采用HC05/HC088位微控制器的數字電容放電點火系統

引言

兩化機動車：低座小摩托、摩托車、機動腳踏兩用車，普遍使用電容放電點火（CDI）一種基于電容放電技術的引擎點火系統。點火系統將能量從磁電機轉移到存儲電容，然后通過升壓變壓器在火花塞處以高壓脈沖形式釋放出來，將汽缸中的混合燒油點燒。

目前，考慮到效率更高引擎設計的要求和污染控制中新的管理規定，變定時CDI已成為最經濟實用的選擇。在變定時CDI解決方案中，以監測引擎速度來提供火花的最佳定時。在空轉速度狀態，點火定時在壓縮沖程中較遲產生，因此當活塞開始動和沖程時有充分時間完成燒燒；在高速狀態，點火則在壓縮沖程中較早產生。變定時可用MCU實現，如Motorola的廉價MC68HC705P6A。該MCU配置了帶獨立輸入捕捉和輸出比較功能的16位定時器。MCU監測引擎的速度并提供精確的火花定時。使用MCU的另一個優點是，對特定的引擎速度，點火火花可在任意時刻產生。因而對不同的引擎設計，點火角可以完全實現定制化。理想的點火定時將提高效率，節省能量、減少污染。

CDI主要部件

CDI也稱為晶閘管點水系統。帶感應型脈沖發生器的CDI系統包括一個觸發箱、一個脈沖整形電路、一個充電部件以及點火變壓器。主要組件如下：

磁電機

一個小型二沖程或四沖程單/以缸引擎，有一個飛輪，還設計了一個永久磁鐵。銅線圈組成的轉子產生100V～400V之間的AC電壓，其頻率與引擎的速度成比例。經過整流，該DC高壓加到電容部分。磁電機也稱交流發電機，如圖1所示。

脈沖發生器

脈沖發生器是安裝在磁電機上的一個小型線圈，引擎轉動時產生一個交變脈沖。磁電機的框架上安裝了一塊磁板，磁電機轉動時經過脈沖器線圈，這些脈沖就是由磁板的兩極（N極和S極）感應的。N極與S極分別感應出一個正及脈沖，緊跟著一個負脈沖，兩者典型的間隔為25度。25度是由磁板的長度固定的。負脈沖的峰點作為參考點，即活塞的上止點。這樣，正脈沖領先于負脈沖25度。

點火線圈

點火線圈（圖2）是一個升壓變壓器，它向火花塞提供高壓。高壓的幅度在5kV～20kV之間，視工作條件而定。

火花塞

火花塞（圖3）是點火鏈中最后一個元件。高引擎效率和完全氣體燃燒是與高質量火花密切相關的。通常，在火花塞產生足夠的火花估計至少需要20毫焦爾能量。

數字CDI模塊

圖4是典型的數字CDI模塊的方框圖。定時控制電路的核心是MCU，監測引擎的速度并計算火花的定時。

數字CDI模塊分為下列幾個控制塊：

·模擬點火控制

·電源

·信號整形（濾波）

·高級定時控制（MCU）

·點火電路

下面描述每個塊的功能。

模擬點火控制

由于在引擎冷啟動階段，向MCU供電的5V DC還未準備就緒，此模擬點火控制就是為引擎啟動階段設計的。在此啟動階段，點火定時取自脈沖發生器的信號。在圖5中，R2限制到點火電路的電流，二極管D1和D2防止MCU與模擬點火控制之間的相互干擾。一旦MCU準備就緒，它將TR1導道，從而關閉模擬點火控制。

電源

磁電機輸出經過整流，向變定時點火控制整個模塊提供5V穩壓。在圖6中，半波電橋從磁電機向數字CDI板提供負半周。R3是一個限流電阻。齊納管Z1，在磁電機高速運行時吸收掉電源過多的電能，維持MC7805的15V輸入。Z1也用作一個啞負載，能夠反平衡的點火電路充電正半周的負載，有助于減少引擎的振動。電容C1充電至電位VM，Z1最大值（約15V）。由于半波橋路中二極管不能通過正向電流，即沒有漏電路徑，因此C1將保持這個單位，MC7805的輸入維持在15V DC。

信號整形（濾波）

在圖7中，光耦合器對火花的傳感器信號進行濾波，同時將模擬脈沖變換為MCU使用的數字脈沖。脈沖周期由引擎的轉速確定。

新式定時控制（MCU）

新式定時控制塊的核心是MCU。MCU取得脈沖發生器產生的參考脈沖，根據引擎速度計算點角度。

在圖8中，二極管D3導通對電容充電的正向電流。在需要放火花時，新式定時控制產生的電流注入SCR的柵極，使它通導。SCR通導讓電容C3放電，產生一個電流并傳送至點火線圈的初級繞組。在電容電壓達到0V的電流周期前半部分，SCR一直是通導的。電流流過初級線圈時，次級線圈就會感應一個高壓（典型值為14kV)，高壓在火花塞處形成放電火花。C3的典型值在0.47μF～2μF之間，它儲存來自磁電機的電荷，整流后提供一個正向電壓。

數字CDI模塊的典型工作可分成三種方式：

1.低引擎速度：點火火花在檢測到負感測脈沖（零度角；活塞在止上點）時產生。

2.高引擎速度：點火火花在檢測到正感測脈沖（提前25度）時產生。

3.中等引擎速度：在低速與高速之間，點火提前角度與引擎速度成正比。

圖9表示在不同引擎速度下的點火提前速度。

工作原理

脈沖發生器產生的脈沖經過隔離電路（脈沖整形電路）后被MCU捕捉。從這些脈沖，MCU使用16位定時器計算出脈沖間的周期以確定引擎的速度。然后計算點火提前角度，MCU向點火電路送出所需的電流脈沖。

圖10是輸入與輸出脈沖波形。