Цифровой коммутатор тока катушки зажигания Советский патент 1993 года по МПК F02P5/145 

Изобретение относится к электрооборудованию транспортных средств и может быть использовано при создании электронных систем зажигания для двигателей внутреннего сгорания (ДВ С).

Цель изобретения - повышение стабильности энергии искрообразования.

Нафиг.1 представлен вариант выполнения устройства: на фиг.2.3 и 4 представлены эпюры сигналов в схеме и диаграммы числовых значений Z на информационных выходах счетчиков.

Цифровой коммутатор, представленный на фиг. 1 содержит входную клемму 1, блок 2 согласования сигнала, инвертор 3, первый одновибратор 4. генератор 5 счетных импульсов, делитель частоты 6. мультиплексор 7, первый реверсивный счетчик 8. задатчик кода 9, триггер 10, блок 11 ограничения тока, выходной каскад 12. блок 13 безыскровой отсечки тока, выходную клемму 14. второй реверсивный счетчик 15, второй одновибратор 16.

Входная клемма 1 соединена с входом блока 2 согласования сигнала, выход которого подключен к входу ± 1 .направления счета реверсивного счетчика 15, входу инвертора 3 и входу одновибратора 4. Выход инвертора 3 соединен с входом А управления мультиплексора 7, входом ± 1 направления счета реверсивного счетчика 8, информационным D-еходом триггера 10 и входом блока 13 безыскровой отсечки тока, выход которого соединен с третьим входом выходного каскада 12. Выход одновибратора 4 соединен с входом РЕ предварительной установки реверсивного счетчика 8, R-вхо- дом триггера 10 и входом второго одновибратора 16. выход которого соединен с входом РЕ предварительной установки второго реверсивного счетчика 15. Выход триггера 10 подключен к первому входу выходного каскада 12. второй вход которого соединен с выходом блока 11 ограничения тока, вход которого подключен к первому

00

со

N3

СЛ XI

выходу выходного каскада 12, второй выход которого соединен с выходной клеммой 14 устройства. Вход С синхррнизации триггера 10 соединен с выходом СО переноса первого реверсивного счетчика 8. счетный вход С которого соединен со счетным входом С счетчика 15 и с выходом X мультиплексора 7. Первый Х1 и второй Х2 входы мультиплексора 7 соединены, соответственно, с первым и вторым выходами делителя частоты 6, вход которого подключен к выходу генератора 5 сметных импульсов. К информационным D-входам реверсивного счетчика 8 подключены информационные выходы реверсивного счетчика 15, к информационным D-входам которого подключен задатчик кода 9.

Принцип действия устройства, представленного на фиг.1, объясняется ниже с помощью эпюр сигналов и диаграмм, представленных на фиг.2-4.

На протяжении постоянного угла поворота #1 вращающегося вала двигателя к клемме 1 приложен сигнал уровня 1, а на углу аг -уровня О, причем а +т - постоянная величина, определяемая конструкцией двигателя и распределителя. Конец углового сектора аг (моменты времени tt. t6. tn на фиг.2) соответствуют моментам ис- крообразования. По фронту импульса датчика (момент времени ti) одновибратор 4 вырабатывает импульс РЕв установки счётчика 8. Одновременно под воздействием этого же импульса триггер 10 сбрасывается в нуль, а одновибратор 16 вырабатывает импульс РЕ 15 (момент t2 на фиг.2) установки счетчика 15 и число Zo заносится в счетчик. Как видно из эпюр моменты 11 и t2 не совпадаю но ниже на диаграммах Zis(t) и Za(t) они изображены совпавшими; это сделано для того, чтобы не загромождать чертеж и облегчить его чтение.

Момент t2 принят за начало рассмотрения счетных процессов в устройстве.

