Ustvariti iskro

microchip 300x74 - Ustvariti iskroMicrochip Technology Inc
Avtorji: Ashutosh Tiwari, Shailendra Vengurlekar in Namrata Dalvi
2018_266_27

Ashutosh Tiwari, Shailendra Vengurlekar in Namrata Dalvi iz Microchip Technology bodo v tem članku predstavili, kako si lahko s kotnim časovnikom mikrokontrolerja pomagamo pri proženju kondenzatorskega vžiga pri motorjih z notranjim izgorevanjem.

Sistem vžiga s kondenzatorskim praznjenjem (CDI) v motorju z notranjim izgorevanjem se lahko izvede na sistemih za samodejni vžig (PIP) z uporabo standardnih perifernih naprav na 8-bitnih mikrokontrolerjih, vendar ostajajo tudi nekateri izzivi, povezani z načrtovanjem takšnih vezij.

V motorju z notranjim izgorevanjem izgoreva mešanica zraka in goriva, pri tem pa nastaja visoka temperatura, ki širi izpušne pline, zaradi česar se bat v cilindru premakne, kar povzroči vrtenje odmične gredi in ustvarjanje kinetične energije. Ta kinetična energija je povezana s kolesi vozila prek zobnikov za pretvorbo kotnega gibanja v linearno gibanje.

Na sliki 1 je prikazan štiritaktni ciklični motor, ki za dokončanje enega delovnega cikla prehaja skozi štiri različne faze – sesanje, stiskanje, vžig in izpuh.

Zgornja mrtva točka (TDC) je v najvišjem položaju bata in pri najkrajši razdalji do svečke, spodnja mrtva točka (BDC) pa je najnižji položaj bata v kateri se bat hkrati najbolj približa odmični gredi. Po vžigu svečke v fazi vžiga mešanica zraka in goriva potrebuje nekaj časa, da popolnoma zgori; ta proces izgorevanja je po naravi progresiven, saj se vžig mešanice najprej zgodi na vrhu in se nato hitro premika proti dnu.

266 27 04 300x211 - Ustvariti iskro

Slika 3: Običajna metoda CDI vžiga

Če želimo, da mešanica goriva in zraka popolnoma zgori in pri tem ustvari največji možni tlak v valju, mora biti trenutek, ko naj bi preskočila iskra na vžigalni svečki, natančno določen, še preden bat doseže zgornjo mrtvo točko in sicer pod nekim ustreznim kotom, ki se določi glede na hitrost bata motorja. Obstajajo še drugi dejavniki, kot sta temperatura in položaj ročice za plin, ki lahko prav tako vplivata na določanje kota, pri katerem naj bi prišlo do vžiga. Če pa želimo pravilno in v točno določenem trenutku sprožiti vžig, moramo uporabiti poseben modul, ki je znan kot mehanizem za nadzor vžiga.

Sistemi za vžig

Obstajata dve vrsti sistemov za vžig: vžig z induktivnim praznjenjem (IDI) ali tranzistorsko krmiljen vžig (TCI) in CDI sistem. CDI sistem za ustvarjanje iskre na vžigalni svečki uporablja visokonapetostni kondenzatorski tokovni izhod – glej sliko 2. Izvede se lahko z uporabo od procesnega jedra neodvisnih vgrajenih perifernih naprav (CIP), ki jih najdemo v PIC mikrokontrolerjih podjetja Microchip. Sem je vključen tudi kotni časovnik (AT), merilnik časa merjenja signala (SMT), pospeševalnik matematičnih računskih operacij in nastavljiva logična celica (CLC).

Obstajata dve vrsti CDI sistemov za vžig s praznjenjem kondenzatorja: z izmeničnim in z enosmernim tokom, s kraticami pa ju označujemo z AC-CDI in DC-CDI. V AC-CDI sistemu alternator ali stator (magnetni) ustvarja dovolj energije za pogon vseh elektronskih sistemov, vključno s CDI-jem. Kondenzator napolnimo z usmerjanjem napetosti iz izhoda napajalne izmenične napetosti, ki jo dobimo iz magneta in znaša nekje od 200 do 400 V enosmerne napetosti. Ko je motor hladen (ne deluje), je potrebno na nek način zagnati motor in magnet. To pa na žalost ne ustvari zadostne moči, da bi magnet lahko popolnoma napolnil kondenzator za ustvarjanje visokonapetostne iskre. Pri zelo nizkih vrtljajih motorja je kot vžiga vedno konstanten, zato je za vžig mešanice uporabljen analogni vžig pri nekem negativnem kotu PIP iz tuljave ob magnetnem vztrajniku in sicer brez izračunavanja vrtljajev.

