说明书——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： 0701024140
学院（系）： 机电工程学院车辆与动力工程系
专 业： 热能与动力工程
题 目： 基于单片机的电磁驱动气门设计

综合成绩：

指导教师： 张艳岗 职称: 助教

2011年 1 月 7 日

基于单片机的电磁驱动气门设计
节能、环保已成为现代内燃机的发展主题。长期以来,人们一直在追求燃油、配气的精确控制,来提高燃油经济性,降低环境污染。传统内燃机大都采用不变的配气定时，它只适应发动机某一常用的转速。最有利的配气定时需通过反复试验确定。
汽车发动机采用可变气门驱动,使气门开启相位、气门开启持续角度、气门升程随发动机的工况变化,可以改善怠速稳定性,增加低速下外特性扭矩,改善部分负荷燃油经济性和降低有害排放。相对于基于凸轮的可变配气机构，无凸轮轴气门驱动(camshaftless valve actuation)取消了凸轮机构,不受凸轮型线的限制，以电磁、电液、电气或其他方式驱动进排气门实现配气功能,可以柔性地调节配气定时和气门升程。其中以电磁驱动技术最为成熟(已有装车试用的报道)。
本文采用最具代表性的“双弹簧双电磁铁气门驱动方案”，设计基于单片机AT89S52的控制系统，实现气门开启相位和气门开启持续角度的有效控制。
一、 基本情况和工作原理
电磁驱动气门机构(Electromechanical valve Actuation，简称为EMVA),目前 Aura Systems公司、FEV公司和通用汽车公司分别提出了工作原理基本相同的采用双弹簧双电磁铁气门驱动方案,并进行了多年的研究。其中Aura Systems和FEV的电磁气门驱动机构已经装车试用。其结构示意图如下：

工作原理：电磁气门驱动机构主要由两个相同的电磁铁（共用一个衔铁，衔铁和气门焊接在一起），两个相同的弹簧和气门组成。发动机不工作时，激磁线圈1和2均不通电，气门半开半闭；发动机启动时，气门驱动装置初始化，控制系统根据曲轴转角判定气门在这一时刻应有的开关状态，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则必须通电，使电磁力等于或者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的作用下向上运动；在气门接近关闭位置时，线圈1通电，电磁力帮助气门（衔铁）快速至关闭位置；此后线圈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典型的电、磁和机械相互耦合的系统。在分析时,应将系统分为电、磁和机械三个子系统分别考虑,并建立子系统之间的耦合关系。
（一） 电子系统
电系统原理图如下图一所示，电磁铁被理想化为一个电感线圈，上下电路相同。进一步简化为图二等效电路图，可以列出电压平衡方程为：
式中,Uin为电源电压;Icoil为通过线圈的电流;Rcoil、Lcoil分别为线圈的电阻和电感;Eemf为线圈在气隙磁场中运动时切割磁力线产生的反电势;Bδ为气隙磁场强度;l为磁场中有效线圈导体总长度;v为线圈切割磁力线的速度,即气门运动速度。

图一 图二 等效电路图
（二） 磁子系统
气门的驱动力来自电磁线圈通电后对衔铁的电磁力，大小取决于电磁驱动器的结构尺寸、材料特性以及电流的大小,是驱动器的一个特性参数,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的弹簧-质量-阻尼系统,其动力学模型如图所示。动子M受到电磁力、弹簧力和阻尼力(包括摩擦和空气阻力),以及燃烧室内气体对气门顶部的压力(F0)。气门的位移为x,零点位置位于行程最上端,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的运动质量,包括气门、动子线圈和骨架、连接件的质量以及弹簧质量的1/3;c为阻尼系数;k为弹簧刚度系数。

（四） 子系统之间的相互关系
由上述可得，系统的运动微分方程组为：

子系统之间的相互关系如图所示：

三、 硬件的设计
（一） 高速电磁阀的设计
高速电磁阀是该装置的核心部分，主要包括弹簧、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的设计展开详细的论证，而只是参考文献资料完成零件的选型。
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，材料为普通气门弹簧材料:50CrVA，它的许用应力为 700N/mmZ。两个弹簧采用同样的参数，它们之间可以互换，形状为圆形截面的圆柱螺旋压紧。
2、 电磁铁：选用Si钢作为EMVA驱动电磁铁的静铁芯材料，选用工业纯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：将线圈做成有骨架的机构，骨架材料为胶木，线圈外部加封电工纸。参照国家电工专业标准，采用牌号为Q的油性漆包铜线。
6、 气门：用普通微型汽车(昌河用)气门进行改装。
（二） 芯片及元器件的选型
1、 单片机：采用Atmel公司生产的AT89S52，它是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。
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
该系统的电路主要由三部分组成：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。电路设计的核心难点在于驱动电路。驱动电路的作用是按照逻辑电路的指令给电磁铁线圈通电，因此采用何种形式的驱动电路，不仅影响电磁线圈中电流的变化速度，从而影响EMVA的快速响应特性;还影响电路本身的能量消耗。它应该满足如下特性:
(1)在驱动阶段，驱动电路能提供较高的电流(或电压)给电磁铁，使电磁铁尽快产生足够大的电磁力，提高整个电磁阀的动态响应速度;
(2)在维持阶段，能使能量很好利用，防止过热，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，电磁线圈中储存的能量应尽快衰减，从而使电磁力迅速减小，确保气门在弹簧的作用下迅速开启或关闭。
综上，该系统驱动电路采用高低压驱动方案。驱动高压为110VDC，维持低压为24VDC。
各部分电路设计如下：
单片机晶振采用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蓄电池的12V直流电经桥式逆变电路逆变为12V的交流，再将此交流电由变压器进行升压，得到110AC，后经二极管搭成的桥式整流电路整流，最后经电容滤波得到110DC。
线圈1驱动电路（12V）：单片机信号经过74HC08与门，将电平转换为CMOS电平，提高信号的驱动能力，再驱动三极管9014实现线圈1的通断电控制。
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的通断电。
系统电路图见附录一。
四、 软件的设计
（一）编程思路
在工程应用上，正确的思路应该是这样：单片机通过传感器接口电路检测转速和负荷信号并修正后，通过查询预先存入的MAP图，得到相应的气门开启定时和气门升程，并由此确定电磁阀的控制电流，然后输出一个脉冲信号以适当的电流驱动电磁阀，使气门开闭，从而实现气门驱动的控制。
但是发动机的实际运行工况是极其复杂的，考虑到本文只是做理论层次的探讨，因此暂不考虑其它工况，采取单缸机模型，一个进气门和一个排气门，根据发动机的转速将其分为低速、中速、和高速三个工况，由转速的高低来确定气门的开启相位和持续角度。因为气门升程的控制较为复杂，因此本文暂不予考虑。因为MAP图等数据资料的保密性，所以本系统的程序并不涉及MAP图，而是由作者根据发动机运转工况和配气定时之间的关系拟定一个“转速——气门相位关系表”，程序通过查询此表得到相应的控制量。关系表如下：

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
制定此表的依据为：低速时，进气迟闭角和气门叠开角要小，防止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，以提高充量系数，满足动力性的要求。进气迟闭角和气门叠开角应随着转速的升高而增大。对于一般内燃机，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，设计安装保证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。
高压驱动电路持续时间t1取为1ms。
（二）控制算法
由于只对气门开启相位和气门开启持续角度控制，因此不考虑闭环而采用较简单的开环控制方案。

（三）程序流程图
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，判断转速区间从而确定控制量

No

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

计时 计时

流程

（360-排气持续角）所占的时间
打开排气门
进气持续较所占的时间
关闭进气门

（四）程序代码见附录二
五、 结论
本系统设计的电磁驱动气门能够很好的根据发动机的转速调整气门开启相位和气门开启持续角度，从而改善了发动机的性能。本文在理论层次上论证了控制硬件和软件的设计，在一定程度上达到了控制要求。
六、 参考文献
1、乌.谢费尔特.未来的汽车技术.北京：人民交通出版社，1990
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3、袁兆成.内燃机设计.北京：机械工业出版社，1998
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5、唐开元.高等内燃机学.北京：国防工业出版社，2008
6、倪计民.汽车内燃机原理.上海：同济大学出版社，1996
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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，2009
9、李红艳等.发动机无凸轮轴气门驱动的研究与进展.北京：车用发动机，2001
10、刘梁等. 一种动圈式电磁驱动气门的可行性研究.南京：中国机械工程，2009