На углу ш (интервал времени ti-t4 счетчик 15 высоким уровнем сигнала на входе направления счета включен на счет вперед (суммирование). Низкий О уровень сигнала на входе А управления мультиплексора 7 обеспечивает поступление тактовых импульсов с частотой fi на счетные входы счетчиков 8 и 15, но счетный процесс в счетчике 8 пока не рассматривается. Числовое значение Z)5(t), которое может быть считано с информационных выходов счетчика 15, со значения Zo (момент t2) увеличивается. Процесс длится до момента t4. С момента м счетчик 15 переключается на вычитание сиг0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

налом О, приложенным к входу ± 1 направления счета. С этого же момента изменяется с О на Г. уровень сигнала на входе А управления мультиплексором 7, чем обеспечивается изменение частоты тактовых импульсов с fi на fj на счетном входе С счетчика15. Частоте h на диаграмме Zis(t) соответствует меньший угол наклона отрезка прямой к оси времени, так как . a тангенс угла наклона к оси времени пропорционален частоте тактовых импульсов. Числовое значение Zis(t), считываемое с информационных выходов : счетчи ка 15, уменьшается до момента времени t (это конец цикла счета для счетчика 15). В момент времени t&, предшествующий моменту t7, одновибратор 4 вырабатывает импульс PZe установки счетчика 8 и числовое значение Zi5, считываемое с выхода счетчика 15, заносится в счетчик 8, включенный сигналом уровня О, приложенным к входу ± 1 на вычитание. С этого же момента снова изменяется с 1 на О уровень сигнала на входе А.управления мультиплексора 7 и происходит изменение частоты тактовых импульсов с h на fi на-счетных в ходах счетчиков 8 и 15.

Одновременно под воздействием импульса РЕв сбрасывается в нуль триггер 10. а одновибратор 16 вырабатывает импульс РЕ 15 (момент п) установки счетчика 15 и число Zo снова заносится в счетчик. В счетчике 15 повторяется уже описанный счет: ный процесс.

Числовое значение Ze(t), которое может быть считано с информационных выходов счетчика 8 со значенияЈ15 (момент te) уменьшается до достижения нулевого значения, затем становится равным 2емакс (заполнение всех разрядов счетчика единицами момент ta) и снова уменьшается до момента времени t9. С момента tg счетчик 8 переключается на суммирование сигналом 1, приложенным к входу ± 1 направления счета. С этого же момента снова изменяется с О на 1 уровень сигнала на входе А управления мультиплексором 7 и происходит изме-. нение частоты тактовых импульсов с f 1 на f2. Числовое значения Za(t), считываемое с информационных .выходов счетчика 8 растет до момента tio (переполнение разрядов счетчика). В момент tio на.выходе переноса СО счетчика 8 появляется сигнал (импульс). который, воздействуя на вход С синхронизации триггера 10, устанавливает на его выходе (эпюры выхю(т). а значит, и на входе 1 выходного каскада 12 уровень 1. Переключение триггера 10 в момент ts. когда на выходе СО счетчика 8 также появляется импульс переноса, исключается тем, что к информационному D-входу триггера в это время (интервал () приложен низкий О уровень сигнала. С переключением триггера 10 открывается коммутирующий катушку зажигания транзистор выходного каскада 12. Через катушку протекает нарастающий ток l(t), до момента tn, когда одновибрэтор 4 вырабатывает импульс РЕв установки счетчика 8 и все процессы в счетчиках 8 и 15 повторяются, а на выходе триггера 10 снова устанавливается уровень О и выходной транзистор закрывается прерывая протекание тока в катушке зажигания.

Работа блоков 13 и 11 безыскровой отсечки тока и ограничения тока общеизвестен и здесь не рассматривается.- На фиг.2 макс - это уровень ограничения тока блоком 11.

Ниже приведен математический анализ счетных процессов, описанный выше.

Запишем период Т искрообразования в виде суммы:

Т Г1 + Г2 где ri - интервал времени, СООТВетСТВуЮ30

щий углу поворота «i . на котором частота тактовых импульсов в счетчиках равна fi;

Т2 интервал времени соответствующий углу поворота m . на котором частота тактовых импульсов равна f2 (см.фиг.2 и 3). 35

Очевидно, что для равномерного вращения

/И «2/ЯП

(D

Рассмотрим теперь два случая:

1)на интервале Т2 нет переполнения разрядов счетчика 15 (фиг.2, случай когда fl/f2 02/«1 );

2)на интервале Г2 происходит переполнение разрядов счетчика 15 (момент t4 на фиг.З, случай когда fi/f2 ).

Для первого случая результат счета Zis в счетчике 15 на интервале определится из уравнения:

Zl5 Zd+ rifi- Г2 h

(2)

Интервал времени от tio до tn (время протекания тока в катушке) обозначим At. Интервал времени от tr до та (см,фиг.2) обозначим Дг.

