CNG／汽油兩用燃料發(fā)動機(jī)ECU設(shè)計＊

吳偉斌 李禮夫 洪添勝 羅彩茹 王 康

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院1） 廣州 510642） （華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院2） 廣州 510641）

國外電子控制單元（electronic control unit，ECU）硬件技術(shù)上，微控制器和微處理器、傳感器、執(zhí)行器已非常成熟，還有專用集成電路［1－2］；國內(nèi)發(fā)動機(jī)ECU研究主要集中在高校和少數(shù)幾個公司［3－7］.本文以四缸汽油機(jī)電控燃油噴射系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合對燃油噴射系統(tǒng)組成與控制策略的全面分析，基于 Motorola 16位單片機(jī)MC9S12DP256，采用嵌入式C語言，完成了汽油機(jī)和CNG發(fā)動機(jī)電子控制單元ECU硬件設(shè)計，軟件設(shè)計與調(diào)試，并進(jìn)行了初步的實驗研究.

1 發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)與硬件設(shè)計

電控單元硬件電路的設(shè)計包括微機(jī)系統(tǒng)、信號采集和信號調(diào)理電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動電路等，結(jié)構(gòu)組成如圖1所示.

1.1 基于MC9S12DP256的發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的核心設(shè)計

MC9S12DP256芯片是Motorola公司一款16位微處理器，主頻25MHz，片內(nèi)集成256kB的閃存存儲器（Flash），4KB的EEPROM，12K的RAM，I／O的控制和擴(kuò)展能力、抗干擾能力和適應(yīng)能力比較強(qiáng)，同時集成了許多針對汽車電子功能的標(biāo)準(zhǔn)模塊，如2路串行通信接口（SCI），3路串行設(shè)備接口（SPI），8通道增強(qiáng)型捕捉定時器（ECT），2個8通道10字節(jié)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），8路脈寬調(diào)制器（PWM），5路總線通信（CAN）以及可轉(zhuǎn)作10路普通I／O輸人輸出口等.發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的核心電路設(shè)計包括單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路，時鐘電路，復(fù)位電路，電源濾波電路，鎖相環(huán)濾波電路.

1.2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器與相位傳感器信號處理電路

本文在電控單元原理機(jī)的開發(fā)中使用的發(fā)動機(jī)原配備電磁感應(yīng)式曲軸位置傳感器，其輸出電壓的頻率和幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化.曲軸位置傳感器的信號處理非常重要，而且精度要求高.電控單元根據(jù)該信息確定噴油時刻和點火時刻，以及發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果失真將引起發(fā)動機(jī)工作混亂，此信號處理的技術(shù)難點有3個：（1）轉(zhuǎn)速脈沖信號的頻率變化比較大：0～6 000Hz；（2）轉(zhuǎn)速信號的幅值變化比較大：300mV～150V；（3）對應(yīng)曲軸末端的靶輪圓周上均勻分布的（60－2）齒，控制單元需精確確定兩個缺齒的位置.

圖1 汽油發(fā)動機(jī)電控單元硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)曲軸位置信號的特性，針對上述技術(shù)難點，本文選用 ON Semiconductor公司的NCV7001信號處理芯片，搭配適當(dāng)?shù)耐鈬骷π盘栠M(jìn)行濾波、限幅、比較整形等處理，將其轉(zhuǎn)化為3.3V電平的方波信號.

相位（凸輪軸位置）傳感器及信號處理電路與曲軸位置傳感器類似.

1.3 其他電路

設(shè)計了基于CAN和串口的通信電路，排氣氧傳感器輸入信號處理電路和爆震傳感器輸入信號處理電路.

1）ECU外擴(kuò)存儲單元設(shè)計 存儲單元型號是FM24C256，雙向兩線通信，軟件設(shè)計主要包括初始化、讀和寫3大部分.

2）怠速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 采用了 Motorola的SAA1042，該芯片內(nèi)部集成了3個輸入級模塊，1個邏輯控制部分和2個輸出級模塊.

2 電控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 電控單元的軟件開發(fā)環(huán)境

設(shè)計的電控單元原理機(jī)選用了飛思卡爾半導(dǎo)體的微控制器作為主控芯片，其編譯、調(diào)試工作在Freescale CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行.

2.2 電控單元的軟件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)

電控軟件劃分成3個基本部分：初始化、前景程序和背景程序.

前景程序中包括轉(zhuǎn)速信號采集、噴油點火及串行通信數(shù)據(jù)接收等中斷服務(wù)程序.曲軸位置及轉(zhuǎn)速信息對發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)具有極其重要的意義，當(dāng)前景發(fā)生中斷沖突時，主芯片CPU應(yīng)最先響應(yīng)轉(zhuǎn)速信號引起的中斷，獲取最新的曲軸位置及轉(zhuǎn)速信息；而串行通信數(shù)據(jù)接收沒有特殊的實時性要求，其優(yōu)先級可以排在點火、噴油控制輸出中斷的后面.

背景程序采用定時循環(huán)的設(shè)計模式，包括各模擬量的周期性A／D采集和變量換算，以及所有對實時性要求不嚴(yán)格的周期性計算過程，比如噴油脈寬和點火提前角的計算等.

2.3 電控單元基本功能模塊設(shè)計

1）系統(tǒng)主程序設(shè)計模塊 主程序是控制軟件的中心環(huán)節(jié)，包括控制系統(tǒng)通電后的初始化程序、發(fā)動機(jī)工況測定、判別和處理程序等.程序的初始化包括RAM區(qū)的初始化，各個特殊功能寄存器的初始化，I／O口的初始化以及堆棧指針的設(shè)定等等.主程序擔(dān)負(fù)判斷發(fā)動機(jī)各種運行工況的任務(wù)，根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度、節(jié)氣門開度變化率確定發(fā)動機(jī)的運行工況，并由此轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理程序當(dāng)中.主程序為一循環(huán)體，發(fā)動機(jī)運行時，只要沒有中斷請求，其一直在該循環(huán)體中運行.

2）數(shù)據(jù)采集與處理模塊 本系統(tǒng)在A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理之前，首先對信號采用了滑動平均濾波處理：把連續(xù)取得的N個采樣值看成一個隊列，采用先進(jìn)先出（FIFO）的原則，將隊列數(shù)據(jù)前移一次，新的采樣值放入隊尾，并丟掉原隊首次數(shù)據(jù).然后把隊列中的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，可獲得新的濾波結(jié)果.滑動平均濾波的優(yōu)點：對周期性干擾有良好的抑制作用，且每計算一次測量值，只需要采樣一次，數(shù)據(jù)處理速度快，非常適用于實時控制.

3）轉(zhuǎn)速計算模塊 ECU通過檢測曲軸位置傳感器得到齒輪信號.信號盤和曲軸是同步轉(zhuǎn)動的，得到信號盤的齒輪信號和曲軸的轉(zhuǎn)速，從而可以計算出發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速［8－9］.對于齒輪信號的捕捉，是通過MC9S12系列單片機(jī)中的ECT模塊完成的.

4）查表插值模塊 本文對一維和二維數(shù)組采用的都是線性插值算法，該算法簡單快捷，且精度夠用.其中，對二維數(shù)組本文采用4點線性插值算法，其數(shù)學(xué)原理如下：在一個三維坐標(biāo)網(wǎng)點模型中，已知4個相鄰點的坐標(biāo)：（x1，y1，z11），（x1，y2，z12），（x2，y1，z21），（x2，y2，z22），一個未知點：（x，y，z）.其中，x坐標(biāo)值介于x1和x2之間，y坐標(biāo)值介于y1和y2之間，z1，z2為2個中間量.與x和y對應(yīng)的z值是需要進(jìn)行插值才能得到的值.

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 試驗選用材料與儀器設(shè)備

試驗設(shè)備主要包括：（1）RIGOL公司DS1042C數(shù)字式示波器；（2）基于PXI的真實ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)；（3）飛思卡爾16位單片機(jī)BDM調(diào)試器；（4）自主開發(fā)的ECU電路板；（5）PC機(jī)1臺，其他導(dǎo)線若干；（6）缺齒曲軸信號模擬器（自主開發(fā)）；（7）點火提前器.

還自主研發(fā)出點火提前器，用于調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)獨立點火系統(tǒng)點火提前角.在輸入頻率300～3 000Hz，相位調(diào)節(jié)在60～150°下，絕對誤差為4°，相對誤差為最大為5%.

3.2 試驗過程與步驟

1）用飛思卡爾16位單片機(jī)BDM調(diào)試器下載目標(biāo)程序到ECU電路板.

2）基于PXI的真實ECU在環(huán)仿真系統(tǒng)產(chǎn)生正弦信號和方波信號，用以模擬曲軸位置信號和凸輪軸位置信號.

3）用示波器觀察ECU輸出的噴油和點火脈沖波形.

4）使用串口線將ECU與PC機(jī)相連，打開ECU標(biāo)定軟件，讀取ECU相關(guān)數(shù)據(jù)，包括進(jìn)氣壓力、曲軸轉(zhuǎn)速等.

5）設(shè)定不同轉(zhuǎn)速，測試不同工況下的輸出波形，驗證ECU的基本功能，噴油和點火控制功能.

3.3 試驗結(jié)果

以工況曲軸轉(zhuǎn)速＝1 000r／min，節(jié)氣門位置50%，進(jìn)氣壓力80kPa為例.

1）噴油時間和點火時間控制實驗數(shù)據(jù) 模擬曲軸位置傳感器信號經(jīng)過曲軸傳感器信號處理電路得到方波信號，能被單片機(jī)識別.凸輪軸信號周期是曲軸信號周期的120倍.用示波器觀察噴油和點火脈沖信號，如圖2為1缸噴油信號，圖3為1、4缸點火控制信號.圖2和圖3中的上部是噴油和點火信號，下部為曲軸傳感器信號.示波器顯示表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000r／min時，噴油脈寬為2.6ms，點火線圈通電時間為2ms.

圖2 1缸噴油脈沖信號

圖3 1、4缸點火控制信號

2）點火提前角實驗數(shù)據(jù) 1、4缸點火正時信號和曲軸信號如圖4所示.圖4中下面的曲線是曲軸信號，可以看到有個缺齒基準(zhǔn)信號.壓縮沖程的上止點離基準(zhǔn)信號120°，又因為1個齒寬代表6°，所以壓縮上止點離基準(zhǔn)信號20個齒.點火時刻是在點火線圈通電后的斷開時刻，即點火信號的下降沿，如圖中標(biāo)示.點火提前角為點火時刻至壓縮上止點中曲軸轉(zhuǎn)過的角度，在示波器中可以觀察出此時的點火提前角為23.34°CA.

圖4 1、4缸點火正時信號和曲軸信號

3）與上位機(jī)通信實驗 打開ECU標(biāo)定軟件，讀取ECU相關(guān)數(shù)據(jù)，包括進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、節(jié)氣門開度、冷卻液溫度、爆震信號電壓、曲軸轉(zhuǎn)速.ECU標(biāo)定軟件界面（圖略），按讀取數(shù)據(jù)按鈕即可讀取一次ECU數(shù)據(jù)，也可以保存數(shù)據(jù)，格式為TXT文本格式.

3.4 試驗分析

1）噴油脈寬數(shù)據(jù)分析 實際寫入ECU的噴油MAP圖如表1所列，第一列的值為節(jié)氣門開度α，第一行的值為曲軸轉(zhuǎn)速n，其他值為噴油脈寬時間T，噴油時間由節(jié)氣門開度和曲軸轉(zhuǎn)速決定，通過線性插值的方法可以查找任意一個轉(zhuǎn)速和節(jié)氣門開度所對應(yīng)的噴油脈寬時間.

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)和線性插值算法，查找出不同節(jié)氣門開度和轉(zhuǎn)速對應(yīng)的噴油時間如表2中的理論噴油時間所列，實驗數(shù)據(jù)和誤差分析見表2所列.

表1 噴油MAP數(shù)據(jù)

表2 噴油時間誤差分析

2）點火提前角數(shù)據(jù)分析 同理，查找出不同進(jìn)氣壓力和轉(zhuǎn)速對應(yīng)的點火提前角，實驗數(shù)據(jù)和誤差分析見表3所列.

由表2和表3的誤差分析數(shù)據(jù)可見，設(shè)計的ECU是能夠在不同工況下比較準(zhǔn)確地控制噴油時間和點火提前角的，誤差均在5%的范圍內(nèi).

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)分析可知，設(shè)計的ECU能實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)噴油和點火控制，實現(xiàn)了ECU的基本功能，能與上位機(jī)互相通信，能采集發(fā)動機(jī)各傳感器的數(shù)據(jù)，也可以保存數(shù)據(jù)，下載EXCEL格式的MAP圖，實現(xiàn)ECU在線標(biāo)定.

表3 點火提前角誤差分析

4 結(jié) 論

1）電控單元原理機(jī)的硬件設(shè)計基本滿足發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)的控制要求.傳感器信號處理采用10位ADC，一次轉(zhuǎn)換周期可達(dá)到7μs，最小分辨率為4.88mV；執(zhí)行器驅(qū)動電路集成度高；微控制器工作頻率為24MHz.

2）電控單元原理機(jī)的軟件設(shè)計基本滿足控制要求.采用嵌入式C語言編寫，可讀性強(qiáng)；模塊化的軟件設(shè)計方法使得程序條理清晰、獨立性強(qiáng).

3）試驗結(jié)果表明，基于曲軸信號和凸輪軸信號的控制邏輯能很好地滿足發(fā)動機(jī)工作的時序要求，實現(xiàn)分組同步點火、噴油等模塊的控制.噴油時間控制較為準(zhǔn)確，精度達(dá)到0.01ms，誤差小于5%；點火提前角最小分辨率為0.01°CA，誤差小于5%.

4）自主研發(fā)出點火提前器，用于調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)獨立點火系統(tǒng)點火提前角，在輸入頻率300～3 000Hz，相位調(diào)節(jié)在60～150°下，絕對誤差為4°，相對誤差為最大為5%.

［1］Robert Bosch Gmbh.Knocking signal evaluation CC195［M］.Stuttgart：Robert Bosch Gmbh，2006.

［2］Robert Bosch Gmbh.Sensor interface－CY30 ［M］.Stuttgart：Robert Bosch Gmbh，2006.

［3］肖 兵，胡 靜，羅 飛.6102LPG單燃料發(fā)動機(jī)智能電子控制單元的研制［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28（3）：20－24.

［4］蘇海峰，邊曉娜，馮國勝.基于DSP的發(fā)動機(jī)電子控制單元開發(fā)［J］.河北師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，31（4）：475－478.

［5］李 珩，歐陽光耀.基于FPGA的高壓共軌柴油機(jī)ECU的硬件設(shè)［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2008，32（5）：917－920.

［6］吳 鋒，賈岱潤，姚棟偉.電控汽油機(jī)點火提前角多目標(biāo)優(yōu)化方法研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（1）：24－28.

［7］王財壽.汽油機(jī)電控單元原理機(jī)的研究［D］.上海：上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，2008.

［8］任玉琢.CNG和汽油兩用燃料發(fā)動機(jī)電控單元硬件研究［D］.成都：電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，2007.

［9］萬一進(jìn).CNG／汽油兩用燃料發(fā)動機(jī)點火正時控制研究［D］.長春：吉林大學(xué)交通學(xué)院，2007.