本發(fā)明涉及一種具有點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的點(diǎn)火系統(tǒng)及控制方法，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)電控點(diǎn)火系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與控制，屬于汽車電子領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)已經(jīng)發(fā)展為綜合性的發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，其主要包括進(jìn)氣、電控燃油噴射、電控點(diǎn)火等。其中，電控點(diǎn)火系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元根據(jù)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)不同部位上的傳感器信號(hào)，實(shí)時(shí)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出最合理的點(diǎn)火能量、點(diǎn)火提前角使點(diǎn)火線圈點(diǎn)火，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放。

點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放有非常重要的影響，當(dāng)車輛在不同的工況下，對(duì)點(diǎn)火能量的需求也是不同的。發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，由于混合氣壓縮終了的溫度接近其自然溫度，僅需要1～5mJ的點(diǎn)火能量。但是在混合氣過(guò)濃或過(guò)稀時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、怠速或節(jié)氣門急劇打開時(shí)，則需要較高的點(diǎn)火能量，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)經(jīng)濟(jì)和排放凈化要求的提高，都迫切需要提高點(diǎn)火能量。因此為保證可靠點(diǎn)火，點(diǎn)火系統(tǒng)一般需要40～70mJ的點(diǎn)火能量，起動(dòng)工況條件下需要更高的點(diǎn)火能量，在一些苛刻的工況下，需要的火花能量將高達(dá)100mJ。

圖1是一種現(xiàn)有的電控點(diǎn)火系統(tǒng)原理示意圖，點(diǎn)火電路由驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣、限流保護(hù)電路構(gòu)成。點(diǎn)火線圈采用變壓器結(jié)構(gòu)，包括纏繞在鐵芯上的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈；次級(jí)線圈的一端接地，另一端連接火花塞的一個(gè)電極，火花塞的另一個(gè)電極接地。所述的點(diǎn)火電路是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元內(nèi)的一部分電路，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元內(nèi)部設(shè)有中央處理器、開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路。IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）為點(diǎn)火系統(tǒng)的開關(guān)器件。中央處理器的一個(gè)時(shí)間處理單元輸出端通過(guò)開關(guān)器件IGBT的驅(qū)動(dòng)電路連接開關(guān)器件IGBT的柵極，開關(guān)器件IGBT的集電極連接點(diǎn)火線圈初級(jí)的第一端，點(diǎn)火線圈初級(jí)的第二端連接車載直流電源，開關(guān)器件IGBT的源極通過(guò)電流采樣電路接地。

點(diǎn)火系統(tǒng)不工作時(shí)，中央處理器向開關(guān)器件IGBT的柵極輸出低電平，開關(guān)器件IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。

點(diǎn)火系統(tǒng)工作時(shí)，中央處理器向開關(guān)器件IGBT的柵極輸出高電平，開關(guān)器件IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。車載直流電源接通初級(jí)線圈給初級(jí)線圈，通過(guò)初級(jí)線圈的電流即初級(jí)電流將從零開始增長(zhǎng)到一個(gè)穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值由限流保護(hù)電路決定。隨著初級(jí)電流增長(zhǎng)，初級(jí)線圈產(chǎn)生的電磁能量存儲(chǔ)在鐵芯中，此過(guò)程稱為點(diǎn)火線圈的充電過(guò)程。當(dāng)初級(jí)電流達(dá)到一定值（該一定值≤穩(wěn)定值）時(shí)，中央處理器向開關(guān)器件IGBT的柵極輸出高電平變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)器件IGBT由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，使初級(jí)線圈回路瞬間斷開。初級(jí)線圈回路的電場(chǎng)突變?cè)斐沙跫?jí)線圈的磁場(chǎng)迅速衰減，從而在次級(jí)線圈的兩端感應(yīng)出高壓電動(dòng)勢(shì)，此過(guò)程稱為點(diǎn)火線圈的放電過(guò)程。該高壓電動(dòng)勢(shì)擊穿火花塞的兩個(gè)電極之間的間隙，產(chǎn)生電弧以點(diǎn)燃混合氣。

