高壓共軌柴油機ECU 硬件設計關鍵技術研究

靖沛，申立中

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學 云南省內燃機重點實驗室）

0 引言

柴油發動機高壓共軌技術誕生于20 世紀90年代，是目前主流的柴油機電控技術。高壓共軌柴油機噴油過程中燃油壓力由ECU 單獨控制，與發動機工況沒有直接關系。ECU 是高壓共軌柴油機燃油噴射系統的核心，它通過分析處理采集到的各傳感器溫度、壓力、位置等信息，確定發動機當前的轉速、噴油提前角、噴油量、噴油壓力等參數，再通過調整噴油器和燃油計量單元等執行器，控制不同工況下的發動機，得到合適的空燃比，達到省油、降噪、減排的效果。

無論是為了滿足日益嚴苛的排放法規，還是從經濟性方面考慮，高壓共軌電控燃油噴射技術都將是今后柴油機電子控制的主要研究方向。然而,目前國內ECU 開發的技術還落后于德國的博世、美國的德爾福等公司。因此，本文將主要介紹高壓共軌柴油機ECU 硬件的開發流程，為將來ECU 的設計提出一些參考建議。

1 ECU 基本架構

ECU 即電子控制單元，與傳感器和執行器構成高壓共軌柴油機的燃油噴射系統。ECU 作為電控噴油系統的核心，其內部預存了MAP 圖（發動機特性參數圖譜）。ECU 的主要作用是根據曲軸位置傳感器和加速踏板傳感器采集發動機的運行參數，與MAP 圖比對后，計算得出噴油量與噴油時長等參數后向執行器發出控制指令。高壓共軌柴油機電子控制系統的架構如圖1 所示。

高壓共軌柴油機ECU 通過傳感器采集發動機的各項狀態參數，利用標定好的控制程序進行運算和處理，通過發出指令從而控制發動機上的各個執行器。以典型的四缸高壓共軌柴油機來分析，電控噴油系統中的傳感器需要采集的主要信息是進氣溫度、進氣壓力、冷卻液溫度、機油溫度、燃油溫度、共軌管壓力、加速踏板位置、曲軸位置和凸輪軸位置。微控制器將這些信號處理后再通過驅動噴油器、油量計量單元和EGR 閥等執行器達到系統的控制目的。

圖1 高壓共軌柴油機電控系統架構圖Fig.1 High-pressure common-rail diesel engine electronic control system diagram

2 ECU 硬件電路設計思路

高壓共軌柴油機ECU 電路設計的一般流程是先對系統進行需求分析，根據需要實現的功能，結合經濟、性能等方面考慮選擇合適的傳感器、微控制器和執行器。通過查閱相關元器件datasheet（數據手冊）上的參數，分模塊構建合理的參考電路，再分別對各模塊電路原理圖進行仿真測試與驗證，提高下一步電路板制作的成功率。

2.1 微控制器選型

ECU 對各種信號的采集處理、數據參數的計算分析，發動機運行控制策略的實現、控制指令的生成下發、數據間的通信交換等方面都要依靠MCU（微控制器）的分析計算處理才能得以實現，可以看出，MCU 能夠直接影響ECU 的性能。高壓共軌柴油機的信號的輸入輸出、協調控制和故障診斷方面比較復雜，這就使得MCU 需要處理的控制策略、運行參數和MAP 圖更為困難。根據高壓共軌柴油機ECU 的硬件需求分析可知，MCU 應具備充足的硬件資源、豐富的存儲資源、安全功能、實時處理能力、更完善的中斷機制、指令系統、運算速度。因此對微控制器選型時可以參照以下條件：

（1）應根據傳感器和執行器的數量來確定微控制I/O（輸入/輸出）端口的最低要求；

（2）微控制器要具備較高的主頻、較大的緩存存儲器、優良的數值運算和邏輯運算能力來實現高壓共軌柴油機的實時性響應[1]；

（3）ECU 電路板在實驗過程中要經常對軟件進行調試，要求所選擇的微控制器可以通過簡單的下載調試設備實現與上位機的鏈接、程序下載、在線實時調試和程序的編譯；

（4）為簡化電路設計，提高ECU 運行可靠性，微控制器片上資源應盡量豐富。

如今，隨著汽車電子技術的飛速發展，32位多核微控制器已經是汽車電子處理芯片的主流，其中又以英飛凌公司生產的基于AURIX 架構的TC27X 與飛思卡爾公司生產基于PowerPC架構的MPC5XXX 系列的微控制器使用較多。

2.2 電源模塊電路設計

電源模塊的作用是為ECU 電路板上的各功能模塊提供安全穩定使用的電能。根據ECU 硬件需求分析歸納的能滿足一般高壓共軌柴油機ECU 硬件電路電源需求的電壓如表1 所示。

表1 ECU 硬件電路需求電源Tab.1 Power requirements of ECU hardware

要滿足ECU 硬件電路對不同電壓需求，出于降低電路設計復雜程度、提高ECU 的穩定性、降低電路板功耗等方面的因素，目前較為簡單普遍的方法是在電路中采用一些電源轉換芯片。

