一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统的制作方法

本发明属于功率控制技术领域，尤其涉及一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统。

背景技术：

驻车加热器是一种独立工作的加热系统，不需要启动车辆发动机，利用车载24伏或12伏电瓶即可启动工作，可以为车辆驾驶室供热，用于寒冷季节车内供暖。加热器在为驾驶室供热的同时，也可以对发动机进行启动前的预热，解决车辆冷启动困难和低温启动排放高的问题。而驻车加热器中火花塞是保证加热器正常点火成功的关键元件。火花塞工作时会产生高达20多安的大电流，如果控制不当不仅会影响控制器其他电路的正常工作，也会严重缩短火花塞的使用寿命。

驻车加热器的火花塞呈现非线性电阻负载特性，其电阻一般在0.8欧姆至6.0欧姆之间变化，正常点火需要火花塞的功率达到60-80瓦。例如24伏车辆上使用的火花塞额定电压为18伏，如果一开始便施加额定电压，则电流可以达到20多安培，会产生很大的电流冲击。火花塞的非线性特性表现为电阻随温度的升高而非线性升高，所以为了避免电流冲击，延长火花塞的使用寿命，一般采用电压软起动控制以控制点火塞工作时的电流，以防止产生过大的电流冲击。

现有技术中对火花塞的控制采用pwm控制的恒压技术，配合软起动控制火花塞的工作电流。这种控制方式能够保证加载在火花塞上的电压平均值或有效值是一个恒定的电压，但是不能平稳地控制火花塞的工作电流，尽管电压软起动能够抑制火花塞的电流冲击，但是工作过程中由于火花塞电阻的非线性性，火花塞的工作电流仍很不稳定，电流变化较大。另外不能避免瞬时电压冲击带来的对火花塞寿命的影响。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统，使得加载在火花塞两端是一个恒定的直流电压，避免了瞬时的电压冲击，使得火花塞两端电压平稳，有利于延长火花塞的使用寿命。

一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统，包括第一模块至第六模块，以及微控制单元；

所述第一模块用于为第二模块提供开启电压；

所述第二模块用于接入外部电源，并在接入开启电压时将所述外部电源进行脉宽拉平处理，为所述火花塞提供平稳的直流电压；

所述第三模块用于对所述火花塞的电流进行采样，并将所述电流反馈到微控制单元；

所述第四模块用于对所述火花塞的电压进行采样，并将所述电压反馈到微控制单元和第五模块；

所述微控制单元用于根据所述电流和所述电压获取火花塞的当前功率，然后根据当前功率与所需功率的大小，调节向第五模块输出的脉冲宽度调制信号ⅰ的占空比的大小，其中，若当前功率与所需功率相等，则所述占空比保持不变，若当前功率低于所需功率，则降低所述占空比，若当前功率高于所需功率，则提高所述占空比；

所述第五模块用于接收微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ与第四模块输出的电压，将两者的差值作比例积分得到控制偏差信号后，输出给第六模块；

所述第六模块用于根据所述控制偏差信号与微控制单元给定的锯齿波信号生成脉冲宽度调制信号ⅱ；

所述第一模块用于根据第六模块输出的脉冲宽度调制信号ⅱ调节所述开启电压的占空比，控制第二模块的导通时间，调节火花塞两端的电压，使得火花塞的功率恒定。

进一步的，所述第一模块包括三极管q1；

所述三极管q1的基极用于接入所述第六模块输出的脉冲宽度调制控制信号，集电极用于输出所述开启电压。

进一步的，所述第二模块包括nmos管q2与电感l1；

所述nmos管q2的栅极用于接入所述第一模块的开启电压，漏极用于接外部电源，源极用于连接电感l1的一端，同时电感l1的另一端连接所述火花塞。

进一步的，所述外部电源为24v。

进一步的，所述第三模块包括电阻r5和放大电路；

所述电阻r5一端接地，另一端连接所述火花塞，用于对所述火花塞的电流进行采样；所述放大电路用于将电阻r5采样到的火花塞的电流进行放大，然后再反馈到所述微控制单元。

进一步的，所述第四模块包括电阻r4和r6；

所述电阻r4的一端连接所述火花塞，用于接入所述火花塞的电压，另一端连接电阻r6，且电阻r6的另一端接地；电阻r4连接有电阻r6的一端用于对所述火花塞的电压进行采样。