ТогдаAr Zis/fi(3)

п - А г rr Zis/fi(4)

Zx (n -Ar)fi nfi -Zi5 (5)

где Zx - числовое значение, смысл которого ясен с диаграммы числового значения ZR. 5Определим значение At:

At T -Zx/f2 (6)

или, учитывая (5) и (2), получим

л t - r2f2 rifi +Zl5 - ti tj-

h

Zo + rr ft -Trh - h

(7)

At Z0/f2

Для второго случая (фиг.З)

Z15 ZMaKC - AT h(8)

где Д г - интервал времени на фиг.З

-Zt/f2

Zi Z0 -f ri fi , откуда

(9)

(Ю)

ZMa« - ( 72

-Гг,-Zo+Tlfhb

f2

)f2

(11)

ZMaKC - T2 f2 + Zo + П f 1

Определяем величину Z2 Z2 Zis - TI f 1

(12)

Смысл значений Zi и Z2 понятен из фиг.2. 45 Очевидно,что

Z2+te.-At)f2 ZM«c(13)

или, с учетом (11) и (12):

- Z0 + rHi. - At-12-ZMaKc

или At f2 Z0

(14)

(15)

At Z0/f2

Таким образом, анализ показал, что в предлагаемом схемном решении время At протекания тока в катушке при выбранной частоте тактовых импульсов определяется только постоянным числовым значением Zo, приложенным к информационным входам счетчика 15.

Определим теперь ограничения, накла- дываемые на разброс параметра Q (скважность сигнала с датчика}, и условий выбора частоты fi(fz выбираются из соображения допустимой погрешности дискретизации для величины At).

Рассмотрим первый случай.

Из диаграммы Ze(t) (фиг.2) очевидно, что

5

21578

Zo + jfi -Т (1 -I). (26)

ч

откуда

f,(1-1), (27)

или с учетом (7)

А л

(28)

10

, ,. 1 At , . 1 fl/f2Q-T- + 1 О

Использование; в электрооборудовании транспортных средств и при создании электронных систем зажигания. Цифровой коммутатор тока катушки зажигания содержит входную и выходную клеммы 1.14. инвертор 3. блок 2 согласования сигнала, одновибра- торы 4, 16, генератор 5, делитель 6, мультиплексор 7, счетчики 8. 15, эадатчик 9 кода, триггер 10, блок 11 ограничения тока, выходной кас.кад 12, блок 13отсечки тока. Сущность изобретения: введение блоков 15. 16, что позволило стабилизировать время протекания тока в катушке зажигания. 4 ил.

T1 Z|5/fl

ИЛИ

или

П f 1 Zis Учитывая (2)

т f 1 Z0 + ti f 1 - T2 f2 откуда

Г2 h Zo Г2 Z0/f2 Г2 A t

(16)15 При большом периоде искрообрэзования (низкая частота вращения вала двигате(17)л я) когда Т A t и разброс значений скважности сигнала с датчика в абсолютном

выражении наиболее ощутим . 1. и

(18)неравенство (20) нужно привести к виду

(19) 25 (20)

(21 30

f i/f2 Q - 1(29)

Для второго случая (фиг.З) очевидно, что

или. с учетом (9) и (10)

(30)

Поскольку ti будет минимальным при максимальной частоте вращения вала двигателя и минимальном значении скважности сигнала датчика, то данное условие по сути ограничивает минимальное возможное значение скважности сигнала при котором устройство работоспособно. Естественно, что это условие в равной степени относится и к второму случаю (наличие переполнения разрядов счетчика).

Второе граничное условие для первого случая очевидно из диаграммы г1б(т)(фиг.2):

Таким образом с учетом (2) Z0 +Ti fi -Г2 h 0 , Учитывая, что

T

О

Т

О-А)

(24)

.

(25)

получим:

f i/f2 Q - 1(29)

Для второго случая (фиг.З) очевидно, что

или. с учетом (9) и (10)

откуда

гг h - Z0 - ri f 1 О или. что то же самое.