現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)火線圈的控制是開環(huán)控制，只對(duì)初級(jí)線圈的充電時(shí)間進(jìn)行控制，對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻（放電時(shí)刻）的電流值即對(duì)應(yīng)點(diǎn)火能量沒(méi)有監(jiān)控。如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出點(diǎn)火能量，通過(guò)中央處理器的一個(gè)時(shí)間處理單元（TPU）輸出端口控制初級(jí)線圈的充電時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)刻，從而控制初級(jí)線圈的充電電流。由于對(duì)點(diǎn)火電流的控制為開環(huán)控制，所以不能判斷每一次點(diǎn)火能量是否達(dá)到預(yù)期的點(diǎn)火能量。為了保證點(diǎn)火能量達(dá)到預(yù)期值，對(duì)點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間控制的精確性提出了較高的要求。但是，點(diǎn)火線圈的電源取自車載直流電源，當(dāng)車載直流電源出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，點(diǎn)火能量將會(huì)產(chǎn)生誤差。尤其是當(dāng)點(diǎn)火線圈出現(xiàn)老化等問(wèn)題時(shí)，點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)火能量的控制將會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，影響點(diǎn)火系統(tǒng)的控制精度，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放。

為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)每一次點(diǎn)火時(shí)，將發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸內(nèi)的混合氣完全燃燒，現(xiàn)有的解決方案是通過(guò)提高點(diǎn)火能量（提高點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間）來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)有的解決方案是開環(huán)控制，不能保證每一次點(diǎn)火能量控制在一定的范圍內(nèi)，通常會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)火系統(tǒng)提供的點(diǎn)火能量過(guò)多的情況，過(guò)多的點(diǎn)火能量對(duì)混合氣的燃燒效果并沒(méi)有提高，并且會(huì)導(dǎo)致

火花塞的溫度上升，加速火花塞電極的燒蝕，降低火花塞的使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的點(diǎn)火系統(tǒng)及控制方法，其能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出最合理的點(diǎn)火能量，根據(jù)當(dāng)前電流反饋值信號(hào)判斷每次點(diǎn)火能量是否達(dá)到設(shè)定值，計(jì)算并調(diào)節(jié)下一次點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定電流所需要的充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量閉環(huán)自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。達(dá)到既保證每一次點(diǎn)火時(shí)氣缸內(nèi)的混合氣完全燃燒，又不至于提供過(guò)多的點(diǎn)火能量加速火花塞電極的燒蝕，降低火花塞的使用壽命的目的。

本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：具有點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的點(diǎn)火系統(tǒng)，由點(diǎn)火線圈，車載直流電源，火花塞和點(diǎn)火電路組成；點(diǎn)火電路是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元內(nèi)的一部分電路，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元內(nèi)部設(shè)有中央處理器、開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路；IGBT為點(diǎn)火系統(tǒng)的開關(guān)器件，中央處理器的一個(gè)時(shí)間處理單元通道通過(guò)開關(guān)器件IGBT的驅(qū)動(dòng)電路連接開關(guān)器件IGBT的柵極；開關(guān)器件IGBT的集電極連接點(diǎn)火線圈初級(jí)的第一端；點(diǎn)火線圈初級(jí)的第二端連接車載直流電源；其特征在于：點(diǎn)火電路由D/A轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路，電流采樣電路、限流保護(hù)電路、電流反饋電路構(gòu)成；中央處理器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出最合理的點(diǎn)火能量，通過(guò)中央處理器的同步串行外部設(shè)備接口（SPI）設(shè)定點(diǎn)火電流閾值，將設(shè)定好的電流值對(duì)應(yīng)的電壓值提供給D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，提供點(diǎn)火電流對(duì)應(yīng)的閾值電壓，進(jìn)而控制點(diǎn)火電流；點(diǎn)火電流經(jīng)過(guò)電流采樣電路將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，并提供給電流反饋電路，電流反饋電路將判斷點(diǎn)火電流是否達(dá)到設(shè)定的點(diǎn)火電流閾值，并將反饋信號(hào)提供給中央處理器的時(shí)間處理單元通道，由此形成一個(gè)閉合的控制環(huán)；中央處理器根據(jù)反饋信號(hào)計(jì)算并調(diào)節(jié)下一次點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定值所需要的充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

所述的D/A轉(zhuǎn)換電路包括：十位低功耗數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器MAX5711AUT的同步串行外部設(shè)備接口 、SCLK和DIN連接對(duì)應(yīng)的中央處理器的同步串行外部設(shè)備接口；數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器MAX5711AUT的DAC輸出端OUT輸出電壓基準(zhǔn)“VREF”，連接所述的電流反饋電路。

