降低了單片機運算需求，為發動機管理系統提供了更多功能。
文檔編號F02D41/26GK101070793SQ20071011896
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月15日 優先權日2007年6月15日
發明者田碩, 李立國, 歐陽明高 申請人:清華大學