Z0 + TI f 1 - Т2 h 0

Выражение в левой части неравенства тождественно выражению левой части неравенства (15). Проделав преобразования, аналогичные (16)...(20), получим

fi/f2 0-1

(35)

Полученные неравенства (29) и (35) при известной максимальной скважности О сигнала датчика и выбранном значении г определить такое значение fi. при котором время At протекания тока в катушке будет определяться только числовым значением Zo, приложенным к информационным входам счетчика 15. При этом, как следует из

(29) и (35), соотношение частот fi и h не имеет существенного значения.

На фиг.2 и 3 штриховой линией изображены эпюры и диаграммы работы устройства при иной, чем рассмотренные раньше скважности сигнала с датчика. Период иск- рообразования остался неизменным. Как видно из фиг.2 и 3, момент включения выходного транзистора и время протекания тока через катушку остались неизменными.

Рассмотрим теперь работу устройства в режимах ускорения (торможения) вала двигателя.

При равномерном вращении вала двигателя результат счета Zis в счетчике 15 будет одним и тем же во всех циклах счета (см.фиг.2 и 3). При наличии ускорения вращения вала двигателя (на фиг.4 показано увеличение скорости вращения) в связи с меняющейся скважностью сигнала с датчика значения Zis, являющееся результатом счета в n-1-M цикле для первого случая (когда fi/f2 Q-1) будет больше, чем n-ом цикле (Zisn ). а это повлечет в n-ом цикле более раннее открывание выходного транзистора, чем в случае, когда (т.е. если бы п-.1-й период равнялся бы п-му). Вместе с тем изменение скважности сигнала при ускорений вызывает уменьшение вре.мени протекания тока в катушке. Таким образом имеем два процесса, которые друг друга компенсируют, в результате чего и происходит стабилизация длительности времени протекания тока в катушке.

Во втором случае (когда fi/f2 Q-1) при ускорении , а это повлечет в п-ом цикле более позднее открывание транзистора, т.е. стабилизации длительности времени протекания тока не будет, поэтому при необходимости стабилизации в случае ускорения (торможения) выбор счетных частот из соотношения fi/Ь SQ-1 предпочтительнее.

Зная максимально возможное ускорение частоты вращения вала двигателя, можно соответствующим выбором частот fi и fa обеспечить независимость времени протекания тока в катушке от ускорения вращения вала двигателя/или, в общем случае, значительно уменьшить нестабильность времени протекания тока.

Математический анализ описанных процессов очень громоздкий. Поэтому для определения частот тактовых импульсов используем графический метод, описанный в случае вышеуказанного аналога.

Исходя из максимально возможного ускорения частоты вращения вала двигателя

0

минимальной частоты вращения, не которой это ускорение возможно, и максимально возможной скважности сигнала с датчика, строим эпюры сигнала с датчика, начиная с одного периода равномерного вращения. На фиг.4, например, если принять по оси времени размерность мс/мм. построены эпюры сигнала для случая частоты коммутации (искрообразования) 25 Гц (750 об/мин вала двигателя) с изменением скорости частоты коммутации 160 Гц/с и скважности сигнала с датчика 3.

Выбираем, исходя из соображений до5 пустимой погрешности дискретизации, частоту счета f2 на углу поворота са и определяем по заданному значению At величину Zo (смысл этих обозначений то же, что и раньше). Определим требуемую ем0 кость счетчика 8 28макс, исходя из известных минимальной частоты вращения вала и скважности сигнала датчика (

S Г2макс f2 - Z0 . Где Ънакс ЭТО Г2 .

соответствующее минимальной частоте вра5 щения вала). Строим диаграмму Ze(t) на интервале (ts-te), начиная с момента искрорбразования la, учитывая, что частота прямо пропорциональна тангенсу угла нал клона прямой к оси времени (что следует из выражения ДО. Теперь последовательными приближениями следует определить такой наклон линии диаграммы Ze(t) на интервале (t3-ts), чтобы при построении ди5 аграммы Zis(t) на интервале (ti-ta) она начиналась со значения Zo.

При этом построение Zis(t) необходимо начинать с момента 1з со значения Zis . являющегося результатом построения диаг0 раммы Ze(t). Теперь значение f i можно определить из выражения

ft Zx/tf

- i

где смысл Zx и т понятны из фиг.4. В этом случае, когда при построениях взята максимально возможная (для равномерного вращения) скважность сигнала, полученное соотношение частот fi и h (fi/f2 ni/a), будет таким, что позволит одновременно обеспечить независимость времени протекания тока в катушке и от изменения скорости вращения и от скважности сигнала с

датчика.

