气动发动机的电控系统设计的研究

林漫琳

摘要：近年来，社会生活水平不断提高，环境污染问题更加严重，技术研发力度不断在增强。该文首先简要阐述了气动发动机电控系统设计总体方案，进而分别从总体结构设计、核心微处理器、信号采集模块、信号处理模块、功率驱动模块、通讯模块、软件设计等方面分析具体的电控系统设计要点，构建形成基于CAN总线的网络通信平台，旨在全面提升电控系统的应用效果。

关键词：气动发动机 电控系统 传感器  研究

中图分类号：TK172文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Research on the Design of Electronic Control System of Pneumatic Engine

LIN Manlin

（Guangzhou Electromechanical Technician College， Guangzhou， Guangdong Province， 510435 China）

Abstract： In recent years， social living standards have been improving， environmental pollution has become more serious， and technological research and development efforts have been strengthened. In his paper， firstlyit briefly describes the overall design scheme of pneumatic engine electronic control system， and then analyzes the specific design points of electronic control system from the aspects of overall structure design， core microprocessor， signal acquisition module， signal processing module， power drive module， communication module and software design， so as to form a network communication platform based on CAN bus， the purpose is to comprehensively improve the application effect of electronic control system.

Key Words： Pneumatic engine; Electric control system; Sensors; Research

近年来，社会生活水平不断提高、环境污染问题更加严重、技术研发力度不断在增强，为了更好地贯彻节能环保的工作要求，相继推出电动汽车、混合动力汽车等各种节能汽车，带动汽车的经济环保建设。其中，压缩空气动力汽车作为一种汽车类别，能够充分贯彻节能环保的设计要求，有效应对环境污染问题。该文则对电控系统的改装设计进行分析，最终制备形成基于电控系统控制电磁阀喷射压缩空气的气动发动机。

1气动发动机电控系统设计总体方案

关于气动发动机，相应设计电控系统，主要包括软件设计和硬件设计两个部分，旨在通过电控系统设计，完成发动机的实时监控，获取得到有关气动发动机运行状态的实际运行参数和运行效果，也正是通过获取得到的特征参数，借助控制系统实现特征参数的计算和分析，还可以通过气动发动机电控系统的作用，完成电磁阀喷气定时和喷气量的灵活把控，整个系统通讯过程也可以得到控制。

当设计气动发动机电控系统时，则需要合理分析系统检测和控制功能的实际需求，切实保证气动发动机电控系统能够更具针对性和可操作性。具体而言，首先，合理选择传感器和信号采集方式，借助传感器自身的数据采集功能，完成发动机运行状态的实时监控和动态分析。其次，合理选择元器件和控制芯片。無论是元器件，还是控制芯片，都会直接影响到气动发动机电控系统的应用效果，想要提高控制精度，则需要尽可能简化电路，选择那些性能稳定、功耗较低的元器件。最后，设计气动发动机电控系统采用模块化设计方法，对信号采集模块、信号处理模块、功率驱动模块、通信模块一一进行设计和分析。

2系统硬件设计

2.1总体结构设计

气动发动机电控系统硬件设计，则需要从整个气动发动机电控系统的应用性能和功能需求出发，合理进行研究与分析。其中，电控单元始终发挥着重要作用，气动发动机电控系统电控单元不仅包括输入信号处理模块、功率输出执行模块，同时还有通信模块和微控制系统模块，在系统硬件设计时，则需要从电控单元的各个模块进行分析，完成更具针对性的功能设计。

首先，气动发动机电控单元数据采集和处理功能。气动发动机电控系统电控单元不仅能够完成传感器采集数据的动态分析和处理，同时还可以将传感器采集得到的数据信息进行A/D转换，这些数据便可以直接构建形成便于读取的标准信号。

其次，气动发动机电控单元喷气控制。信号转换完成，在数学计算和逻辑判断之后，便可以相应完成控制命令驱动执行器（高速电磁阀）工作，也就是说，能够准确控制喷气量，还可以实现喷气定时。

最后，气动发动机电控单元控制整体稳定性的效能。依托于气动发动机电控单元的智能，可以完成CAN总线实时通信任务，切实保证发动机的稳定运行状态，将气动发动机故障发生的可能性降到最低[1]。在气动发动机电控系统中，凸轮轴信号曲轴信号相应传入数据、完成数字信号处理、油门位置相应传入数据、完成模拟信号处理，数字信号处理和模拟信号处理结果一同输入到主芯片，主芯片和监控系统相互联系和传输，经由主芯片将处理结果直接传送到功率驱动电路中，进而到达电磁阀。

