说明指导书基于单片机的电磁驱动气门设计.doc

中北大学
课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 陈 波 学 号：
学院（系）： 机电工程学院车辆和动力工程系
专 业： 热能和动力工程
题 目： 基于单片机电磁驱动气门设计

综合成绩：

指导老师： 张艳岗 职称: 助教

1 月 7 日

基于单片机电磁驱动气门设计
节能、环境保护已成为现代内燃机发展专题。长久以来,大家一直在追求燃油、配气正确控制,来提升燃油经济性,降低环境污染。传统内燃机大全部采取不变配气定时，它只适应发动机某一常见转速。最有利配气定时需经过反复试验确定。
汽车发动机采取可变气门驱动,使气门开启相位、气门开启连续角度、气门升程随发动机工况改变,能够改善怠速稳定性,增加低速下外特征扭矩,改善部分负荷燃油经济性和降低有害排放。相对于基于凸轮可变配气机构，无凸轮轴气门驱动(camshaftless valve actuation)取消了凸轮机构,不受凸轮型线限制，以电磁、电液、电气或其它方法驱动进排气门实现配气功效,能够柔性地调整配气定时和气门升程。其中以电磁驱动技术最为成熟(已经有装车试用报道)。
本文采取最具代表性“双弹簧双电磁铁气门驱动方案”，设计基于单片机AT89S52控制系统，实现气门开启相位和气门开启连续角度有效控制。
一、 基础情况和工作原理
电磁驱动气门机构(Electromechanical valve Actuation，简称为EMVA),现在 Aura Systems企业、FEV企业和通用汽车企业分别提出了工作原理基础相同采取双弹簧双电磁铁气门驱动方案,并进行了多年研究。其中Aura Systems和FEV电磁气门驱动机构已经装车试用。其结构示意图以下：

工作原理：电磁气门驱动机构关键由两个相同电磁铁（共用一个衔铁，衔铁和气门焊接在一起），两个相同弹簧和气门组成。发动机不工作时，激磁线圈1和2均不通电，气门半开半闭；发动机开启时，气门驱动装置初始化，控制系统依据曲轴转角判定气门在这一时刻应有开关状态，使线圈1或2通电，电磁力克服弹簧力，将气门关闭或开启。气门处于开启状态时，线圈1不通电，线圈2则必需通电，使电磁力等于或大于弹簧力以保持气门开启。要关闭气门时，线圈2断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向上运动；在气门靠近关闭位置时，线圈1通电，电磁力帮助气门（衔铁）快速至关闭位置；以后线圈1继续通电使气门保持在关闭状态。需要开启时，线圈1断电，衔铁和气门在弹簧力作用下向下运动。如此循环往复。
二、 系统模型浅析
电磁驱动气门是一个经典电、磁和机械相互耦合系统。在分析时,应将系统分为电、磁和机械三个子系统分别考虑,并建立子系统之间耦合关系。
（一） 电子系统
电系统原理图以下图一所表示，电磁铁被理想化为一个电感线圈，上下电路相同。深入简化为图二等效电路图，能够列出电压平衡方程为：
式中,Uin为电源电压;Icoil为经过线圈电流;Rcoil、Lcoil分别为线圈电阻和电感;Eemf为线圈在气隙磁场中运动时切割磁力线产生反电势;Bδ为气隙磁场强度;l为磁场中有效线圈导体总长度;v为线圈切割磁力线速度,即气门运动速度。

图一 图二 等效电路图
（二） 磁子系统
气门驱动力来自电磁线圈通电后对衔铁电磁力，大小取决于电磁驱动器结构尺寸、材料特征和电流大小,是驱动器一个特征参数,可表示为：
，其中Km表示一个常数。