V DC-CDI sistemih je baterija s stalno enosmerno napetostjo 12 V vedno na voljo, potrebujemo pa dodaten DC-DC pretvornik, ki bo dvignil enosmerno napetost 12V na 200-400V. Zaradi tega dodatnega vezja je DC- CDI modul nekoliko večji od AC-CDI sistema. Ko motor ne deluje, ga je mogoče enostavno zagnati s točno izračunanim kotom vžiga, saj je vhodna enosmerna napetost vedno na voljo.

Za ustvarjanje visokonapetostne iskre v vžigalni svečki se visokonapetostni kondenzator z visoko zmogljivostjo napolni z uporabo izhoda DC-DC pretvornika (DC-CDI) ali z uporabo izhodnega magneta, AC alternator (AC-CDI). Kondenzator je napolnjen z visokonapetostno napetostjo, običajno od 200 do 400V.

Kondenzator je priključen na vžigalno tuljavo ali ojačevalni impulzni transformator, ki proizvaja zelo visoko napetost v območju 40 kV ali več.

Stikalo poveže kondenzator s primarnim navitjem vžigalno tuljavo. Stikalo se sproži, ko mu mikrokontroler dovede impulz na njegova vrata. Nenadni porast toka na primarnem navitju vžigalne tuljave povzroči zelo visoko napetost v njenem sekundarnem navitju, kar ustvari iskro, ki vžge mešanico zraka in goriva. S tem mikrokontroler nadzira kot vklopa stikala za ustvarjanje iskre.

Najpogosteje se v CDI uporablja kot močno stikalo polprevodniški krmiljen usmernik (SCR, bolj znan kot tiristor), ki je zelo trpežen zaradi višjih obratovalnih napetosti in tokovnih zmogljivosti z zmernim frekvenčnim odzivom. Pomanjkljivost tiristorja (SCR) pa je, da je enostransko stikalo, torej je mogoče stikalo le vklopiti. Samodejno pa se bo izklopilo, ko je napetost na njem nižja od spodnjega praga delovanja oziroma prevajanja.

IGBT in MOSFET se uporabljajo v sodobnih izvedbah CDI zaradi njihove zmožnosti vklopa in izklopa ter boljšega frekvenčnega odziva na višjih področjih delovanja.

266 27 05 300x188 - Ustvariti iskro

Slika 4: Blok shema AT periferne naprave v enoimpulznem načinu delovanja

Pulzna tuljava (ali pick-up/timing tuljava) je potrebna za zagotavljanje časovnega signala za pravilno delovanje sistema za krmiljenje vžiga.

Magnet je nameščen na vztrajniku, ta pa je nameščen na magnetno gred. Ko se vztrajnik vrti, magnet prehaja v bližini pulzne tuljave, ki proizvaja časovni impulz. Obstaja po en impulz na vsak magnetni pol, zato za vsak magnet obstajata dva izhoda, en pozitivni impulz, ki mu sledi negativni impulz, ki ustvarja en izmenični pulzni par. Za en sam PIP sistem je potreben samo en par, za več-impulzne sisteme pa obstaja več impulznih parov, število pa je odvisno od števila magnetov na vztrajniku. Izmenični impulzi imajo točno določen kot glede na pozicijo bata TDC v motorju za vsak obrat gredi. Časovno obdobje med impulzi proži vrtenje motorja.

Na podlagi števila izmeničnih impulzov z magnetnega odjemalca ob enem obratu motorja je sistem pulznih tuljav lahko enojni ali večkratni PIP sistem.