所述的驅(qū)動(dòng)電路包括：來(lái)自中央處理器的點(diǎn)火控制信號(hào)“IGN_CMD1”連接倒相器U2A的輸入端；PNP型三極管Q1的發(fā)射極作為驅(qū)動(dòng)電路的供電電源端，連接限流保護(hù)電路的輸出端“V_DRV_POWER”，集電極為驅(qū)動(dòng)電路的輸出端，連接NPN型三極管Q2的集電極和開關(guān)器件IGBT的柵極；三極管Q2的發(fā)射極接地；四個(gè)串聯(lián)的匹配電阻R1、R2、R3和R4的五個(gè)結(jié)點(diǎn)分別連接三極管Q1的發(fā)射極，三極管Q1的基極，倒相器U2A的輸出端，三極管Q2的基極和三極管Q2的發(fā)射極。

所述的電流采樣包括：采樣電阻RS1串連在點(diǎn)火系統(tǒng)開關(guān)器件IGBT的發(fā)射極“IGBT_E”和地之間；采樣電阻RS1將點(diǎn)火線圈的初級(jí)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出采樣電壓“V_SAMPLE”；經(jīng)過(guò)由電阻R5和電容C2構(gòu)成的一階低通濾波電路后連接到限流保護(hù)電路和電流反饋電路。

所述的限流保護(hù)電路包括：所述的電流采樣電路輸出的采樣電壓“V_SAMPLE”通過(guò)串聯(lián)電阻R7連接到構(gòu)成誤差放大器的運(yùn)算放大器U3A的反相輸入端；運(yùn)算放大器U3A的同相輸入端連接直流供電電源VDD5經(jīng)過(guò)分壓電阻R10、R11分壓得到一個(gè)參考電壓 “Vref1”；由串連的電阻R6和電容C4并聯(lián)電容C3構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，連接運(yùn)算放大器U3A的反相輸入端和輸出端；兩個(gè)相反方向串連的5.1V穩(wěn)壓DZ1、DZ2連接運(yùn)算放大器U1的反相輸入端和輸出端；運(yùn)算放大器U1的輸出端通過(guò)串聯(lián)電阻R8連接NPN型三極管Q3的基極；三極管Q3的集電極接6V直流供電電源VDD6，基極和發(fā)射極兩端連接電阻R9，發(fā)射極為限流保護(hù)電路的輸出端“V_DRV_POWER”，連接到所述驅(qū)動(dòng)電路的供電電源端。

所述的電流反饋電路包括：電壓比較器U4A的反相輸入端通過(guò)電阻R15連接電流采樣電路輸出的采樣電壓“V_SAMPLE”，同相輸入端通過(guò)電阻R17連接電壓基準(zhǔn)電路輸出的電壓基準(zhǔn)“VREF”；反饋電阻Rf連接電壓比較器U4A的反相輸入端和輸出端；電壓比較器U4A的輸出端通過(guò)上拉電阻R12連接到直流供電電源VDD5，并連接到電壓比較器U4B的反相輸入端；電壓比較器U4B的同相輸入端連接到直流供電電源VDD5經(jīng)過(guò)分壓電阻R13、R16分壓得到的直流參考電壓；電壓比較器U4B的輸出端通過(guò)上拉電阻R14連接到直流供電電源VDD5，并連接到中央處理器的一路時(shí)間處理單元通道；電壓比較器U4B的輸出端輸出點(diǎn)火電流反饋信號(hào) “IMON_FD”。

所述的中央處理器控制何時(shí)給點(diǎn)火線圈提供充電電流以及何時(shí)點(diǎn)火，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下可靠、準(zhǔn)確點(diǎn)火。

具有點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的點(diǎn)火系統(tǒng)的控制方法的具體步驟如下：D/A轉(zhuǎn)換電路輸出電壓基準(zhǔn)“VREF”和電流采樣電路輸出的采樣電壓“V_SAMPLE”分別連接電流反饋電路中電壓比較器U4A的同相輸入端和反相輸入端。當(dāng)采樣電壓“V_SAMPLE”低于電壓基準(zhǔn)“VREF”時(shí)，電流反饋電路輸出的點(diǎn)火電流反饋信號(hào)“IMON_FD”為低電平，否則輸出高電平狀態(tài)。中央處理器從開關(guān)器件IGBT的柵極發(fā)送控制信號(hào)使其導(dǎo)通開始計(jì)時(shí)，直至點(diǎn)火電流反饋信號(hào)“IMON_FD”由低電平改為高電平停止計(jì)時(shí)，所得的計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)為，為點(diǎn)火電流從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流的時(shí)間。在點(diǎn)火線圈正常工作的條件下，中央處理器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出最合理的點(diǎn)火能量，通過(guò)中央處理器的同步串行外部設(shè)備接口（SPI）和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)定點(diǎn)火電流閾值；根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)火電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”判斷每次點(diǎn)火電流是否達(dá)到設(shè)定值，計(jì)算并調(diào)節(jié)下一次點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定點(diǎn)火電流所需要的充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量自適應(yīng)脈寬調(diào)節(jié)功能。

