采用HC05/HC088位微控制器的数字电容放电点火系统

引言

两化机动车：低座小摩托、摩托车、机动脚踏两用车，普遍使用电容放电点火（CDI）一种基于电容放电技术的引擎点火系统。点火系统将能量从磁电机转移到存储电容，然后通过升压变压器在火花塞处以高压脉冲形式释放出来，将汽缸中的混合烧油点烧。

目前，考虑到效率更高引擎设计的要求和污染控制中新的管理规定，变定时CDI已成为最经济实用的选择。在变定时CDI解决方案中，以监测引擎速度来提供火花的最佳定时。在空转速度状态，点火定时在压缩冲程中较迟产生，因此当活塞开始动和冲程时有充分时间完成烧烧；在高速状态，点火则在压缩冲程中较早产生。变定时可用MCU实现，如Motorola的廉价MC68HC705P6A。该MCU配置了带独立输入捕捉和输出比较功能的16位定时器。MCU监测引擎的速度并提供精确的火花定时。使用MCU的另一个优点是，对特定的引擎速度，点火火花可在任意时刻产生。因而对不同的引擎设计，点火角可以完全实现定制化。理想的点火定时将提高效率，节省能量、减少污染。

CDI主要部件

CDI也称为晶闸管点水系统。带感应型脉冲发生器的CDI系统包括一个触发箱、一个脉冲整形电路、一个充电部件以及点火变压器。主要组件如下：

磁电机

一个小型二冲程或四冲程单/以缸引擎，有一个飞轮，还设计了一个永久磁铁。铜线圈组成的转子产生100V～400V之间的AC电压，其频率与引擎的速度成比例。经过整流，该DC高压加到电容部分。磁电机也称交流发电机，如图1所示。

脉冲发生器

脉冲发生器是安装在磁电机上的一个小型线圈，引擎转动时产生一个交变脉冲。磁电机的框架上安装了一块磁板，磁电机转动时经过脉冲器线圈，这些脉冲就是由磁板的两极（N极和S极）感应的。N极与S极分别感应出一个正及脉冲，紧跟着一个负脉冲，两者典型的间隔为25度。25度是由磁板的长度固定的。负脉冲的峰点作为参考点，即活塞的上止点。这样，正脉冲领先于负脉冲25度。

点火线圈

点火线圈（图2）是一个升压变压器，它向火花塞提供高压。高压的幅度在5kV～20kV之间，视工作条件而定。

火花塞

火花塞（图3）是点火链中最后一个元件。高引擎效率和完全气体燃烧是与高质量火花密切相关的。通常，在火花塞产生足够的火花估计至少需要20毫焦尔能量。

数字CDI模块

图4是典型的数字CDI模块的方框图。定时控制电路的核心是MCU，监测引擎的速度并计算火花的定时。

数字CDI模块分为下列几个控制块：

·模拟点火控制

·电源

·信号整形（滤波）

·高级定时控制（MCU）

·点火电路

下面描述每个块的功能。

模拟点火控制

由于在引擎冷启动阶段，向MCU供电的5V DC还未准备就绪，此模拟点火控制就是为引擎启动阶段设计的。在此启动阶段，点火定时取自脉冲发生器的信号。在图5中，R2限制到点火电路的电流，二极管D1和D2防止MCU与模拟点火控制之间的相互干扰。一旦MCU准备就绪，它将TR1导道，从而关闭模拟点火控制。

电源

磁电机输出经过整流，向变定时点火控制整个模块提供5V稳压。在图6中，半波电桥从磁电机向数字CDI板提供负半周。R3是一个限流电阻。齐纳管Z1，在磁电机高速运行时吸收掉电源过多的电能，维持MC7805的15V输入。Z1也用作一个哑负载，能够反平衡的点火电路充电正半周的负载，有助于减少引擎的振动。电容C1充电至电位VM，Z1最大值（约15V）。由于半波桥路中二极管不能通过正向电流，即没有漏电路径，因此C1将保持这个单位，MC7805的输入维持在15V DC。

信号整形（滤波）

在图7中，光耦合器对火花的传感器信号进行滤波，同时将模拟脉冲变换为MCU使用的数字脉冲。脉冲周期由引擎的转速确定。

新式定时控制（MCU）

新式定时控制块的核心是MCU。MCU取得脉冲发生器产生的参考脉冲，根据引擎速度计算点角度。

在图8中，二极管D3导通对电容充电的正向电流。在需要放火花时，新式定时控制产生的电流注入SCR的栅极，使它通导。SCR通导让电容C3放电，产生一个电流并传送至点火线圈的初级绕组。在电容电压达到0V的电流周期前半部分，SCR一直是通导的。电流流过初级线圈时，次级线圈就会感应一个高压（典型值为14kV)，高压在火花塞处形成放电火花。C3的典型值在0.47μF～2μF之间，它储存来自磁电机的电荷，整流后提供一个正向电压。

数字CDI模块的典型工作可分成三种方式：

1.低引擎速度：点火火花在检测到负感测脉冲（零度角；活塞在止上点）时产生。

2.高引擎速度：点火火花在检测到正感测脉冲（提前25度）时产生。

3.中等引擎速度：在低速与高速之间，点火提前角度与引擎速度成正比。

图9表示在不同引擎速度下的点火提前速度。

工作原理

脉冲发生器产生的脉冲经过隔离电路（脉冲整形电路）后被MCU捕捉。从这些脉冲，MCU使用16位定时器计算出脉冲间的周期以确定引擎的速度。然后计算点火提前角度，MCU向点火电路送出所需的电流脉冲。

图10是输入与输出脉冲波形。