Témakör:
Gyújtószikra – jókor
Megjelent: 2017. július 20.
Mikrokontrolleres gyújtásszög-vezérlő Mikrokontrolleres gyújtásszög-vezérlő belsőégésű motorok kapacitív gyújtóáramköréhez
Egy – belső égésű motoroknál használható – kapacitás kisütésen alapuló Egy – belső égésű motoroknál használható – kapacitás kisütésen alapuló (Capacitor Discharge Ignition – CDI) gyújtásrendszer megvalósítható egyetlen főtengely-szögpozíció érzékelővel, valamint egy 8 bites mikrovezérlővel és annak szokásos perifériáival, de az ilyen tervek kihívásokat is rejthetnek magukban.
Egy belső égésű motor hengerében az üzemanyag és a levegő keveréke ég el igen magas hőmérsékleten, amelynek hatására az égéstermék kiterjed, ez lefelé mozdítja el a dugattyút, amely megforgatja a főtengelyt, és ezáltal kinetikus energiát állít elő. Ez a kinetikus energia továbbítódik a jármű kerekeihez, amelyek forgása a jármű lineáris elmozdulásává alakul át. Egy belső égésű motor hengerében az üzemanyag és a levegő keveréke ég el igen magas hőmérsékleten, amelynek hatására az égéstermék kiterjed, ez lefelé mozdítja el a dugattyút, amely megforgatja a főtengelyt, és ezáltal kinetikus energiát állít elő. Ez a kinetikus energia továbbítódik a jármű kerekeihez, amelyek forgása a jármű lineáris elmozdulásává alakul át. Egy négyütemű motorban a dugattyú mozgása négy működési fázisban – szívás, összenyomás, munkavégzés és kipufogás – valósít meg egy teljes működési ciklust, amelynek vázlata az 1. ábrán látható.
1. ábra Egy négyütemű, belső égésű motor működési fázisai és részei
A felső holtpont (FHP) a dugattyú legmagasabb helyzete (amikor a gyújtógyertához van a legközelebb), az alsó holtpont (AHP) pedig a legalacsonyabb helyzete (amikor a főtengelyhez van a legközelebb). Miután a munkavégzési ütemben a gyújtógyertya gyújtószikrát állított elő, az üzemanyag-levegő keveréknek időre van szüksége, hogy teljesen meggyulladjon. Az égés a gyújtógyertyánál kezdődik, és a keverékben gyorsan halad lefelé a dugattyú irányába. Következésképpen ahhoz, hogy az üzemanyag-levegő keverék teljesen elégjen és a maximális nyomáshullámot állítsa elő, egy pontosan időzített pillanatban kell begyújtani a FHP elérése előtt. Ezt a főtengely elfordulási szögével (gyújtási szög) is meg lehet adni. A megfelelő gyújtási szöget a dugattyú mozgási sebessége határozza meg.
Vannak más tényezők is, amelyek ugyancsak hatással vannak az optimális gyújtási szögre, például a hőmérséklet vagy a gázpedál helyzete. Arról, hogy a gyújtógyertya a szikrát helyes és pontos időpillanatban állítsa elő, egy külön részegység, az ún. gyújtásvezérlő gondoskodik.
Gyújtásrendszerek
Kétféle gyújtásrendszer terjedt el a gyakorlatban: az induktív kisüléses gyújtás (Inductive Discharge Ignition – IDI) – amelynek elektronikus megvalósítását szokás tranzisztoros gyújtásnak is nevezni – és a CDI. A CDI rendszer egy nagyfeszültségű kondenzátor kisütésekor folyó áramot használ arra, hogy gyújtószikra előállítására késztesse a gyújtógyertyát (2. ábra). Ezt az áramkört például egy Microchip mikrovezérlő (MCU) magfüggetlen perifériáinak (Core independent Peripherals – CIP) felhasználásával is meg lehet valósítani. Ilyenek a szög-elfordulás időzítő (Angular Timer – AT), a mérésidőzítő (Signal Measurement Timer – SMT), a matematikai gyorsító és a konfigurálható logikai cella (Configurable Logic Cell – CLC).