如果在點(diǎn)火線圈在當(dāng)前周期設(shè)定的充電時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有檢測(cè)到電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”即點(diǎn)火電流沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值；則下一次點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間調(diào)節(jié)為。其中，為點(diǎn)火線圈的開環(huán)標(biāo)定充電時(shí)間，根據(jù)查表得到；為點(diǎn)火線圈充電自適應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間步長(zhǎng)。

如果在點(diǎn)火線圈在當(dāng)前周期設(shè)定的充電時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)到電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”，即點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定值，記錄點(diǎn)火電流從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流的時(shí)間；則下一次點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間調(diào)節(jié)為。其中，為點(diǎn)火線圈充電自適應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間裕量。

所述的點(diǎn)火電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”連接的中央處理器的時(shí)間處理單元通道具有自適應(yīng)脈寬調(diào)節(jié)功能，在每次點(diǎn)火充電時(shí)間的周期內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)火電流從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流閾值所需的時(shí)間，并保證下一次點(diǎn)火充電時(shí)間具有恰當(dāng)?shù)某潆姇r(shí)間裕量。

所述的自適應(yīng)脈寬調(diào)節(jié)對(duì)單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸獨(dú)立適用，其調(diào)整的充電時(shí)間寬度適用于其對(duì)應(yīng)的某個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸，每個(gè)氣缸需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)時(shí)間和診斷保護(hù)數(shù)據(jù)。

所述的自適應(yīng)調(diào)節(jié)是根據(jù)當(dāng)前周期內(nèi)的點(diǎn)火電流的從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流的時(shí)間來(lái)計(jì)算下一次點(diǎn)火線圈充電的脈寬；當(dāng)前點(diǎn)火周期的點(diǎn)火時(shí)刻，由上一周期檢測(cè)到的充電時(shí)間決定，不受當(dāng)前電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”影響；下一點(diǎn)火周期的點(diǎn)火充電時(shí)間被調(diào)整后，應(yīng)當(dāng)調(diào)整的是點(diǎn)火充電起始時(shí)刻，而點(diǎn)火時(shí)刻始終應(yīng)當(dāng)保證在正確的曲軸相位。

本發(fā)明積極效果如下：

1. 中央處理器根據(jù)當(dāng)前電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”判斷每次點(diǎn)火電流是否達(dá)到設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋功能。

2. 中央處理器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出最合理的點(diǎn)火能量，設(shè)定不同的點(diǎn)火電流閾值（0～12A），滿足車輛在不同的工況下，對(duì)不同的點(diǎn)火能量（0～150mJ）的需求。

3. 點(diǎn)火電路有限流保護(hù)功能，當(dāng)點(diǎn)火控制的脈沖寬度過(guò)大時(shí)，點(diǎn)火電流將穩(wěn)定在一定的電流值（12A）不在上升，達(dá)到保護(hù)點(diǎn)火線圈的目的。

4. 通過(guò)中央處理器的同步串行外部設(shè)備接口和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)定的點(diǎn)火電流閾值范圍很寬（0～12A 連續(xù)可調(diào)），可以適用不同的點(diǎn)火線圈。

5. 自適應(yīng)脈寬調(diào)節(jié)對(duì)單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸獨(dú)立適用，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)時(shí)間和診斷保護(hù)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到某一發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸故障時(shí)，其余的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸仍然可以正常工作。

6. 自適應(yīng)調(diào)節(jié)是根據(jù)當(dāng)前周期內(nèi)的點(diǎn)火電流的從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流的時(shí)間來(lái)計(jì)算下一次點(diǎn)火線圈充電的脈寬，下一次點(diǎn)火周期的點(diǎn)火充電時(shí)間被調(diào)整后，調(diào)整的是點(diǎn)火充電起始時(shí)刻，可以保證點(diǎn)火時(shí)刻始終在正確的曲軸相位。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有點(diǎn)火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明的點(diǎn)火系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是本發(fā)明的D/A轉(zhuǎn)換電路的原理圖。