进一步的，所述第五模块包括电阻r13、r14、r16、电容c11以及运算放大器u1b，且电阻r16与电阻r13阻值相等；

所述电阻r16一端作为第五模块的第一输入端，用于接入微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ，另一端连接运算放大器u1b的同相输入端；电阻r13一端接运算放大器u1b的反相输入端，另一端作为第五模块的第二输入端，用于接入第四模块输出的电压；所述电容c11和电阻r14相互串联，且一个串联端连接运算放大器u1b的输出端，另一个串联端连接运算放大器u1b的反相输入端；运算放大器u1b的输出端用于输出所述控制偏差信号。

进一步的，所述第六模块包括运算放大器u1c；

所述运算放大器u1c的同相输入端用于接入微控制单元给定的锯齿波信号，反相输入端用于接入第五模块输出的控制偏差信号，输出端用于输出脉宽调制信号。

有益效果：

本发明提供一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统，第五模块通过对微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ与第四模块输出的火花塞的电压信号进行比例积分处理，得到控制偏差信号，进而通过控制偏差信号影响第六模块输出的脉冲宽度调制信号ⅱ，则第一模块的开启电压也随之受影响，接着通过改变第一模块开启电压的占空比而改变第二模块的导通时间，然后第二模块将外部电源进行脉宽拉平处理，为所述火花塞提供一个平稳的直流电压；因此，本实施例的恒功率控制系统的脉冲宽度调制信号ⅱ设置在电压进入火花塞之前，没有直接加载在火花塞上，使得加载在火花塞两端是一个恒定的直流电压，避免了瞬时的电压冲击，使得火花塞两端电压平稳，有利于延长火花塞的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统的原理框图；

图2为本发明提供的一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统的电路原理图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，该图为本实施例提供的一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统的原理框图。

一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统，包括第一模块至第六模块，以及微控制单元；

所述第一模块用于为第二模块提供开启电压；

所述第二模块用于接入外部电源，并在接入开启电压时将所述外部电源进行脉宽拉平处理，为所述火花塞提供平稳的直流电压；

所述第三模块用于对所述火花塞的电流进行采样，并将所述电流反馈到微控制单元；

所述第四模块用于对所述火花塞的电压进行采样，并将所述电压反馈到微控制单元和第五模块；

所述微控制单元用于根据所述电流和所述电压获取火花塞的当前功率，然后根据当前功率与所需功率的大小，调节向第五模块输出的脉冲宽度调制信号ⅰ的占空比的大小，其中，若当前功率与所需功率相等，则所述占空比保持不变，若当前功率低于所需功率，则降低所述占空比，若当前功率高于所需功率，则提高所述占空比；

所述第五模块用于接收微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ与第四模块输出的电压，将两者的差值作比例积分得到控制偏差信号后，输出给第六模块；

所述第六模块用于根据所述控制偏差信号与微控制单元给定的锯齿波信号生成脉冲宽度调制信号ⅱ；

所述第一模块用于根据第六模块输出的脉冲宽度调制信号ⅱ调节所述开启电压的占空比，控制第二模块的导通时间，调节火花塞两端的电压，使得火花塞的功率恒定。

需要说明的是，微控制单元接收到第三模块输出的采样电流和第四模块输出的采样电压后，能够获取火花塞的当前功率。微控制单元输出的锯齿波信号是固定不变的，而脉冲宽度调制信号ⅰ是根据火花塞当前功率调节的，其中，若当前功率与火花塞的所需功率相等，则微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ保持不变，则控制偏差信号也保持不变，其中，控制偏差信号是一个直流电压信号，第六模块输出的脉冲宽度调制信号ⅱ的占空比也不变，进而加载在火花塞的直流电压也保持不变，火花塞的功率恒定；若当前功率高于火花塞的所需功率，则提高微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ的占空比，此时，则由微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ与第四模块输出的采样电压的差值的比例积分得到的控制偏差信号将增大，第六模块接收所述控制偏差信号和锯齿波信号，其中，如锯齿波信号大于控制偏差信号，则第六模块输出高电平，否则输出低电平，因此，在控制偏差增大的情况下，第六模块输出的脉冲宽度调制信号ⅱ的占空比也随之减小，则第一模块输出的开启电压的占空比也会减小，进而第二模块的导通时间缩短，最终加载的火花塞的直流电压减小，使得火花塞的当前功率降下来，保持为所需功率；同理，若当前功率低于火花塞的所需功率，则降低微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ的占空比，进而提高火花塞的当前功率，从而实现火花塞的恒功率控制。