ECU 電源電路的安全是整個系統能夠正常工作的保證，高壓共軌柴油機比較惡劣的工作環境使電源電路隨時可能面臨浪涌電壓、靜電干擾和拋負載等情況，因此，對電源電路的設計必須考慮到過壓、過流、防反接和共模抑制等方面[2]。

圖2 前級保護電路原理圖Fig.2 Pre-protection circuit

圖2 所示為一個基本電源模塊前級保護電路。圖中的Q1 起到防反接作用，D1 和D2 為瞬態電壓抑制二極管（TVS），能夠起到防防浪涌電壓作用。C2，L1 和C3 構成一個典型的π型濾波電路，能夠有效消除電路中的共模干擾，提高電路的電磁兼容性。

2.3 信號處理模塊分析

信號處理模塊是整個ECU硬件電路的基礎，能否采集處理到準確、及時、穩定的信息決定整個電控系統的可靠程度。盡管現在新型的微控制器內部都已經集成了A/D 模塊，但是，ECU 復雜的工作環境使得其相關模塊能夠采集到的信號類型和幅值都比較有限，所以，還需要外部的信號處理模塊對輸入的信號進行濾波、消抖、限幅、調整等處理，從而能夠讓微控制器能夠更好地識別[3]。高壓共軌柴油機ECU 需要處理的傳感器信號主要分為模擬信號、脈沖信號和開關信號這幾類，其中，模擬信號主要來自于進氣溫度傳感器、大氣壓力傳感器、空氣流量傳感器、增壓壓力傳感器、共軌管壓力傳感器、機油壓力傳感器、機油溫度傳感器、燃油溫度傳感器、冷卻液溫度傳感器、加速踏板傳感器和EGR，VNT 位置傳感器；脈沖信號主要來自于曲軸位置和凸輪軸位置傳感器；開關信號主要來自鑰匙開關[4]。

2.3.1 模擬信號處理分析

通常，溫度、壓力傳感器內部都集成了信號放大處理電路，能將采集到的信號處理后送到微控制器的A/D 端口進行識別，因此，電路中只需提供一個直流5 V 的電源就能讓傳感器根據檢測對象的壓力大小輸出相應的模擬電信信號，只需對傳感器的輸出信號進行濾波即可。

一般的模擬信號調理電路原理如圖3 所示。電阻R3 是限流電阻，將電流控制在傳感器最大允許電流以內。傳感器正端與信號采集電路的輸出端相連，負端接地。微控制器的A/D 采樣通道引腳連接信號輸出的另一端。在電路中加入濾波電容C4，C5 能夠起到防浪涌電壓和過濾高頻噪聲的作用。

圖3 模擬信號處理電路Fig.3 Analog signal processing circuit

2.3.2 脈沖信號處理分析

高壓共軌柴油機ECU 所需處理的脈沖信號主要是曲軸信號和凸輪軸信號。如圖4 所示，發動機工作過程中，電磁式傳感器間歇性地輸出脈沖信號，信號的頻率和幅值隨著發動機轉速的變化而變化，微控制器無法直接靠這些無序變化的信號來準確判斷各缸的位置，所以，需要將傳感器輸出的類正弦信號整形為標準的方波信號，使得微控制實現判缸從而確定噴油時刻[5]。而滯回比較器是處理類正弦信號的常用方式，通過將曲軸、凸輪軸的位置信號輸入到比較器的同向端，同向端和輸出端間連入反饋電阻R10 快速實現正向反饋。反相端連接至參考電壓，通過調節同相端的電阻R8 和反相端電阻R9 達到控制滯回比較器的上下限閾值。這種電路設計為ECU 在發動機處于不同工況下都能快速準確獲取信號提供了保障。

圖4 脈沖信號處理電路Fig.4 Pulse signal processing circuit

2.3.3 開關信號處理分析

高壓共軌柴油機ECU 需要處理的開關信號主要是點火開關信號。點火開關信號主要用來控制起動馬達和電源繼電器狀態，一般是高電平有效，信號的處理電路如圖5 所示。

圖5 開關信號處理電路Fig.5 Switch signal processing circuit

由于微控制器中讀取點火開關信號的輸入端口默認是高電平狀態，因此，采用了一個反相電路將輸入的高電平開關信號轉變為低電平，這樣當點火開關信號接通之后能夠及時觸發中斷信號激活點火程序。輸入的T15 開關電壓經過R11 和R12 分壓，R12 兩端的電壓由D2 鉗位控制后經C6 電容濾波。反相器將點火信號轉變為低電平，使得ECU 接收到點火開關輸出信號后能夠及時進入中斷啟動點火程序。

2.4 功率驅動模塊分析

高壓共軌柴油機最大的優點就是能夠通過電控燃油噴射系統實現多段噴射，從而達到降低噪音、控制排放的效果，而電控燃油系統功率驅動模塊的重點就在于噴油器和油量計量單元驅動電路的開發。