（三） 机械子系统
电磁驱动气门可简化为一个单自由度弹簧-质量-阻尼系统,其动力学模型图所表示。动子M受到电磁力、弹簧力和阻尼力(包含摩擦和空气阻力),和燃烧室内气体对气门顶部压力(F0)。气门位移为x,零点位置在行程最上端,即气门关闭位置。由牛顿第二定律可得,气门运动微分方程为：

式中,m为动圈式电磁驱动气门运动质量,包含气门、动子线圈和骨架、连接件质量和弹簧质量1/3;c为阻尼系数;k为弹簧刚度系数。

（四） 子系统之间相互关系
由上述可得，系统运动微分方程组为：

子系统之间相互关系图所表示：

三、 硬件设计
（一） 高速电磁阀设计
高速电磁阀是该装置关键部分，关键包含弹簧、电磁铁(含静铁芯、动铁芯和电磁线圈)和专用气门。本文并不对各个部分设计展开具体论证，而只是参考文件资料完成零件选型。
1、 弹簧：中径D=3Omm，钢丝截面直径d:2.smm，有效圈数N=7圈，自由高度52mm，刚度为40N/mm，材料为一般气门弹簧材料:50CrVA，它许用应力为 700N/mmZ。两个弹簧采取一样参数，它们之间能够交换，形状为圆形截面圆柱螺旋压紧。
2、 电磁铁：选择Si钢作为EMVA驱动电磁铁静铁芯材料，选择工业纯Fe作为动铁芯(衔铁)材料。
3、 静铁芯：E型结构。
4、 动铁芯：动铁芯长度为56mm，宽为50mm，厚为10mm。
5、 电磁线圈：将线圈做成有骨架机构，骨架材料为胶木，线圈外部加封电工纸。参考国家电工专业标准，采取牌号为Q油性漆包铜线。
6、 气门：用一般微型汽车(昌河用)气门进行改装。
（二） 芯片及元器件选型
1、 单片机采取Atmel企业生产AT89S52，它是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，含有8K 在系统可编程Flash 存放器。
2、 变压器（三抽头，220AC to 24AC）、7805稳压芯片、整流二极管IN5408、NPN三极管9014、电解电容100uf、10uf，独石电容0.1uf、30pf。
3、 继电器（HRS2H-S-DC12V），74HC08，12V蓄电池。
（三） 电路设计
该系统电路关键由三部分组成：单片机最小系统、电源电路（12V to 5V、12V to 110V）、上下电磁线圈驱动电路。电路设计关键难点在于驱动电路。驱动电路作用是根据逻辑电路指令给电磁铁线圈通电，所以采取何种形式驱动电路，不仅影响电磁线圈中电流改变速度，从而影响EMVA快速响应特征;还影响电路本身能量消耗。它应该满足以下特征:
(1)在驱动阶段，驱动电路能提供较高电流(或电压)给电磁铁，使电磁铁立即产生足够大电磁力，提升整个电磁阀动态响应速度;
(2)在维持阶段，能使能量很好利用，预防过热，此时驱动电路应能提供维持电压(或电流);
(3)在驱动电压关断后，电磁线圈中储存能量应立即衰减，从而使电磁力快速减小，确保气门在弹簧作用下快速开启或关闭。
综上，该系统驱动电路采取高低压驱动方案。驱动高压为110VDC，维持低压为24VDC。
各部分电路设计以下：
单片机晶振采取12MHz，配合复位电路组成最小系统。
12V to 5V电路由三端稳压芯片7805完成，用来给单片机和74HC08供电。
12V to 110V电路：首先将12V蓄电池12V直流电经桥式逆变电路逆变为12V交流，再将此交流电由变压器进行升压，得到110AC，后经二极管搭成桥式整流电路整流，最终经电容滤波得到110DC。
线圈1驱动电路（12V）：单片机信号经过74HC08和门，将电平转换为CMOS电平，提升信号驱动能力，再驱动三极管9014实现线圈1通断电控制。
线圈2低压驱动电路（12V）：同上。
线圈2高压驱动电路（110V）：配合继电器（HRS2H-S-DC12V）和三极管9014实现线圈2通断电。
系统电路图见附录一。
四、 软件设计
（一）编程思绪
在工程应用上，正确思绪应该是这么：单片机经过传感器接口电路检测转速和负荷信号并修正后，经过查询预先存入MAP图，得到对应气门开启定时和气门升程，并由此确定电磁阀控制电流，然后输出一个脉冲信号以合适电流驱动电磁阀，使气门开闭，从而实现气门驱动控制。
不过发动机实际运行工况是极其复杂，考虑到本文只是做理论层次探讨，所以暂不考虑其它工况，采取单缸机模型，一个进气门和一个排气门，依据发动机转速将其分为低速、中速、和高速三个工况，由转速高低来确定气门开启相位和连续角度。因为气门升程控制较为复杂，所以本文暂不予考虑。因为MAP图等数据资料保密性，所以本系统程序并不包含MAP图，而是由作者依据发动机运转工况和配气定时之间关系确定一个“转速——气门相位关系表”，程序经过查询此表得到对应控制量。关系表以下：