圖4是本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。

圖5是本發(fā)明的電流采樣電路的原理圖。

圖6是本發(fā)明的限流保護(hù)電路的原理圖。

圖7是本發(fā)明的電流反饋電路的原理圖。

圖8是中央處理器部分的原理圖。

圖9是點(diǎn)火控制信號(hào)、初級(jí)線圈的電壓和電流波形。

圖10是本發(fā)明的點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間和充電電流的定義。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)和控制方法作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖2所示，具有點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的點(diǎn)火系統(tǒng)，由點(diǎn)火線圈，車載直流電源，火花塞和點(diǎn)火電路組成；所述的點(diǎn)火電路是發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元內(nèi)的一部分電路，發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元內(nèi)部設(shè)有中央處理器、開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路。IGBT為點(diǎn)火系統(tǒng)的開關(guān)器件。中央處理器的一個(gè)時(shí)間處理單元通道通過(guò)開關(guān)器件IGBT的驅(qū)動(dòng)電路連接開關(guān)器件IGBT的柵極；開關(guān)器件IGBT的集電極連接點(diǎn)火線圈初級(jí)的第一端；點(diǎn)火線圈初級(jí)的第二端連接車載直流電源；其特征在于：點(diǎn)火電路由D/A轉(zhuǎn)換電路1、驅(qū)動(dòng)電路2，電流采樣電路3、限流保護(hù)電路4、電流反饋電路5構(gòu)成。點(diǎn)火線圈為變壓器結(jié)構(gòu)，包括纏繞在鐵芯上的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈；次級(jí)線圈的一端接地，另一端連接火花塞的一個(gè)電極，火花塞的另一個(gè)電極接地。點(diǎn)火系統(tǒng)不工作時(shí)，中央處理器向開關(guān)器件IGBT的柵極輸出低電平，開關(guān)器件IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)斷開的開關(guān)。點(diǎn)火系統(tǒng)工作時(shí)，中央處理器向開關(guān)器件IGBT的柵極輸出高電平，開關(guān)器件IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。車載直流電源接通初級(jí)線圈給初級(jí)線圈，通過(guò)初級(jí)線圈的電流即初級(jí)電流將從零開始增長(zhǎng)到一個(gè)穩(wěn)定值，該穩(wěn)定值由限流保護(hù)電路4決定。隨著初級(jí)電流增長(zhǎng)，初級(jí)線圈產(chǎn)生的電磁能量存儲(chǔ)在鐵芯中，此過(guò)程稱為點(diǎn)火線圈的充電過(guò)程。當(dāng)初級(jí)電流達(dá)到一定值（該一定值≤穩(wěn)定值）時(shí)，中央處理器向開關(guān)器件IGBT的柵極輸出高電平變?yōu)榈碗娖剑_關(guān)器件IGBT由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，使初級(jí)線圈回路瞬間斷開，即初級(jí)線圈充電結(jié)束，充電結(jié)束的時(shí)刻就是點(diǎn)火時(shí)刻。初級(jí)線圈回路的電場(chǎng)突變?cè)斐沙跫?jí)線圈的磁場(chǎng)迅速衰減，從而在次級(jí)線圈的兩端感應(yīng)出高壓電動(dòng)勢(shì)，此過(guò)程稱為點(diǎn)火線圈的放電過(guò)程。該高壓電動(dòng)勢(shì)擊穿火花塞的兩個(gè)電極之間的間隙，產(chǎn)生電弧以點(diǎn)燃混合氣。

中央處理器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出最合理的點(diǎn)火能量，通過(guò)中央處理器的同步串行外部設(shè)備接口（SPI）設(shè)定點(diǎn)火電流閾值，將設(shè)定好的電流值對(duì)應(yīng)的電壓值提供給D/A轉(zhuǎn)換電路1轉(zhuǎn)換為模擬電壓量，提供點(diǎn)火電流對(duì)應(yīng)的閾值電壓，進(jìn)而控制點(diǎn)火電流；點(diǎn)火電流經(jīng)過(guò)電流采樣電路3將電流值轉(zhuǎn)換為電壓值，并提供給電流反饋電路5，電流反饋電路5將判斷點(diǎn)火電流是否達(dá)到設(shè)定的點(diǎn)火電流閾值，并將反饋信號(hào)提供給中央處理器的時(shí)間處理單元通道，由此形成一個(gè)閉合的控制環(huán)；中央處理器根據(jù)反饋信號(hào)計(jì)算并調(diào)節(jié)下一次點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定值所需要的充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能。

如圖3所示，所述的D/A轉(zhuǎn)換電路1包括：十位低功耗數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器MAX5711AUT的同步串行外部設(shè)備接口、SCLK和DIN連接對(duì)應(yīng)的中央處理器的同步串行外部設(shè)備接口；數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器MAX5711AUT的DAC輸出端OUT輸出電壓基準(zhǔn)“VREF”，連接所述的電流反饋電路5。