2. ábra Egyszerű kapacitáskisütéses gyújtóegység (CDI)
A CDI-rendszernek is két fajtája létezik: a váltakozó- és egyenáramú kapacitáskisütéses gyújtás (AC-CDI és DC-CDI). Egy AC-CDI-rendszerben egy dinamó vagy egy generátor elegendő teljesítményt állít elő a (CDI-t is beleértve) teljes elektronikai rendszer számára. A kapacitást a generátor egyenirányított kimenete tölti, amelynek feszültsége 200…400 V. Ha a motor hideg (nem működik), hidegindítást kell végezni, amelynek során mind a motort, mind a generátort meg kell forgatni. Ennek során a generátor nem állít elő elegendő teljesítményt ahhoz, hogy a kondenzátort megfelelően fel lehessen tölteni egy nagyfeszültségű gyújtószikra előállításához. Nagyon alacsony fordulatszámnál a gyújtási szög mindig állandó. Ezért analóg gyújtást alkalmaznak egy, a generátornál vagy a lendkeréknél elhelyezett főtengelyszög-érzékelőtekercs negatív kimeneténél, a fordulatszámra való tekintet nélkül.
Egy DC-CDI rendszerben egy állandó, 12 V-os feszültség mindig rendelkezésre áll az akkumulátorból. Egy további DC-DC-átalakítóra van szükség ahhoz, hogy ezt a 12 V-os feszültséget 200…400 V-ra növelje. Ez a többletáramkör az oka annak, hogy a CDI modul egy kicsit nagyobb, mint az AC-CDI rendszereknél. Ha a motor nem jár, könnyen beindítható a pontosan számított előgyújtási szöggel, hiszen az egyenfeszültségű tápfeszültség mindig rendelkezésre áll.
Annak érdekében, hogy egy nagyfeszültségű szikra keletkezzék a gyújtógyertyában, egy nagy feszültségtűrésű kondenzátort kell nagy feszültségre feltölteni akár a DC-DC-átalakító kimenetéről (a DC-CDI-nél), akár a generátor kimenetéről (az AC-CDI-nél). A kondenzátort a nagyfeszültségű tápegység 200…400 V feszültségre tölti fel. A kondenzátort egy gyújtótekercsre (egy feszültségnövelő impulzustranszformátorra) kapcsolva egy nagyfeszültségű (40 kV vagy nagyobb) feszültség-impulzus keletkezik.
A kapcsoló a kondenzátort a gyújtótekercs primer körére kapcsolja rá. A kapcsoló abban a pillanatban kapcsol be, amikor az MCU impulzust ad a kapcsoló kapuelektródájára. A tekercs primer körének hirtelen áramnövekedése állítja elő a nagyfeszültségű impulzust a szekunder körben, amely a gyújtógyertyában szikrát okozva begyújtja az üzemanyag-levegő keveréket. Ezen a módon tehát az MCU képes vezérelni azt, hogy a főtengely milyen pozíciójánál jelenjen meg a gyújtószikra.
A CDI-k nagyteljesítményű kapcsolójaként rendszerint félvezetős vezérelt egyenirányítót (Silicon Controlled Rectifier – SCR, tirisztor) alkalmaznak. Ez rendkívül strapabíró, mivel nagy üzemi feszültséget és áramot is elvisel, viszont mérsékelt üzemi frekvenciasávval rendelkezik. Az SCR hátránya, hogy „egyirányú” kapcsoló, amelyet csak bekapcsolni lehet, ugyanis a kikapcsolása automatikusan történik, ha a kapcsolt feszültség az eszköz alsó küszöbfeszültsége alá csökken. A korszerűbb CDI-rendszereknél IGBT-t vagy MOSFET-et is használhatnak, mivel ezeknek a kapcsolóknak a bekapcsolásán kívül a kikapcsolása is vezérelhető, továbbá a frekvenciasávjuk is szélesebb, ami előnyös a magasabb fordulatszám-tartományokban.
Az impulzusadó tekercs (szögpozíció-érzékelő) rendeltetése az, hogy ez adja az időzítő jelet a gyújtásvezérlő rendszer számára.
A lendkerékre egy mágnes van rögzítve. Amikor a lendkerék forog, a mágnes elhalad az impulzusadó tekercs közelében, és előállít egy időzítő impulzust. Ez áthaladásonként egy impulzus – de inkább egy impulzuspár, mivel minden mágnesnek két pólusa van. Ezért egy pozitív impulzust egy negatív impulzus követ, amely egy alternatív impulzussorozatot eredményez. Az egyszerű impulzusadó rendszerekben csak egy ilyen impulzuspárt használnak fel. A többimpulzusos rendszerekben több impulzuspár keletkezik, attól függően, hány mágnes helyezkedik el a lendkerék kerületén. Az ellenirányú impulzusok egymáshoz – és a dugattyú felső holtpontjához – képest rögzített szögkülönbséggel jelennek meg a motor minden körülfordulásakor. Az impulzusok időzítése tehát merev kapcsolatban van a motor forgási helyzetével. A szögpozíció-érzékelőből minden körülforduláskor megjelenő, kettős polaritású impulzuspárok számától függően a gyújtásvezérlés egy- vagy többimpulzusos kialakítású lehet.