由此可见，本实施例第五模块通过对微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ与第四模块输出的火花塞的电压信号进行比例积分处理，得到控制偏差信号，进而通过控制偏差信号影响第六模块输出的脉冲宽度调制信号ⅱ，则第一模块的开启电压也随之受影响，接着通过改变第一模块开启电压的占空比而改变第二模块的导通时间，然后第二模块将外部电源进行脉宽拉平处理，为所述火花塞提供一个平稳的直流电压；因此，本实施例的恒功率控制系统的脉冲宽度调制信号ⅱ设置在电压进入火花塞之前，没有直接加载在火花塞上，使得加载在火花塞两端是一个恒定的直流电压，避免了瞬时的电压冲击，使得火花塞两端电压平稳，有利于延长火花塞的使用寿命。

实施例二

基于以上实施例，本实施例给出驻车加热器火花塞的恒功率控制系统的一种具体实现方式。参见图2，该图为本实施例提供的一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统的电路原理图。

一种驻车加热器火花塞的恒功率控制系统，包括第一模块～第六模块。

首先介绍第一模块的具体实现方式。

所述第一模块包括电阻r1～r3、三极管q1以及二极管d1；

所述三极管q1的基极分别连接电阻r1和r2，其中，电阻r1的另一端作为第一模块的输入端，并接入所述第六模块输出的脉冲宽度调制控制信号ⅱ，电阻r2的另一端接地；三极管q1的发射极接地，集电极分别连接二极管d1的阴极和电阻r3，其中，二极管d1的阳极接地，电阻r3的另一端用于输出所述开启电压。

需要说明的是，电阻r1和电阻r3为限流电阻，电阻r2为下拉电阻，二极管d1为稳压二极管。

下面介绍第二模块的具体实现方式。

所述第二模块包括nmos管q2、电感l1、二极管d2以及电容c1、c2；

所述nmos管q2的栅极作为第二模块的输入端，接入所述第一模块的开启电压；nmos管q2的漏极接外部电源，源极分别连接电感l1的一端、电容c1的正极以及二极管d2的阴极，其中，二极管d2的阳极接地，电容c1的负极接地，电感l1的另一端接电容c2的正极，电容c2的负极接地，同时电感l1的连接有电容c2的一端还连接所述火花塞，并用于为所述火花塞提供平稳的直流电压。

需要说明的是，二极管d2为续流二极管。

可选的，所述外部电源为24v。

由此可见，本实施例提供的恒功率控制系统，与传统的恒压控制不同之处在于，本实施例是通过电感和电容的配合将pwm输出的电压波拉平，使得加载在火花塞两端是一个恒定的直流电压而不是一种脉宽调制波形，这样避免了瞬时的电压冲击，使得火花塞两端电压平稳，有利于延长火花塞的使用寿命。

下面介绍第三模块的具体实现方式。

所述第三模块包括电阻r5和放大电路；

所述电阻r5一端接地，另一端连接所述火花塞，用于对所述火花塞的电流进行采样；所述放大电路用于将电阻r5采样到的火花塞的电流进行放大，然后再反馈到所述微控制单元；

其中，放大电路包括电阻r8～r11、电容c3～c6以及运算放大器u1a；

具体的，所述电阻r9一端连接所述火花塞，用于接入所述火花塞的电流，另一端连接所述运算放大器u1a的同相输入端，同时，运算放大器u1a的同相输入端还通过连接电容c4后接地；运算放大器u1a的输出端接电阻r11一端，电阻r11另一端作为第三模块的输出端，用于将所述火花塞的电流反馈到微控制单元，同时，电阻r11的输出端还连接电容c6一端，且电容c6的另一端接地；电容c5与电阻r10并联，并联的两端分别连接运算放大器u1a的输出端和反相输入端；电容c3和电阻r8并联，其中一个并联端连接运算放大器u1a的反相输入端，另一个并联端接地。