V enojnem PIP sistemu impulzna tuljava zagotavlja en pozitivni impulz, ki ji sledi negativni referenčni impulz. Kota med posameznimi impulzi in med negativnim impulzom in TDC sta določena. Proženje iskre mora biti pod določenim kotom glede na delovno temperaturo motorja, položaj ročice plina in vrtilno frekvenco vrtljajev. Ta kot je običajno nekje med kotoma, kjer se pojavljata pozitivni in negativni impulz.

Negativni impulz je referenčna točka za proženje iskre pri zelo nizkem številu vrtljajev vrtilni frekvenci. Kot proženja iskre se višjem številu vrtljajev motorja spremeni v nek kot med obema impulzoma.

V večkratnem sistemu PIP impulzna tuljava zagotavlja več kot en izmenični impulz. Drugi negativni impulz je referenčna točka pred GMT. To je najmanjši kot pred GMT, pri katerem je treba ustvariti iskro za število vrtljajev motorja, ki so pod pragom najnižje hitrosti.

Prvi pozitivni in negativni impulze se lahko uporabita za izračun števila vrtljajev motorja. Drugi pozitivni impulz je lahko referenčna točka za določanje trenutka proženja iskre za večje hitrosti.

Pulzna tuljava ustvarja časovni signal, ki vsebuje pozitivne in negativne impulze. Ti impulzi so v območju od ± 3 do ± 90 V, odvisno od jakosti magnetnega polja magneta, ki je nameščen na vztrajniku.

Vezje za prilagajanje (kondicioniranje) signala obrne negativni impulz in vse impulze omeji na 0 do 5V. Obenem je v tem vezju tudi filtriranje motenj. Naprava za prilagajanje signalov daje dva pozitivna izhoda, eden bo ustrezal pozitivnim impulzom, drugi pa negativnim impulzom. Izhoda iz vezja za prilagajanje signalov sta povezana naprej na mikrokontroler.

Mikrokontroler

V digitalnih CDI sistemih ima mikrokontroler dve glavni funkciji: odločanje o kotu predvžiga z branjem vhodov iz senzorjev, kot so tuljava pulzerja, termistor in senzor položaja plina, glede na podatke iz senzorjev nato izračunati trenutek vžiga ter nastavitev delovnega cikla pulzno širinskega (PWM) modulatorja DC-DC pretvornika.

Kot predvžiga, ki je potreben za optimalno delovanje motorja, je v največji meri odvisen od trenutnega števila vrtljajev motorja. Prav zato mora sistem v vsakem trenutku vedeti, kakšna je hitrost vrtenja, oziroma kakšno je trenutno število vrtljajev motorja, njegova temperatura in položaja ročice za plin. V programskem pomnilniku mikrokontrolerja so shranjene vpogledne tabele (ki jih imenujemo tudi mape), vrednosti pa predstavljajo neposredne vrednosti kota predvžiga glede na RPM.

Shranjenih je več vpoglednih tabel z mapami, ki se prebirajo pri različnih položajih ročice za plin in pri različnih temperaturah. Ko krmilnik izračuna trenutno število vrtljajev motorja, lahko v ustrezni mapi poišče zapisan kot predvžiga.
V PIC mikrokontrolerjih so vgrajene različne periferne enote, kot sta na primer zajemanje trenutne vrednosti signala z vzorčenjem ali PWM generator (CCP) z ADC, ki se v CDI-ju lahko skupaj s prekinitvenim vhodnim priključkom INT uporabijo za določanje optimalnega kota pri krmiljenju vžiga.

Izhod ob pozitivnem PIP signalu vezja za prilagajanje signala se pripelje na modul za zajemanje signala. Ta modul meri čas med dvema pozitivnima impulzoma, torej obdobje med dvema impulzoma impulzne tuljave. Iz časovnega intervala med posameznima impulzoma dobimo število vrtljajev (RPM) motorja na neko časovno enoto.

V primeru, da gre za analogno odčitavanje temperature motorja in položaja plina, se lahko uporabi analogno-digitalni pretvornik (ADC), oblika vhodnega signala za položaj plina pa je lahko analogna ali digitalna. V primeru digitalne izvedbe je lahko pri položaju s polnim plinom (WOT) eno logično stanje in pri položaju z delnim plinom (POT) drugo. Spet obstajajo različne mape za kot vžiga pri različnih položajih plina in pri različnih temperaturah. Slika 3 prikazuje običajno metodo za izvedbo CDI.