如圖4所示，所述的驅(qū)動(dòng)電路2是一個(gè)推挽結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路，包括：來(lái)自中央處理器的點(diǎn)火控制信號(hào)“IGN_CMD1”連接倒相器U2A的輸入端；PNP型三極管Q1的發(fā)射極作為驅(qū)動(dòng)電路2的供電電源端，連接限流保護(hù)電路4的輸出端“V_DRV_POWER”，集電極為驅(qū)動(dòng)電路2的輸出端，連接NPN型三極管Q2的集電極和開關(guān)器件IGBT的柵極；三極管Q2的發(fā)射極接地；四個(gè)串聯(lián)的匹配電阻R1、R2、R3和R4的五個(gè)結(jié)點(diǎn)分別連接三極管Q1的發(fā)射極，三極管Q1的基極，倒相器U2A的輸出端，三極管Q2的基極和三極管Q2的發(fā)射極。其中， 倒相器U2A的型號(hào)為MC74HC14。

如圖5所示，所述的電流采樣3包括：采樣電阻RS1串連在點(diǎn)火系統(tǒng)開關(guān)器件IGBT的發(fā)射極“IGBT_E”和地之間；采樣電阻RS1將點(diǎn)火線圈的初級(jí)電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸出采樣電壓“V_SAMPLE”；經(jīng)過(guò)由電阻R5和電容C2構(gòu)成的一階低通濾波電路后連接到限流保護(hù)電路4和電流反饋電路5。

如圖6所示，所述的限流保護(hù)電路4包括：：所述的電流采樣電路3輸出的采樣電壓“V_SAMPLE”通過(guò)串聯(lián)電阻R7連接到構(gòu)成誤差放大器的運(yùn)算放大器U3A的反相輸入端；運(yùn)算放大器U3A的同相輸入端連接直流供電電源VDD5經(jīng)過(guò)分壓電阻R10、R11分壓得到一個(gè)參考電壓 “Vref1”；由串連的電阻R6和電容C4并聯(lián)電容C3構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，連接運(yùn)算放大器U3A的反相輸入端和輸出端；兩個(gè)相反方向串連的5.1V穩(wěn)壓DZ1、DZ2連接運(yùn)算放大器U1的反相輸入端和輸出端；運(yùn)算放大器U1的輸出端通過(guò)串聯(lián)電阻R8連接NPN型三極管Q3的基極；三極管Q3的集電極接6V直流供電電源VDD6，基極和發(fā)射極兩端連接電阻R9，發(fā)射極為限流保護(hù)電路4的輸出端“V_DRV_POWER”，連接到所述驅(qū)動(dòng)電路2的供電電源端。

如圖7所示，所述的電流反饋電路5包括：電壓比較器U4A的反相輸入端通過(guò)電阻R15連接電流采樣電路3輸出的采樣電壓“V_SAMPLE”，同相輸入端通過(guò)電阻R17連接電壓基準(zhǔn)電路1輸出的電壓基準(zhǔn)“VREF”；反饋電阻Rf連接電壓比較器U4A的反相輸入端和輸出端；電壓比較器U4A的輸出端通過(guò)上拉電阻R12連接到直流供電電源VDD5，并連接到電壓比較器U4B的反相輸入端；電壓比較器U4B的同相輸入端連接到直流供電電源VDD5經(jīng)過(guò)分壓電阻R13、R16分壓得到的直流參考電壓；電壓比較器U4B的輸出端通過(guò)上拉電阻R14連接到直流供電電源VDD5，并連接到中央處理器的一路時(shí)間處理單元通道；電壓比較器U4B的輸出端輸出點(diǎn)火電流反饋信號(hào) “IMON_FD”。