2.2核心微处理器

气动发动机电控系统具有多方面的特点，不仅能够实现实时控制，而且具有较多的控制参数，控制算法也较为复杂多变。电控单元是气动发动机电控系统的核心部件，能够完成气动发动机数据采集和数据处理的多重职能，也正是基于气动发动机电控单元的作用，明确不同处理信号之间的关联、计算喷气量。需要注意的是，气动发动机电控系统自身工作环境较为复杂多变，也很容易受到外部环境的干扰，想要强化气动发动机电控系统的应用效能，有效应对恶劣环境、形成较强的防振动和防强电磁干扰特性。在选择芯片时，则采用ATmega16，选择一款高效率、高质量、具有较强数据处理能力的芯片，能够为后续各项工作的展开奠定良好基础。ATmega16主芯片自身的数据处理能力较强，具备较为丰富的外围接口，将其用于气动发动机电控中图分类号： 文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2022）01（b）-0000-00系统硬件设计，能够更好地满足数据采集和数据处理的需求。

2.3信号采集模块

在对信号采集模块进行设计时，则需要合理选择传感器。气动发动机电控系统的数据采集和状态控制主要是借助传感器完成的，传感器也会直接影响到电控系统的功能。无论是传感器选型，还是设计传感器信号处理电路，都需要从气动发动机电控系统自身应用情况进行分析，油门位置传感器和曲轴/凸轮轴位置传感器分别选用电位式传感器、霍尔式传感器，每一种传感器的应用特点和应用效能也存在差别，对于霍尔式传感器，又可以细分为开关型霍尔传感器、线型霍尔传感器，应用效果稳定、可靠性佳，能够广泛适应复杂多变的社会环境，使用寿命较长。对于电位式传感器，则可以借助踏板绕转轴的作用，实现转动加速踏板绕转轴，在加速踏板绕转轴转动的同时，电位器触点也会相应进行移动，输出电压也会相应受到影响，电压波动始终保持在0.5～4.5 V之间。

通常而言，对于传感器信号，一共包括两种，分别是数字信号和模拟信号。包括曲轴/凸轮轴信号在内的信号则为数字信号，能够在数字信号处理电路的作用下，先后完成滤波、放大、整形等多重功效，最终转换形成方波信号，数据信号也更加安全可靠，方波信号能够相应输入到主芯片输入捕捉（ICP1）引脚，还有部分方波信号相应输入到主芯片外部中断1（INT1）引脚。包括油门位置信号在内的模拟信号，则可以当完成模拟信号电路处理后，直接进行滤波，滤波结束便可以相应进行信号输入，在主芯片AD转换输入通道0（ADC0）引脚[2]。

2.4信号处理模块

在对气动发动机的电控系统信号处理模块进行设计时，主芯片已经集成ADC功能模块，能够直接在0-VCC的ADC完成电压范围的输入与输出。基于AD转换器，便可以完成信号转换的作用，讓模拟信号在AD转换器的作用下，直接演变为便于单片机处理的数字量，这些转换完的数据量能够直接保存在ADC数据寄存器当中。在对信号处理模块进行设计时，还会应用到定时计数器，选择和主芯片相契合的16位多功能定时计数器。借助16位多功能定时计数器的输入捕捉单元，便可以完成外部事件的实时获取，对于捕获到的外部事件能够以时间为单位，对外部事件进行记录。基于引脚ICP1，相应输入后续的外部事件触发信号，具体而言，引脚ICP1能够相应对系统运行状态进行检测，在检测期间发现引脚逻辑电平变化明显，这个时候输入捕捉便会被同步激发，引脚数据也会相应拷贝、传递，引发中断现象[3]。

设计气动发动机电控系统，当曲轴位置和凸轮轴位置信号完成电路处理后，则会直接接入到ICP1和INT1引脚当中，相应形成电平异常波动、进而实现曲轴、凸轮轴的中断现象。对于凸轮轴中断情况，则是基于凸轮轴中断程序，对压缩上止点位置进行科学分析与判断。