进气提前角
进气迟闭角
排气提前角
排气迟闭角
气门叠开角
低速（<300r/min）
10
20
30
10
20
中速（300~1000r/min）
20
40
40
20
40
高速（>1000r/min）
30
60
50
35
65
转速——气门相位关系表
制订此表依据为：低速时，进气迟闭角和气门叠开角要小，预防新鲜充量向进气系统倒流；高速时，进气迟闭角和气门叠开角要大，以提升充量系数，满足动力性要求。进气迟闭角和气门叠开角应伴随转速升高而增大。对于通常内燃机，进气提前角在0至40度之间，进气迟闭角在20至60度之间，排气提前角在30至80度之间，排气迟闭角在10至35度之间。
在编程时应用到了曲轴位置传感器和凸轮轴位置传感器。曲轴位置传感器产生转速Ne信号，凸轮轴位置传感器产生上止点G信号，设计安装确保G信号在上止点前70度。曲轴转120度，Ne产生60个信号脉冲，G产生一个信号脉冲。
高压驱动电路连续时间t1取为1ms。
（二）控制算法
因为只对气门开启相位和气门开启连续角度控制，所以不考虑闭环而采取较简单开环控制方案。

（三）程序步骤图
查询G信号
开 始

初始化

对Ne信号进行计数，换算成发动机转速，1s钟采集一次数据，判定转速区间从而确定控制量

No

（70+排气迟闭角）所占时间
关闭排气门
（70-进气提前角）所占时间
开启进气门
计时
Yes

计时 计时

步骤

（360-排气连续角）所占时间
打开排气门
进气连续较所占时间
关闭进气门

（四）程序代码见附录二
五、 结论
本系统设计电磁驱动气门能够很好依据发动机转速调整气门开启相位和气门开启连续角度，从而改善了发动机性能。本文在理论层次上论证了控制硬件和软件设计，在一定程度上达成了控制要求。
六、 参考文件
1、乌.谢费尔特.未来汽车技术.北京：人民交通出版社，1990
2、姚国平.汽车电控系统结构原理检修.北京：人民邮电出版社，
3、袁兆成.内燃机设计.北京：机械工业出版社，1998
4、华北水利水电学院.工程机械用内燃机.北京：电力工业出版社，1981
5、唐开元.高等内燃机学.北京：国防工业出版社，
6、倪计民.汽车内燃机原理.上海：同济大学出版社，1996
7、张强.发动机电磁气门驱动机构及其控制系统研究.河南.硕士论文
8、张冲等.发动机无凸轮配气机构浅析.云南：云南农业大学学报，
9、李红艳等.发动机无凸轮轴气门驱动研究和进展.北京：车用发动机，
10、刘梁等. 一个动圈式电磁驱动气门可行性研究.南京：中国机械工程，