需要说明的是，电阻c3和电容r8、电阻r9和电容c4、电阻r10和电容c5、电阻r11和电容c6分别构成一个阻容滤波电路；且电阻r8与电阻r9阻值相等，放大电路的放大倍数为电阻r10与电阻r8的比值。

下面介绍第四模块的具体实现方式。

所述第四模块包括电阻r4、r6、r7以及电容c9、c10；

所述电阻r4的一端连接所述火花塞，用于接入所述火花塞的电压，另一端分别连接电阻r6、电容c9以及电阻r7的一端，同时，电阻r6的另一端接地，电容c9另一端接地，电阻r7的另一端作为第四模块的第一输出端，用于将所述火花塞的电压反馈到微控制单元；电阻r7的第一输出端还连接电容c10一端，且电容c10另一端接地；电阻r4连接有电阻r6的一端作为第四模块的第二输出端，用于将所述火花塞的电压输出给第五模块。

需要说明的是，电阻r4和电阻r6共同对接入的火花塞的电压进行分压；电阻r7以及电容c9、c10构成滤波电路，用于滤除电阻r6上分压的电压中可能存在的毛刺，再输入微控制单元。

需要说明的是，微控制单元接收到火花塞的采样电流和采样电压后，除了根据两者计算火花塞的当前功率，进而与恒功率控制系统相互配合，调节火花塞两端的电压大小，使得火花塞的功率保持恒定外，微控制单元还可以根据接收到火花塞的采样电流和采样电压对火花塞的工作情况进行检测，实现火花塞异常情况下的报警，包括火花塞线路开路和短路情况的报警及电阻特性异常不能正常点火的情况。

下面介绍第五模块的具体实现方式。

所述第五模块包括电阻r12～r16、电容c7、c8、c11以及运算放大器u1b，且电阻r16与电阻r13阻值相等；

所述电阻r16一端作为第五模块的第一输入端，用于接入微控制单元设定的脉冲宽度调制信号ⅰ，另一端连接运算放大器u1b的同相输入端；所述电容c8和电阻r15相互串联后再并联在电阻r16的两端，且电容c8和电阻r15未与电阻r16连接的一端接地；电阻r13一端接运算放大器u1b的反相输入端，另一端作为第五模块的第二输入端，用于接入第四模块输出的电压；所述电容c11和电阻r14相互串联，且一个串联端连接运算放大器u1b的输出端，另一个串联端连接运算放大器u1b的反相输入端；电容c7和电阻r12并联，其中一个并联端接运算放大器u1b的反相输入端，另一个并联端接地；运算放大器u1b的输出端作为第五模块的输出端，用于输出所述控制偏差信号。

需要说明的是，所述电阻r14、电容c11以及运算放大器u1b构成pi调节器，电阻r16与电阻r13为输入电阻，而电阻r14和电阻r13的比值为pi调节器中比例调节的放大倍数；电阻r12和电容c7、电阻r15和电容c8分别构成阻容滤波电路。

下面介绍第六模块的具体实现方式。

所述第六模块包括电阻r17～r20以及运算放大器u1c；

所述电阻r17一端连接运算放大器u1c的同相输入端，另一端作为第六模块的第一输入端，用于接入外部微控制器给定的锯齿波信号；所述电阻r19一端连接运算放大器u1c的同相输入端，另一端接地；电阻r18一端连接所述运算放大器u1c的反相输入端，另一端作为第六模块的第二输入端，用于接入第五模块输出的控制偏差信号；所述电阻r20的一端连接运算放大器u1c的反相输入端，另一端接高电平；所述运算放大器u1c的输出端作为第六模块的输出端，用于输出脉宽调制信号。

需要说明的是，电阻r17和电阻r18为输入电阻，电阻r19为下拉电阻，电阻r20为上拉电阻；由于运算放大器u1c实际为一个比较器，当同相输入端信号大于反相输入端信号，即锯齿波信号大于控制偏差信号时，运算放大器u1c输出高电平，否则输出低电平；因此，当微控制单元没有输出锯齿波，即运算放大器u1c同相输入端无信号而反相输入端有信号时，下拉电阻r19能够保证运算放大器u1c同相输入端的信号小于反相输入端的信号，则运算放大器u1c输出低电平，不导通后续第一模块中的三极管q1；当第五模块没有输出控制偏差信号，即运算放大器u1c同相输入端有信号而反相输入端无信号时，上拉电阻r20能够保证运算放大器u1c反相输入端的信号大于同相输入端的信号，则运算放大器u1c还是输出低电平，不导通后续第一模块中的三极管q1；由此可见，电阻r20和电阻r19大大提高了整个控制系统的安全性和可靠性。

需要说明的是，图2中gnd指的是数字地，vgnd指的是车体地，gnd与vgnd之前连接一个电感l2或者磁珠，是为了将两者隔离。

需要说明的是，第一模块产生的开启电压是一个pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)波，该pwm波来控制第二模块中nmos管q2的通断；而第一模块输出的开启电压的占空比由第六模块中的运算放大器u1c决定。第二模块主要为功率开关元件nmos管q2及其脉宽拉平电路，其电压拉平的主要元件依靠于电感l1。第三模块的作用是进行火花塞电流的取样和反馈，其中负载load为火花塞，电阻r5为电流反馈取样电阻，经过运算放大器u1a放大隔离后送入微控制单元mcu进行a/d转换。第四模块为火花塞电压反馈模块，将拉平的电压进行分压滤波后反馈给微控制单元mcu。第五模块实际为模拟pi调节器，分别接收微控制单元mcu设定的脉冲宽度调制信号ⅰ和第四模块得到的拉平的火花塞电压的分压，将两者进行比例积分，得到控制偏差信号，其中，控制偏差信号是一个直流电压信号。第六模块的作用是通过运算放大器u1c产生控制三极管q1的基极的pwm信号，运算放大器u1c一端的输入信号来自微控制单元mcu给出的一定频率和一定幅度的锯齿波信号，另一端为pi调节器，即第五模块输出的控制偏差信号，其中，锯齿波信号的幅度需满足能让运算放大器u1c输出pwm波，即控制偏差信号的幅度小于锯齿波信号的幅度，则当锯齿波信号大于控制偏差信号时，运算放大器u1c输出高电平，当锯齿波信号不大于控制偏差信号时，运算放大器u1c输出低电平；也就是说，如果控制偏差信号改变，运算放大器u1c输出的pwm波的占空比就会改变。当火花塞电压的分压和微控制单元mcu设定的pwm波信号相等时，第六模块输出与锯齿波信号频率相同且占空比恒定的pwm信号，从而保证第二模块输出的直流电压为恒定值，如果火花塞电压的分压和微控制单元mcu设定的pwm波信号不等，则通过pi调节器，即第五模块输出的控制偏差信号的变化来改变第六模块中运算放大器u1c的输出的pwm信号的占空比，从而调节火花塞功率的恒定。

例如，若当前功率低于火花塞的所需功率，则降低微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ的占空比，此时，运算放大器u1b的同相输入端的电压信号大于第四模块输出的采样电压的时间将缩短，则由微控制单元输出的脉冲宽度调制信号ⅰ与第四模块输出的采样电压的差值的比例积分得到的控制偏差信号将减小，第六模块中运算放大器u1c输出的脉冲宽度调制信号ⅱ的占空比随之增大，则第一模块中三极管q1的导通时间延长，输出的开启电压的占空比也会增大，进而第二模块中nmos管q2的导通时间延长，最终加载的火花塞的直流电压增大，使得火花塞的当前功率提高，保持为所需功率。

由此可见，本实施例通过将nmos管q2的输出的pwm电压波形拉平为一个平稳的直流电压，保证火花塞供电电压的平稳安全；还利用微控制单元采样火花塞的直流电压和电流的大小，经过微控制单元的运算，在保证恒定功率的条件下调整微控制单元mcu设定的pwm波信号占空比的大小，从而实现了火花塞的恒功率控制。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。