如圖8所示，所述的中央處理器（最小系統(tǒng)）包括：中央處理器由32位單片機(jī)SPC5634MF0MLUA8構(gòu)成，中央處理器U10:1的10腳、12腳、31腳、41腳、55腳、74腳、95腳、110腳、125腳和138腳接直流供電電源VDD5；15腳、29腳、43腳、57腳、72腳、90腳、96腳、108腳、115腳、127腳、133腳和140腳接地；電容C37、C38、C39、C40、C41、C43、C44、C45和C46連接VDD5和地，作為中央處理器10腳、12腳、31腳、41腳、55腳、74腳、95腳、110腳、125腳和138腳的去耦電容；中央處理器U10:1的13腳、16腳、119腳接直流供電電源V3.3；電容C20、C21、C22連接V3.3和地，作為中央處理器13腳、16腳、119腳的去耦電容；調(diào)整管Q20的集電極連接直流供電電源VDD5，基極連接中央處理器的11腳和電容C27的一端；電容C27另一端接地；Q20的發(fā)射極連接中央處理器的33腳、62腳、103腳和149腳，并輸出1.2V的直流供電電源V1.2；直流供電電源V1.2連接中央處理器的45腳、132腳和176腳；電容C30、C31、C32、C33、C34、C35和C36連接V1.2和地，作為中央處理器33腳、62腳、103腳、149腳、45腳、132腳和176腳的去耦電容；中央處理器的92腳和93腳接有匹配晶振Y20和電阻R20，并通過(guò)匹配電容C23和C24接地；中央處理器的97腳通過(guò)上拉電阻R22連接直流供電電源VDD5，并連接復(fù)位信號(hào)“MC_RST”；97腳、130腳、123腳、128腳、116腳、131腳和121腳連接程序下載插件P20；中央處理器的111腳、106腳和113腳是同步外部設(shè)備接口，連接所述D/A轉(zhuǎn)換電路1中的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器MAX5711AUT的同步串行外部設(shè)備接口、SCLK和DIN；36腳、37腳、38腳和39腳輸出點(diǎn)火控制信號(hào)。中央處理器控制何時(shí)給點(diǎn)火線圈提供充電電流以及何時(shí)點(diǎn)火，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下可靠、準(zhǔn)確的點(diǎn)火。

如圖9所示，點(diǎn)火系統(tǒng)中開關(guān)器件IGBT的控制信號(hào)、初級(jí)線圈的電壓和電流波形。來(lái)自中央處理器的點(diǎn)火控制信號(hào)控制點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間。當(dāng)點(diǎn)火控制信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖剑ㄓ行щ娖剑r(shí)，開關(guān)器件IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，初級(jí)線圈電流（即點(diǎn)火電流）將從零開始增長(zhǎng)，隨著初級(jí)線圈電流的增長(zhǎng)，初級(jí)線圈產(chǎn)生的電磁能量存儲(chǔ)在鐵芯中，此過(guò)程即為點(diǎn)火線圈的充電過(guò)程。當(dāng)初級(jí)線圈電流達(dá)到一定值（點(diǎn)火電流I），中央處理器發(fā)出的點(diǎn)火控制信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，開關(guān)器件IGBT由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，使初級(jí)線圈回路瞬間斷開。開關(guān)器件IGBT通過(guò)其內(nèi)部鉗位電路在集電極端產(chǎn)生約420V高電壓即點(diǎn)火線圈初級(jí)的第一端的電壓，其維持為時(shí)間為。初級(jí)線圈回路的電場(chǎng)突變?cè)斐沙跫?jí)線圈的磁場(chǎng)迅速衰減，從而在次級(jí)線圈的兩端感應(yīng)出10000～20000V高壓電動(dòng)勢(shì)，該高壓電動(dòng)勢(shì)擊穿火花塞的兩個(gè)電極之間的間隙，產(chǎn)生電弧（火花）以點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的混合氣。點(diǎn)火電路可以提供420V、10A的能量給初級(jí)點(diǎn)火線圈。

點(diǎn)火能量的計(jì)算公式為：

式中，E為點(diǎn)火能量；u為車載直流電源電壓；i為初級(jí)線圈的充電電流；L為初級(jí)線圈的電感；I為初級(jí)線圈關(guān)斷時(shí)的電流；t為點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間；

從上式可知，要控制點(diǎn)火能量，可通過(guò)控制初級(jí)線圈的充電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量的開路控制。

點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間和充電電流的定義如圖10所示，“IMON_FD”為點(diǎn)火電流反饋信號(hào)，上升沿有效；當(dāng)點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定電流時(shí)，反饋信號(hào)“IMON_FD”監(jiān)控信號(hào)產(chǎn)生上升沿。點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定電流的時(shí)刻為IMON時(shí)刻，反饋給中央處理器的一路時(shí)間處理單元通道；通過(guò)點(diǎn)火電流反饋信號(hào)“IMON_FD”信號(hào)實(shí)現(xiàn)每次點(diǎn)火，每個(gè)點(diǎn)火線圈達(dá)到設(shè)定點(diǎn)火電流所需要的充電時(shí)間調(diào)整量。