Определяем ZISMBKC - емкость счетчика 15:

Z15M8KC eЈTlM8Kcfl + Zo

где тыакс - это TI . соответствующее ми-. нимальной (рассматриваемой) частоте и скважности сигнала с датчика.

Здесь исходим из того, что на интервале ti-t2 не должно быть переполнения разрядов счётчика.

Если при построении диаграммы Zis(t) заканчивается значением . то это значит, что частота fi выбрана не достаточно высокой и построение необходимо повторить, увеличив угол наклона прямой к оси времени на интервале t3-ts. Если построение Zis(t) заканчивается значением , то это значит, что частота fi, выбрана слишком высокой и угол наклона упомянутой прямой необходимо уменьшить. :

На фиг.4 после определения fi выполнены построения диаграмм еще для двух циклов счета в счетчиках при продолжающемся ускорении вращения. Как видно из диаграмм и эпюр в п+1-ом цикле счета получено увеличение времени At протекания тока в катушке. Аналогичными построениями можно показать, и это подтверждается экспериментом, что заметное увеличение времени At в 1-2 периодах искрообраёования наблюдается только при реализации максимально возможного ускорения, когда длительность предыдущего и последующего циклов искрообразования отличаются на максимально возможную величину. В этих случаях на короткое время вступает в работу блок 11 ограничения тока, во всех остальных случаях осуществляется стабилизация времени A t протекания тока в катушке зажигания.

На фиг.4 пунктиром выполнены построение диаграмм-и эпюр когда справедливо соотношение fi/f2 cti/a (как у прототипа). Как видно из построения с началом ускорения наблюдается уменьшение времени At и. соответственно, уменьшение тока раз- рыва. .. . . -..

Аналогичные построения можно выполнить и для торможения вала двигателя. В этом случае прототип даст увеличение времени протекания тока, а предлагаемое устройство (см.фиг.1) будет стабилизировать эту величину.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении осуществляется стабилизация времени протекания тока в катушке как В переходных режимах работы, так и при разбросе параметров сигнала с датчика. При этом достигается оптимизация режима

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

работы транзистора выходного каскада, что повышает надежность устройства.

Формула изобретения

Цифровой коммутатор тока катушки зажигания, содержащий задатчик кода, блок согласования сигнала, вход которого является входной клеммой цифрового коммутатора тока катушки зажигания, выход которого соединен с входами инвертора и первого одновибратора. выход инвертора соединен с входом управления мультиплексора, входом направления счета первого реверсивного .счетчика, информационным входом триггера и входом блока безыскровой отсечки тока, выход первого одновибратора соединен с входом предварительной установки первого реверсивного счетчика и входим триггера, вход синхронизации которого соединен с выходом переноса первого реверсивного счетчика, выход триггера соединен с первым входом выходного каскада, второй вход которого соединен с выходом блока ограничения тока, вход которого соединен с первым выходом выходного каскада, второй выход выходного каскада является выходной клеммрй цифрового коммутатора тока катушки зажигания, третий вход выходного каскада соединен с выходом блока безыскровой отсечки тока, счетный вход первого реверсивного счетчика соединен с выходом мультиплексора, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами делителя частоты, вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности энергии искрообразования, в него введены второй реверсивный счетчик и второй одновибратор, причем информационные выходы второго .реверсивного счетчика соединены с информационными входами первого реверсивного счетчика, счетный вход второго реверсивного счетчика - со счетным входом первого реверсивного счетчика, вход направления счета второго реверсивного счетчика - с выходом блока согласования сигнала, вход предварительной установки второго реверсивного счетчика - с выходом второго одно- вибратора, вход которого соединен с выходом первого одновибратора, а задатчик кода подсоединен к информационным входам второго реверсивного счетчика.

1« .

га.

fw:

t

Zt

V

fal

t( ti

it;

« /

I

.,Й.(

/а

fal

t( ti

.

/

f

Ift/f

I

tw

l Г :1J

11

-

1,

«

J «

Фи1 3

pe6nffi ep ot