基于单片机的电磁驱动气门设计.docVIP

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

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(camshaftlessvalveactuation)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。

基本情况和工作原理

电磁驱动气门机构(ElectromechanicalvalveActuation，简称为EMVA),目前AuraSystems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AuraSystems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：

子系统之间的相互关系如图所示：

硬件的设计

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。

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。

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。

静铁芯：E型结构。

动铁芯：动铁芯长度为56mm，宽为50mm，厚为10mm。

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。

气门：用普通微型汽车(昌河用)气门进行改装。

芯片及元器件的选型

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。

变压器（三抽头，220ACto24AC）、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。

继电器（HRS2H-S-DC12V），74HC08，12V蓄电池。

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（12Vto5V、12Vto110V）、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。

12Vto5V电路由三端稳压芯片7805完成，用来给单片机和74HC