所述的具有點(diǎn)火能量自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的點(diǎn)火系統(tǒng)的控制方法是：D/A轉(zhuǎn)換電路1輸出電壓基準(zhǔn)“VREF”和電流采樣電路3輸出的采樣電壓“V_SAMPLE”分別連接電流反饋電路5中電壓比較器U4A的同相輸入端和反相輸入端。當(dāng)采樣電壓“V_SAMPLE”低于電壓基準(zhǔn)“VREF”時(shí)，電流反饋電路5輸出的點(diǎn)火電流反饋信號(hào)“IMON_FD”為低電平，否則輸出高電平狀態(tài)。中央處理器從開關(guān)器件IGBT的柵極發(fā)送控制信號(hào)使其導(dǎo)通開始計(jì)時(shí)，直至點(diǎn)火電流反饋信號(hào)“IMON_FD”由低電平改為高電平停止計(jì)時(shí)，所得的計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)為，為點(diǎn)火電流從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流的時(shí)間。在點(diǎn)火線圈正常工作的條件下，中央處理器根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，計(jì)算出最合理的點(diǎn)火能量，通過(guò)中央處理器的同步串行外部設(shè)備接口（SPI）和D/A轉(zhuǎn)換電路1設(shè)定點(diǎn)火電流閾值；根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)火電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”判斷每次點(diǎn)火電流是否達(dá)到設(shè)定值，計(jì)算并調(diào)節(jié)下一次點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定點(diǎn)火電流所需要的充電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火能量自適應(yīng)脈寬調(diào)節(jié)功能。

由于點(diǎn)火系統(tǒng)初級(jí)線圈采用車載直流電源供電，車載直流電源電壓的大小對(duì)初級(jí)線圈充電時(shí)間有很大的影響。以馬歇爾汽車電器有限公司型號(hào)為GDQ195X3的點(diǎn)火線圈為例，當(dāng)點(diǎn)火電流要求為8A時(shí)（對(duì)應(yīng)點(diǎn)火能量為80mJ)，中央處理器根據(jù)電源電壓Vbat的電壓值設(shè)定首次點(diǎn)火線圈充電時(shí)間。

如果在點(diǎn)火線圈在當(dāng)前周期設(shè)定的充電時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有檢測(cè)到電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”即點(diǎn)火電流沒(méi)有達(dá)到設(shè)定值；則下一次點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間調(diào)節(jié)為。其中，為點(diǎn)火線圈的開環(huán)標(biāo)定充電時(shí)間，根據(jù)查表得到；為點(diǎn)火線圈充電自適應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間步長(zhǎng)，設(shè)定為0.1ms。

如果在點(diǎn)火線圈在當(dāng)前周期設(shè)定的充電時(shí)間內(nèi)，檢測(cè)到電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”，即點(diǎn)火電流達(dá)到設(shè)定值，記錄點(diǎn)火電流從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流的時(shí)間；則下一次點(diǎn)火線圈的充電時(shí)間調(diào)節(jié)為。其中，為點(diǎn)火線圈充電自適應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間裕量。

所述的點(diǎn)火電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”連接的中央處理器的時(shí)間處理單元通道具有自適應(yīng)脈寬調(diào)節(jié)功能，在每次點(diǎn)火充電時(shí)間的周期內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)火電流從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流閾值所需的時(shí)間，并保證下一次點(diǎn)火充電時(shí)間具有適當(dāng)?shù)某潆姇r(shí)間裕量。

所述的自適應(yīng)脈寬調(diào)節(jié)對(duì)單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸獨(dú)立適用，其調(diào)整的充電時(shí)間寬度適用于其對(duì)應(yīng)的某個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸，每個(gè)氣缸需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)時(shí)間和診斷保護(hù)數(shù)據(jù)。

所述的自適應(yīng)調(diào)節(jié)是根據(jù)當(dāng)前周期內(nèi)的點(diǎn)火電流的從零上升到設(shè)定點(diǎn)火電流的時(shí)間來(lái)計(jì)算下一次點(diǎn)火線圈充電的脈寬；當(dāng)前點(diǎn)火周期的點(diǎn)火時(shí)刻，由上一周期檢測(cè)到的充電時(shí)間決定，不受當(dāng)前電流反饋值信號(hào)“IMON_FD”影響；下一點(diǎn)火周期的點(diǎn)火充電時(shí)間被調(diào)整后，應(yīng)當(dāng)調(diào)整的是點(diǎn)火充電起始時(shí)刻，而點(diǎn)火時(shí)刻始終應(yīng)當(dāng)保證在正確的曲軸相位。