Sicer pa je običajna metoda za izračun vrtljajev na časovno enoto (RPM) uporablja 16-bitni časovnik skupaj s periferijo za zajemanje signala. Pri nižjih vrednostih števila vrtljajev na minuto, na primer manj kot 60 (kar ustreza frekvenci 1 Hz), se bo pri frekvenci takta časovnika 1MHz 16-bitni časovnik predčasno iztekel. Pri izračunu RPM je potem treba upoštevati bit, ki označuje, da prišlo do prekoračitve časovnika.

Periferne naprave

8-bitni mikrokontroler z oznako PIC16F161X ima vgrajeno od procesnega jedra neodvisno periferno napravo (Core Independent Peripheral, CIP), ki se imenuje kotni časovnik (angular timer, AT), lahko pa se uporabi pri motorjih z notranjim izgorevanjem za proženje iskre s točnim kotom vžiga z res minimalnim ali celo popolnoma brez posredovanja samega procesnega jedra tega mikrokontrolerja. Kot je prikazano na sliki 4, se periodični impulzni vhod v AT časovnik lahko izbere bodisi iz katere izmed vgrajenih neodvisnih vgrajenih naprav ali iz zunanjega priključka mikrokontrolerja.

Za krmiljenje kota vžiga v CDI se pri PIC mikrokontrolerjih uporabljajo periferne enote, kot so CLC, AT, SMT in matematični pospeševalnik.

Za izračun vrtljajev (RPM) se uporablja 24-bitni SMT. SMT je konfiguriran v uokvirjenem merilnem načinu, pri čemer je vhodno okno nastavljeno na periodični AT impulz. Kadarkoli AT dobi periodični AT impulz, SMT zapiše trenutno vrednost časovnika v register, ponastavi števec in ga znova požene. Vrednost časovnika, ki je bila zapisana v register, povzroči prekinitev.

Periferna enota za pospeševanje matematičnih operacij, imenovana tudi PID modul, se uporabi za izračun kota vžiga pri trenutnem številu vrtljajev.

Zaključek

CDI sisteme lahko izvedemo z mikrokontrolerji PIC16F, bodisi po običajni metodi, bodisi z uporabo od jedra neodvisne periferije (CIP), kot so AT, CLC, SMT, matematični pospeševalnik in generator komplementarnih valovnih oblik (CWG). Vsekakor pa uporaba vgrajene od jedra neodvisne periferije na splošno bistveno izboljša delovanje CDI.

AT uspešno pretvori vhodni signal na kotno delitev brez posredovanja CPU, kar pomaga povečati učinkovitost že s tem, ko se izognemo potrebi po pretvorbi iz kota v stopinjah v ekvivalentni čas. Te kotne delitve so tudi zelo natančne in konstantne v celotnem območju vhodnega signala.

Učinkovitost sistema CDI se lahko z uporabo AT močno izboljša, pri čemer je preostala računalniško zmogljivost procesnega jedra sproščena za druge, morda bolj pomembne in nujnejše procese. Tu je treba še dodati, da so izračuni z uporabo matematičnega pospeševalnika seveda bolj natančni in tudi hitrejši. SMT s svojo visoko bitno ločljivostjo pomaga pri sledenju trenutnemu kotu pri nizkih vrtljajih motorja in tekočem izvajanju predvidenih ukrepov, brez potrebe po velikih izračunih.

Podobno tehniko implementacije je mogoče razširiti tudi na druge sisteme, kamor spada tudi indukcijski vžig in ki pri tem uporablja isti nabor od jedra neodvisnih perifernih naprav(CIP).

Avtorji članka:

  • Ashutosh Tiwari je višji aplikacijski inženir v podjetju Microchip Technology.
  • Shailendra Vengurlekar je v podjetju Microchip Technology vodja avtomobilskih aplikacij .
  • Namrata Dalvi je je v podjetju Microchip Technology višja aplikacijska inženirka.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
www.microchip.com
Tags: