Multisim仿真软件在发动机电控设计中的应用

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在电子电路设计的初级阶段，电子工程师为了验证电路的功能，往往是焊接一块试验板或在面包板上搭接电路，然后通过测试仪器进行分析和判断。这种方法耗资耗时耗力，而且还受到硬件设备的制约，测量精度差。随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助分析和仿真技术得到了较为广泛的应用。加拿大Interactive Image Technologies公司在成功推出EWB（Electronics Workbench），Multisim2001的基础上，于2003年5月发布了Multisim7.0仿真软件，为电路功能的全面验证及优化提供了快捷、高效的手段。
一、Multisim 7.0的功能特点
　　Multisim7.0是一个虚拟实验室，为使用者造就了一个集成一体化的试验环境，他采用图形化的输入方式，只需进行简单的拖放和连接操作，便可完成电路的搭建与分析。作为一个专业应用软件，他具有以下特点：
　　（一）丰富的元件和测试仪器
　　Multisim7.0提供了数千种电路元件，包括基本独立元件（电阻、电容、三极管等）、集成电路（74及40系列芯片、DA及AD、集成运放等）、源器件（各种独立源、受控源、时钟信号等）、基本显示器件（伏特表、电流表、数码管等）和其他元器件（继电器、电磁铁、直流电机等），而且还可以根据需要扩充或新建已有的元器件库，大大方便了使用者。软件中各元器件参数可调，并提供了理想值，这为分析电路的实际值与理论值的差异提供了依据。Multisim7.0的测试仪器包括数字万用表、函数发生器、多综示波器、扫频仪、频率计、逻辑分析仪等，很难设想实际购置这些仪器设备所需的巨额投资。
　　（二）动态可视化效果
　　Multisim7.0的元器件采用与实物一致的外形，使用者即便是第一次使用，也能方便地找到所需的元器件。对于测试仪器，其测量结果的显示也与实际设备一致，能实时检测系统的运行。另外，他的数码管能够发光、熔断丝可以烧断、蜂鸣器能够发声、电阻器能够通过键盘随时改变阻值，形象地表征了电路的动态特性，体现了其“软件即仪器”的本质特性。
　　（三）多种分析功能
　　作为虚拟的电子工作台，Multisim7.0提供了详细的电路分析手段，不仅可以完成电路的瞬态分析、稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析等常规电路分析方法，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等共计27种电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。此外他还可以对被仿真电路中的元件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察到在不同故障情况条件下的电路工作状态。
　　（四）兼容性好
　　Multisim 7.0的器件模型和分析方法都是建立在SPICE（Simulation Program with Integrated CircuitEmphasis）仿真程序的基础上，因此他与SPICE的网格兼出PCB文件，这样利用Multisim7.0一个软件，便可完成从电路的设计分析直至印刷电路板格式文件输出等全部设计工作，大大加快了产品的开发速度，提高了设计人员的工作效率。
二、Multisim 7.0用于喷油器驱动电路设计
　　（一）发动机喷油器驱动电路设计模型
　　在发动机电子控制中，喷油控制是其控制的核心，发动机整体性能的好坏都取决于喷油质量的高低，为了保证电控喷射系统有良好的工作性能，除了要求喷油器具有好的结构特性外，还应具有一个工作可靠的喷油器驱动电路。因此，要求在该电路的设计中有足够的功率输出以保证喷油器的正常工作；有快速的响应特性，以保证发动机在高速时也能正确放大喷射的脉冲信号；驱动电路也应该具有良好的开关特性，以减少喷油器开启与关闭所需要的时间。因为喷油器每次的最大喷油时间较短，在其驱动电路上，应力求在喷油器开启期间适当加大电流，使喷油器中的电磁线圈迅速励磁，将喷油器快速开启；在喷油器打开之后，只提供保持电流即可，这样有助于喷油器迅速关闭，还可节省耗电。图1是一种实用的喷油器驱动电路方案。

  
  
由单片机发出的喷油脉冲，分别送入单稳态电路和功放管Q2，单稳态电路输出窄的开启脉冲，经波形变换后进入功放管Q1，这2个功放管均工作在开关状态。当单稳态电路输出的窄脉冲使功放管Q1导通而处于饱和状态时，相当于电阻R5短路，这时电源提供喷油器的开启电流。通过调节R1C1即可得到适当的喷油开启脉冲宽度。当单稳态电路提供的喷油开启脉冲消失时，功放管Q1截止，这时电源通过R5向喷油器提供保持电流，直到喷油脉冲消失时，功率管Q2也由饱和状态变为截止，喷油器关闭，喷油结束。
　　（二）仿真的实现及结果分析
　　利用Multisim7.0进行仿真时，从元件库中选择所需的器件拖放到工作区，双击器件可进行参数设定，拖动引脚可进行连线操作，图2为喷油器驱动电路仿真电路图。

  

　　在设计中，为了与实际情况一致，采用了频率30 Hz，占空比10％的方波模拟控制信号，其代表的发动机转速为1800 rpm，喷油脉宽为3.3ms。R1C1回路和电压比较器A1构成了单稳态触发器，输出窄的开启脉冲。比较器的负相输入端通过R2和R3的分压固定在2.5V，当喷油脉冲到来时，由于电容C1上的电压不突变，所以a点得到5V的电压，比较器输出高电平，随着喷油脉冲对电容的充电，a点电压不断下降，当低于2.5 V时，比较器发生翻转，输出低电平。根据所需开启脉冲宽度，可得到R1C1的参数大小，本设计中输出的脉宽为1ms。比较器输出的开启脉冲，经过三极管Q3后，变为12V的反相脉冲，配合PNP型功放管Q1来驱动由L1和R6构成的喷油器。由于喷油器为感性负载，为了避免电流消失时产生的反相电动势对电路造成损坏，并联了二极管D1来进行保护。
　　Multisim7.0仿真软件的强大功能不仅体现在电路的方便设计上，更体现在他能够对电路的工作情况进行监测与分析，利用静态分析工具，可以得到各测试点的静态电压，为了取得电路的瞬态特性，可以利用多路示波器进行观测，图3为同一时刻采集到的不同位置的电压波形。

  

　　从图3中可以看出，喷油器上得到了先高后低的电压，达到了驱动电路的设计要求，如果调节R1C1参数，开启脉冲会随之发生相应变化。示波器得到的电压波形，还可以保存为数据格式，方便进一步的处理。
三、结　语
　　在本设计中，许多器件采用了标准模型，所以得到的波形也比较理想，在实际应用中，还应考虑抗干扰和器件选择等问题，但使用Multisim7.0仿真软件无疑对电路的正确性和可行性进行了验证，为电路的实际开发奠定了良好的基础。