Az egyimpulzusos rendszerekben az impulzusadó tekercs minden körülforduláskor egy pozitív impulzust állít elő, amelyet egy negatív polaritású referenciaimpulzus követ. Az impulzusok közötti szögpozíció-változás és a negatív impulzus és az FHP közötti szögelfordulás fix értékű. A gyújtószikrát olyan szögpozíciónál kell előállítani, amely optimális az adott hőmérsékletnél, gázpedál-állásnál és fordulatszámnál. Ez az optimális gyújtási szög rendszerint a pozitív és a negatív impulzus közé esik. A negatív impulzus az a referenciapont, amely megadja a gyújtás időpontját nagyon alacsony fordulatszámoknál. A fordulatszám növekedtével a gyújtási szög a két impulzus között változik.
Egy többszörös impulzusú impulzusadó rendszerben az impulzusadó tekercs egy fordulaton belül egynél több impulzuspárt állít elő. A második negatív impulzus az FHP előtti referenciapont. Ez adja meg a minimális gyújtásszöget, amely akkor alkalmazható, ha a motor fordulatszáma az alsó küszöbértéknél kisebb. Az első pozitív és negatív impulzust a motor fordulatszámának kiszámítására lehet használni.
A második pozitív impulzus a nagyobb fordulatszámoknál használható gyújtási szög kiszámításának referenciapontja. Ezek az impulzusok a ±3…±90 V-os feszültségtartományba esnek, attól függően, hogy mekkora térerősséget keltenek a lendkerékre szerelt mágnesek az impulzusadó tekercs helyén.
Az impulzusokat egy jelkondicionáló áramkör dolgozza fel, amely invertálja a negatív impulzust, és az amplitúdót a 0…5 V-os tartományra korlátozza, továbbá szűri a zavaró zajokat. Ez a jelkondicionáló áramkör két pozitív feszültségimpulzust adó kimenettel rendelkezik: az egyiken az impulzusadó tekercsből érkező pozitív feszültséghullámnál, a másikon a negatív feszültséghullámnál jelenik meg impulzus. A jelkondicionáló áramkör kimenetei az MCU bemeneteire csatlakoznak.
Mikrokontroller
Egy digitális CDI rendszerben a mikrovezérlőnek két fő funkciója van. Meghatározza az előgyújtási szöget, amelyhez a szenzorokból, például az impulzusadó tekercsből, a termisztorból és a gázpedál beállítási szögét meghatározó érzékelőből kiolvasott adatokat használja fel. Ezután előállítja a gyújtószikrát a megfelelő időpontban kiváltó indítóimpulzust, valamint beállítja a DC-DC konverter impulzusszélesség-modulátorának (PWM) kitöltési tényezőjét.
A belső égésű motor optimális működéséhez szükséges előgyújtási szög erősen függ a motor fordulatszámától. Ezért a rendszernek szüksége van a hőmérsékleten és a gázpedál pozícióján kívül a fordulatszám pillanatértékére is. Az MCU memóriájában tárolt áttekintőtáblázatok (amelyeket gyakran térképnek is neveznek) tartalmazzák a különféle fordulatszámokhoz tartozó optimális előgyújtásszög-értékeket. Több ilyen térképet is használnak, amelyek a különböző gázpedál-beállításhoz vagy a különböző motorhőmérsékletekhez adják meg az optimális fordulatszám–előgyújtásszög értékpárokat.
A PIC MCU-k perifériái, például a leolvasott értékeket közvetlenül összehasonlító áramkör, a PWM (CCP) vagy az AD-konverter, valamint a mikrovezérlő programmegszakítás (INT) bemenete együtt használhatók fel a CDI gyújtásszög-vezérlésének bemeneteként.
A jelkondicionáló áramkör impulzust állít elő a lendkeréken elhelyezett mágnesek áthaladásakor keletkező kettős polaritású impulzusokból. Ennek pozitív impulzusjel-kimenete adódik át az MCU jelbefogó-összehasonlító (capture-compare) egységének, amely méri az időt két egymást követő pozitív impulzus között. Ez tehát az impulzusadó tekercs pozitív impulzussorozatának periódusideje, amiből a motor fordulatszáma egyszerűen kiszámítható.
Egy analóg-digitális átalakító (ADC) szolgál arra a célra, hogy digitális kóddá alakítsa át a motorhőmérséklet és a gázpedál-pozíció értékeit, amennyiben azok analóg formában állnak rendelkezésre. Ha a gázpedál állásáról digitális információ áll rendelkezésre, a teljesen benyomott gázpedál (Wide Open Throttle – WOT) vagy részlegesen benyomott gázpedál (Partially Open Throttle – POT) állapotait különböztetjük meg. A kétféle gázpedál-beállításhoz és a motorhőmérsékletekhez külön térképek vannak tárolva az MCU memóriájában.
A 3. ábra mutatja a CDI megvalósításának hagyományos módját.
3. ábra A CDI megvalósításának hagyományos módja
A fordulatszám kiszámításának hagyományos módszere egy 16 bites időzítőt használ a jelbefogó és összehasonlító perifériához a fordulatszám meghatározására. Alacsonyabb (60-nál kisebb) percenkénti fordulatszámoknál (amikor az impulzusadó tekercs kimeneti jelének a frekvenciája kisebb 1 Hz-nél), a 16 bites időzítő számlálója túlcsordul, ha az időzítő órajelének frekvenciája 1 MHz.
Ilyen esetben az időzítő túlcsordulásbitjét is figyelembe lehet venni a fordulatszám kiszámításához.
Perifériák
A PIC16F161X 8 bites mikrovezérlőnek van egy olyan magfüggetlen perifériája (CIP), amelynek a neve szögelfordulásmérő időzítő (Angular Timer – AT). Ez felhasználható belső égésű motorok gyújtásvezérlőiben a szikra pontos gyújtási szöggel történő indítására, és ehhez nagyon kevés processzor-beavatkozásra van szükség. Amint az a 4. ábrán látható, kiválasztható, hogy az AT magfüggetlen perifériáról, vagy külső processzorkivezetésről érkező bemenőjelet használjon.
4. ábra Az AT tömbvázlata egyimpulzusos üzemmódban
A PIC mikrovezérlők magfüggetlen perifériái – mint a CLC, AT, SMT és a matematikai gyorsító – alkalmasak arra, hogy segítségükkel a CDI gyújtási szög vezérlési funkcióit megvalósítsuk.
A fordulatszám kiszámítására egy 24 bites SMT-t használunk. Az SMT-t ablakmérési üzemmódba konfiguráljuk, amelynél az ablakjel bemenetre az AT periodikus impulzusait kapcsoljuk. Valahányszor az AT egy periódusjel-impulzust ad, az SMT az időzítő értékét egy regiszterbe menti, nullázza az időzítő számlálóját és újraindítja a számlálást. Amikor az időzítő értéke a regiszterbe kerül, egy „periódusidő-adat kész” jelentésű programmegszakítást okoz.
A matematikai gyorsító perifériát (amelyet PID modulnak is neveznek) arra használjuk, hogy az aktuális fordulatszám-adatból kiszámítsa a gyújtási szöget.
Összegzés
A CDI rendszerek kétféleképpen valósíthatók meg a PIC16F mikrovezérlők felhasználásával: egyrészt a hagyományos módszerrel, másrészt a magfüggetlen perifériák – mint például az AT, CLC, SMT és matematikai gyorsító, valamint a komplementer hullámforma generátor (Complementary Waveform Generator – CWG) – felhasználásával. Az utóbbi megoldás, azaz a CIP-ek használata jelentősen növeli a megvalósított rendszer teljesítőképességét és egyszerűsíti a CDI megvalósítását.
Az AT a bemeneti jelet a processzor közreműködése nélkül képes szögpozícióvá konvertálni. Ez segít megnövelni a teljesítőképességet, mivel feleslegessé teszi a fokokban kifejezett előgyújtási szöget időtartammá konvertáló szoftverrészt. Általa a szögben kifejezett adatok is nagyon pontosak lehetnek a teljes bemenetijel-tartományban.
A CDI rendszer teljesítőképessége jelentősen megnövelhető az AT felhasználásával, amely révén a processzornak jelentős számítási képessége marad szabadon más számítások számára. Ráadásul, a matematikai gyorsító felhasználásával a számítások pontosabban és gyorsabban végezhetők. Az SMT pedig – a maga „vele született” nagy felbontásával – segít még az alacsony fordulatszám-tartományban is követni a motor működését és elvégezni a szükséges beavatkozásokat, és mindezt jelentős processzor-számításigény nélkül. Hasonló megvalósítási technika alkalmazható más – például az IDI – rendszereken is, ugyanezen CIP-ek felhasználásával.
Még több Microchip
Szerzők: Ashutosh Tiwaril[1], Shailendra Vengurlekar[2], Namrata Dalvi[3]– Microchip Technology
[1] Vezető alkalmazástechnikai mérnök
[2] Automotív alkalmazástechnikai igazgató
[3] Vezető alkalmazástechnikai mérnök