2.4.1 噴油器驅動分析

目前，高壓共軌柴油機所使用的噴油器均為高速電磁閥噴油器，而PEAK&HOLD 電流驅動是如今最常用的驅動方式，其工作原理如圖6 所示。

圖6 Peak &Hold 噴油器驅動電流波形Fig.6 Peak &Hold injector current waveform

Peak &Hold 驅動采用一高一低的雙電壓分時驅動，主要包括3 個階段[6]：第1 階段為Peak階段。噴油器驅動電路使用高電壓（通常為48 V）驅動噴油器電磁閥，使電流迅速從0 升至最高（一般為18 A），此時電磁閥完全開啟，隨后再將驅動電壓換為低壓（通常為24 V），使電磁閥繼續保持18 A 的電流工作一段時間，此過程中，噴油器只打開還未開始噴油；第2 階段為Hold 階段。在使用低壓驅動后，電流回落至一個較低水平，此時噴油器開始噴油；第3 階段為關閉階段。當驅動電流下降至電磁閥的關閉電流后，電磁閥關閉噴油器停止噴油[7]。使用Peak &Hold 驅動方式既實現了噴油器的快速打開，又降低了驅動電路的功耗，提高了噴油系統整體的靈活性。

確定Peak &Hold 的驅動后，根據所要實現的功能設計電路，設計電路架構如圖7 所示。

電磁閥噴油器的驅動由3 個MOSFET 管形成的開關電路控制。以1 缸為例，當微控制輸出選缸信號后，48 V高電壓開關Q2開啟，短暫時間（約100 μm）后，經過噴油器的電流達到最高（18 A左右）進入Peak 階段[8]；之后，微控制調整24 V 低壓驅動信號的占空比，將噴油器驅動電流降至12 A，也即是進入Hold 階段。Hold 階段的持續時間由噴油周期內的噴油量決定。

圖7 噴油器驅動電路框架圖Fig.7 Injector drive circuit frame diagram

2.4.2 油量計量單元分析

油量計量單元的作用是通過調節進入到高壓泵的燃油量，從而控制高壓共軌管的軌壓，通常都安裝在高壓泵的進油端。燃油計量單元的電磁閥屬于常開型的感性負載，即沒有電流通過時燃油計量單元處于開啟狀態。ECU 通過輸出不同的PWM 信號來改變高壓泵供油的位置，從而達到控制供油量的效果[9]。

因為油量計量單元的控制信號范圍在165～195 Hz，最大電流不超過2 A，供油量隨著電流的增大而減少。基于以上特性和降低電路的復雜性，目前使用英飛凌公司生產的BTN7XXX大電流橋式電機驅動芯片比較普遍[10]。

圖8 為典型的應用了BTN7960 芯片的燃油計量單元驅動電路。BTN7960 內部由1 個高端P-MOS 管和1 個低端N-MOS 管，集成了大電流橋式電路，具有過溫、過壓、欠壓和欠流等保護功能。IS 引腳與ECU 的微控制相連接，能夠實現電流的控制與故障檢測等功能。INH 是芯片的模式切換引腳，輸入信號為低電平時芯片處于休眠狀態，輸入高電平時芯片開始工作[10]。IN 引腳是油量控制信號的輸入，輸入為低電平時芯片內部的低端NMOS 管開啟，輸入高電平時則是高端PMOS 管開啟。

油量計量單元的驅動方式與EGR 閥的驅動方式相同，都可以使用基于BTN79070 芯片的半橋驅動，不同點只在于EGR閥屬于常關型電磁閥，具體的驅動電路結構和油量計量單元類似。

圖8 油量計量單元電路原理圖Fig.8 Fuel metering unit circuit

2.5 通信模塊分析

設計通信模塊的目的是實現 ECU 和其他設備之間的通信功能，以便ECU 出的指令可以被執行，或者從外圍設備接收有用的信息，設計的原則是方便設備間的數據通信[11]。功能完善、成本合理的CAN 總線是目前使用最為廣泛的通信模式。

現在市面上主流的微控制器內部都集成了CAN 芯片，在設計通信電路CAN 接口時可以直接使用。CAN 網絡節點要具備微控制器、CAN控制器和收發器才能正常工作。微處理內部的CAN 芯片能夠收發信號的電平范圍比較小，因此，需要在外部利用一個電平信號轉換芯片對信號進行處理。圖9 為使用英飛凌公司的TLE6250GV33芯片的一個基本的CAN 接口電路[12]。

圖9 CAN 接口電路圖Fig.9 Interface circuit of CAN

3 結語

本文按照不同的功能需求將高壓共軌柴油機ECU 硬件分為5 大模塊分析，給出了常用的ECU 微控制器選型原則。在考慮到高壓共軌柴油機要在比較惡劣的工作環境保持安全性、穩定性和可靠性，電源模塊應設計合理的保護電路。信號處理模塊依據信號輸入的類型進行統一規范的電路設計。功率驅動模塊中噴油器和燃油計量單元驅動電路的設計最為關鍵。通信模塊采用目前應用最為廣泛的CAN 總線。對以后設計我國具有更高技術要求的ECU 起到了很好的參考作用。