2.5功率驱动模块

功率驱动模块是气动发动机电控系统硬件设计中的重要组成部分，基于功率驱动模块的作用，可以完成控制信号的动态转换，经由单片机输出的控制信号，可以直接在功率驱动模块的作用下，转换形成电磁阀控制量。想要保证系统运行稳定且安全，则需要合理设计与应用高速电磁阀。在气动发动机控制系统中，高速电磁阀是核心执行器，能够直接影响到系统的运行效果和运行稳定性。在对高速电磁阀进行设计时，还需要合理把控电磁阀开关动作和响应时间。在安装电磁阀功率驱动模块时，高速电磁阀、电磁阀线圈需要相应和电源进行连接，电磁阀线圈还需要和场效应管漏极进行连接。选择不同的场效应管能够起到不同的效用，一个合理的场效应管，能够广泛适用于各种电路、完成信号处理、减少电路干扰。在电控单元运行期间，则可以直接发出驱动信号、实现光耦导通。在功率驱动模块设计时，同时选用D11肖特基二极管1N5819、R20功率电阻，将其和电磁阀进行并联处理，切实避免出现场效应管被击穿的情况。

2.6通信模块

事实上，气动发动机控制系统内部结构复杂多样，无论是对油门位置信号进行采集处理，还是控制喷气量，都需要谨慎对待，一旦设计不当，都会直接影响到气动发动机控制系统的实际应用效能。在气动汽车上，为了保证车辆正常行驶，同时还配备车辆灯光模块、空调系统模块等多个基本功能模块，基于这些功能模块的数据采集，完成车辆数据信息的获取和分析，实现整车控制的作用。在对通信模块进行设计时，则可以采用CAN总线。CAN总线数据通信可靠性强、稳定性佳，将其应用于气动发动机设计中，还可以减少成本投入，提高通信速率[4]。

3系统软件设计

当对气动发动机电控系统软件进行设计时，则需要秉持着标准化、模块化的设计原则，保证功能稳定和性能可靠，强化电控单元软件自身的可拓展性和抗干扰能力，也正是依托于电控单元软件的抗干扰单元，不仅能够完成系统保护，还可以实现自我诊断的作用效果，予以气动发动机一个安全稳定的运行环境，将发动机故障发生的可能性降到最低。需要明确的是，气动发动机电控系统时效性要求较高，这就需要合理把控喷气功能。当对电控单元软件进行设计时，首先需要进行模块初始化，然后再执行主控模块和中断模块的处理。特别是在初始化模块环节，需要合理设置电控系统状态参数、寄存器。

4系统调试

在设计完气动发动机电控系统硬件和软件后，相应进行系统调试，对系统具有的应用性能进行分析。调试结束后发现，该气动发动机电控系统能够达成设计要求，应用起来较为稳定可靠，能够实现快速且高效的参数检测，各个功能模块运行较为稳定可靠，特别是功率驱动模块，自身负载能力强、应用稳定性佳，很少会受到外部环境的影响。通信模块则可以完成系统化的发动机状态监控和参数传输分析。试验同时发现，喷气压力、冷却水温、喷气温度等因素和气动发动机保持着十分紧密的联系，在喷气压力、冷却水温、喷气温度等因素发生变动的同时，气动发动机转速也会相应受到影响，这就需要加强研究，合理分析影响发动机运作的运行参数，切实保证发动机的稳定性和安全性[5-6]。

5结语

综上所述，对关于气动发动机的电控系统设计展开分析具有至关重要的意义。该电控系统不仅应用起来较为简单灵活，而且测量精确、使用寿命长。为了更好地保障气动发动机的稳定状态，今后，则需要不断加强对气动发动机电控系统的设计和研究，合理把控各种发动机运行参数、提高技术应用效能。

参考文献

[1]  朱艮村.CAN总线技术在分布式控制系统中的应用[J].电子世界，2021（21）：192-193.

[2]  吕俊成，贾永辉，祁建德，等.车轮传感器的新型装配方案及其标定与解耦[J].汽车实用技术，2021，46（21）：159-162.

[3]  方蕾.CFM56发动机气动起动机维修研究[J].航空维修与工程，2021（3）：55-57.

[4]  戴梦萍，纪永秋.电动汽车CAN通信故障检修[J].内燃机与配件，2021（21）：154-155.

[5]  曾凡琮.四冲程气动发动机工作特性分析与试验研究[D].武汉：武汉理工大学，2019.

[6]  魏建.7S80ME型船用柴油机的建模与仿真研究[D].大连：大连海事大学，2017.