空氣流量計應(yīng)用于汽車燃油噴射裝置上, 安裝在汽車空氣濾清器和節(jié)氣門之間的進氣通道上, 用于實時測定發(fā)動機吸入的空氣質(zhì)量流量。電控單元 (ECU) 根據(jù)空氣流量計的輸出信號來決定基本噴油量和點火時間, 使得發(fā)動機在不同工況下都能獲得***佳空燃比 (空氣質(zhì)量/燃油質(zhì)量) 。因此, 空氣流量計的測量精度對發(fā)動機提高燃油效率及減少汽車尾氣排放有著至關(guān)重要的作用。

目前用于測量汽車發(fā)動機進氣流量的流量計按照測量參數(shù)可以分為體積流量型和質(zhì)量流量型, 質(zhì)量流量型流量計按其敏感單元不同又可以分為熱線式和熱膜式2種。熱線式和熱膜式的工作原理相同, 只是結(jié)構(gòu)不同, 均可直接測量空氣的質(zhì)量流量, 相比體積型流量計, 熱式空氣流量計具有更高的精度和響應(yīng)速度, 本文屬于熱式空氣流量計。

本文以Kinetis E系列32位ARM Cortex M0+內(nèi)核芯片MKE02Z32VLC為核心進行電路的設(shè)計與實現(xiàn), 其具有強大的處理性能和強抗干擾性[1], 其推出的目的是取代傳統(tǒng)的8/16位單片機, 文中充分利用其內(nèi)部資源進行軟硬件設(shè)計。文獻[2]設(shè)計的車用空氣流量計取得了較好的重復(fù)性和精度, 但是其忽視了溫度補償電阻也是有電流的, 當空氣流量增大, 這種自熱效應(yīng)更加明顯[3], 本文對于發(fā)動機進氣流量計的電橋進行了優(yōu)化;文獻[4]在標定時采用了256B的EE-PROM儲存偏差值, 標定值分辨率較低, 本文利用了處理器的內(nèi)部程序存儲器, 使用4 KB FLASH存儲空間存儲偏差值, 提高了標定偏差值的分辨率。為提高測量數(shù)據(jù)的準確性, 對信號采集的濾波算法進行了優(yōu)化。對于傳統(tǒng)車用空氣流量計只輸出一種模擬信號或數(shù)字信號進行改進, 使得流量計同時輸出模擬和數(shù)字信號以滿足不同電控ECU對信號的需求。

熱式流量計在測試管道放置2個鉑電阻, 加熱電阻通過較大電流, 另一個溫度補償電阻通較小電流用于溫度補償 (傳統(tǒng)車用流量計忽略其自熱) 。根據(jù)托馬斯理論[5]:“氣體的吸熱量或放熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比”, 可得氣體質(zhì)量流量和加熱電阻所消耗的電能關(guān)系為

式中:E為單位時間內(nèi)加熱電阻對流換熱所散失的熱量, J;C為空氣的比熱容, J/ (kg·℃) ;ΔT為空氣溫度定常值, ℃;q為單位時間內(nèi)空氣的質(zhì)量流量, kg/h。

由于空氣比熱容是一個定值, 則質(zhì)量流量只與加熱電阻所消耗的電能和溫差有關(guān), 因此有2種方案:恒溫差式和恒流式[6-7]。由于恒流方案存在響應(yīng)滯后等缺點, 無法滿足發(fā)動機的要求, 所以一般采用恒溫差方式。

根據(jù)傳熱學原理, 加熱電阻存在強迫對流、自然對流、導熱、輻射等幾種方式的傳熱。由于流量計加熱電阻與空氣溫差小于300℃, 因而熱輻射影響極小。在流速大于0.5 m/s時, 自然對流、導熱也可忽略不計。因此, 加熱電阻主要在于強迫對流傳熱, 可以推導出散熱量與空氣的質(zhì)量流量Qm的關(guān)系式為

式中:Qfc為強制對流散熱, J;K為常數(shù);KT為溫度系數(shù), 隨溫度升高而增大, KT=0.15~0.18%/℃, 這種溫度漂移可以通過點橋上電阻的配置來抵消) ;Th為加熱電阻溫度, ℃;Tat為進氣溫度, ℃。

硬件框圖如圖1所示。加熱控制電路保持惠斯登電橋的平衡, 當有空氣流過加熱電阻, 加熱控制電路維持加熱電阻與環(huán)境補償電阻的溫度差。由于流量信號非常微弱且變化范圍小, 因此需要調(diào)理, 并且進行A/D轉(zhuǎn)換后還要再經(jīng)過濾波算法進行濾波處理, 進而對得到的基本流量信號再處理, ***后輸出PWM流量信號, 經(jīng)過12位DAC7512進行轉(zhuǎn)換輸出模擬信號。

圖2是傳統(tǒng)溫差式熱式空氣流量計的工作原理圖, RK、R1、R2、RH、RM組成惠斯登電橋。RH是加熱電阻, RK是環(huán)境溫度補償電阻 (其作用是測量進氣溫度, 進氣溫度變化時該電阻阻值變化進而使得加熱電阻溫度變化, 惠斯登電橋進行調(diào)整, 使加熱電阻的溫度保持比溫度補償電阻高出一定值) 。將RH和RK置于惠斯登電橋的兩臂, RH通入的電流需要50 m A以上, 用于測量空氣流量。R1、R2、RM均為精密電阻。通過合理設(shè)置R1、R2、RM的電阻阻值, 在電路通電時使得UM>UN, 運放輸出高電平, 功率三極管Q加大電流, 使得RH溫度上升, 阻值上升。當電路平衡時有UM=UN, 也即:

當有空氣流過加熱電阻時帶走熱量, 通過功率三極管Q加大電流補償空氣帶走的熱量, 保持加熱電阻RH與環(huán)境溫度的恒定溫差。通過RH上電流的改變引起的電壓變化來得到空氣流量信號。

以上基本電路忽略了RK的自熱效應(yīng), 只有當RK上的電流遠小于RH上的電流才能使得RK的發(fā)熱忽略不計。本文為解決發(fā)動機用空氣流量計的溫度補償電阻進行改進:其基本思想是將環(huán)境溫度補償電阻RK上的電壓設(shè)置為原來的1/K倍, 在保持電路平衡時, 再利用差動放大電路將其電壓值放大K倍, 當K較大時, 可以有效地降低溫度補償電阻對電橋的影響, 保證電橋的準確度。如圖3所示, 三極管的發(fā)射極經(jīng)過R3、R4進行分壓, 經(jīng)過運算放大器進行電壓跟隨之后給RK、R2進行供電, 這樣就降低了電壓K倍數(shù), 可得N點的電壓如式 (4) 。

運算放大器將VN的電壓通過差動放大電路進行放大, 由運放“虛短”和虛斷可以得到點N'的電壓如式 (5) :

通過調(diào)整RI1、RI2、RF1、RF2、R3、R4使其得到式 (6) :

當R4+R3遠大于R4時, 則可以解決溫度補償電阻RK因自熱效應(yīng)造成的偏差。

流量信號檢測原理圖如圖4所示, 從惠斯登電橋輸出的流量信號先經(jīng)過放大電路進行放大, 其輸出信號再經(jīng)過差動放大電路輸出, ***后通過ADC模擬接口電路進行輸出信號的調(diào)整后送入MKE02Z32VLC2進行相關(guān)處理, 控制器自帶12位SAR AD, 32 KB的FLASH, 并有PWM、SPI等模塊。

在流量檢測電路檢測出空氣流量后, 經(jīng)過信號處理電路處理的流量信號需要進行A/D轉(zhuǎn)換, 因此需要較高精度的A/D轉(zhuǎn)換器, 本文采用MKE02Z32VLC2處理器自帶12位分辨率的SAR ADC。對基本流量信號進行多次重復(fù)測量, 并通過改進后的濾波算法進行濾波, 某次測量得到的A/D值如表1所示。

數(shù)字濾波算法步驟如下:

(1) 首先對流量值使用希爾排序算法進行排序, 希爾算法的平均時間復(fù)雜可以達到O (N1.3) , 其思想是先將整個排序元素分割成若干個子序列, 然后分別進行直接插入排序。對數(shù)據(jù)用希爾排序后得到:2 192, 2 197, 2 198, 2 209, 2 212, 2 213, 2 217, 2 217, 2 218, 2 220, 2 237, 2 341。

(2) 然后求平均值及標準差:平均值為2 222.58, 標準差為39.2。

(3) 可以剔除的數(shù)可能為***大值、***小值, 計算2個數(shù)的殘差:2 192-2 222.58=-30.58;2 341-2 222.58=118.42。

(4) ***小值的Gmin= (平均值-***小值) /標準差, ***大值的Gmax= (***大值-平均值) /標準差。

(5) 確定檢出水平, 一般為0.01或0.05, 值越大置信區(qū)間越寬松, 根據(jù)實際條件進行確定, 本論文使用0.01, 查表可以得到固定的臨界值, 與G1、Gn作比較;若G1 (Gn) 大于臨界值, 則剔除, 反之保留。顯然, ***大值2 341被剔除了。

(6) 重復(fù)步驟2至步驟5, 直到所有數(shù)據(jù)滿足要求。

(7) 進行均值濾波, 輸出信號。

本系統(tǒng)使用的濾波算法能有效濾除干擾, 保證數(shù)據(jù)的平滑性而又不失實時性, 能夠快速對外界的干擾進行響應(yīng)。每次采樣后先進行一次排序, 排序后對數(shù)據(jù)進行格拉布斯準則進行數(shù)據(jù)剔除, 降低計算周期提高濾波效果。

在設(shè)計完流量計后, 對流量計進行標定, 為不破壞單片機的應(yīng)用程序, 將標定的偏差值保存在MKE02Z32VLC的FLASH存儲器的***尾部4 KB扇區(qū)內(nèi)。由于受測試儀器的限制, 并沒有作出整個空氣流量范圍內(nèi)的 (8~370 kg/h) 的數(shù)據(jù)測量。只測量前半段的數(shù)據(jù)。設(shè)計的流量計滿足汽車級寬范圍的輸入直流電壓7~18 V。基本流量測試結(jié)果如表2所示。

從上面可以看出, 所設(shè)計的空氣流量計的輸出電壓與標準流量計數(shù)據(jù)非常吻合, 說明精度能達到汽車發(fā)動機的要求。

本文對傳統(tǒng)流量計忽視溫度補償電阻的自熱效應(yīng)問題, 通過降低溫度補償電阻的電流來降低其對流量信號的影響。對流量信號的采集濾波算法結(jié)合格拉布斯準則進行了優(yōu)化, 并集成模擬信號和數(shù)字信號的輸出, 使其能夠同時輸出模擬和數(shù)字信號, 適應(yīng)不同的電控單元。在標定時, 通過使用MKE02Z32VLC2內(nèi)部32 KB的FLASH程序存儲器, 將標定偏差值存儲在FLASH的高4 KB地址處而無需另外擴展存儲器。電路設(shè)計采用了汽車級的集成電路, 并使用小型貼片封裝減少電路板的面積以便能適用于取樣件。測試結(jié)果表明, 流量計具有較高的精度, 能夠滿足汽車發(fā)動機的需求。