電控共軌柴油機控制單元的設計研究

劉永春，郭慶波，王秋花，孫佳玥

（中國重汽集團汽車研究總院，山東 濟南 250002）

1 引言

電控技術為柴油機的發展帶來了新的變革，成為柴油機新的發展方向，其燃油噴射4要素（噴射壓力、噴射油量、噴射正時和噴油規律）均通過電子控制單元ECU來實現，如今成熟的柴油機燃油噴射系統依賴于ECU的完善和可靠，因此ECU的開發近年來始終是各個汽車廠商和研究機構的研究重點。由于中國開展柴油機電控技術的研究起步較晚，較國外成熟的電控系統存在較大差距，國內至今還未有比較成熟的產品批量投放市場，均以國外產品壟斷為主，但近年來國內在高壓共軌電控系統的研發上也取得了突破性進展。柴油機高壓共軌電控系統是一個龐大復雜的控制系統，涉及到電子、機械、流體等方方面面的內容，控制功能復雜，實時性要求高，因此在設計控制單元軟硬件時需要綜合考慮以下因素。

1）豐富的外設資源：發動機電控系統使用大量的傳感器和執行器，要求ECU需要有足夠多的資源處理這些信號，采集傳感器、開關等信號，驅動執行器工作，并留有一定的預備資源用于新功能擴展。

2）系統的高實時性：系統的實時性與柴油機的工況密切相關，必須在極短的時間內隨工況變化改變供油量、共軌壓力、噴油量和噴油規律，實時性要求較高。

3）控制系統滯后：燃油噴射系統是一個滯后的系統，當前得到的工況參數基本上是上一個循環或上幾個循環的控制結果。

4）工作環境惡劣：控制單元安裝布置在發動機本體上，必須承受各種因素引起的振動和沖擊，另外油污、灰塵、溫度、進水、腐蝕等環境因素都會造成絕緣性能變差、焊點松脫、銹蝕等損壞，出現接觸不良、短路、斷路等故障現象，要求ECU具有抗振動沖擊、防水、防油、防塵及其它化學物質腐蝕的能力。

5）電磁干擾嚴重：ECU內核工作頻率較高，同時工作環境復雜，很容易受到自身和外部的電磁干擾，而系統中存在大量感性器件，尤其噴油驅動模塊，其工作電流大而不穩定，容易形成高能量高頻率的干擾發射源，其所處的外部工作環境也存在著大量的電磁干擾源。應針對ECU的系統特征進行EMC設計，使得ECU具備良好的電磁兼容性能。

6）失效保護要求：作為復雜的控制系統，難免會出現故障，而柴油機經常運行在高速大功率下，控制失效會非常危險。因此，必須設計合理的故障診斷策略和失效保護策略增強其可靠性。

2 柴油機電控單元基本功能

電控共軌系統主要由低壓系統、高壓系統、電控單元ECU、電控噴油器等組成，共軌系統架構見圖1。電控單元ECU作為電控共軌系統的核心，具備集高壓共軌燃油噴射控制、實時數據采集及發動機監控保護、整車功能控制、故障診斷、通信等主要功能。采用基于扭矩的柴油機控制策略，通過對供油軌壓、噴油量和噴油時刻的精確控制，使柴油機的燃油經濟性和動力性達到最佳的平衡；通過對冷卻水溫、機油溫度、進氣溫度、大氣壓力、進氣預熱等修正脈譜的控制標定優化，使發動機獲得較好的高低溫及高原地區環境適應性；通過對巡航控制、故障診斷、PTO控制等功能的擴展開發，可滿足整車各種功能的不同需求。

圖1 電控共軌系統架構圖

3 控制單元的開發流程

建模仿真、快速原型、自動代碼生成以及硬件在環等技術的應用改變了電控單元傳統開發模式。ECU軟件采用V型模式開發流程，貫穿模型設計、仿真、系統測試、系統標定及試驗驗證整個開發過程。V型模式的開發方法將ECU開發過程分為原型開發階段和產品實現階段兩個過程。快速原型階段利用控制系統建模工具、快速原型和自動代碼生成工具，進行控制算法的硬件在環仿真，提前進行控制算法的開發與驗證；控制器硬件設計成熟后進入產品開發階段，通過自動代碼生成技術生成目標平臺代碼實現最終軟件。具體過程如圖2所示。

圖2 模型設計與實現流程

1）定義設計需求分析。

2）基于軟件系統架構定義軟件模塊化功能。

3）設計基礎軟件層、中間層，設計測試用例并完成單元測試與集成。

4）設計功能控制策略，進行仿真測試。

5）自動生成代碼，集成底層軟件測試。

6）系統集成測試及基礎標定。

7）系統匹配測試，設計優化。

4 發動機控制單元的軟硬件設計

4.1 硬件功能模塊設計

硬件電路設計遵循模塊化設計原則，采用模擬仿真和匹配計算相結合的開發方法，充分考慮電磁兼容性能和產品的可靠性，主要從電源模塊、中央處理模塊、信號采集模塊、輸出驅動模塊、通信模塊和診斷模塊等設計。如圖3所示。

圖3 硬件系統架構圖

4.1.1 電源模塊

電源模塊的設計是ECU可靠性設計中至關重要的一步，針對電控柴油機ECU供電環境及應用特點，將電源模塊分為電源轉換電路和電源保護電路兩部分，其中電源轉換電路包括升壓電路、降壓電路，升壓電路用于驅動噴油器，降壓電路用于為各控制部分電路和傳感器提供工作電壓，電源轉換均采用DCDC轉換模式。

4.1.2 信號處理模塊

在高壓共軌柴油機電控系統中，信號采集與處理模塊將柴油機運行工況和環境信息實時地傳遞到ECU，然后ECU結合溫度、壓力等信息對噴油量、噴油正時等進行修正。因此電控系統一切控制行為都是基于信號采集處理模塊獲得的，所有控制參數都建立在該模塊的基礎之上。

信號調理和采樣模塊的設計以信號的可靠性和準確性為標準，在信號輸入部分加入阻容濾波、過壓保護等以提高電路的可靠性，并對防錯接及大電壓或大電流的注入進行有效地保護。輸入信號分為3種：模擬信號、數字信號和頻率信號。其中模擬信號包括溫度、電壓傳感器的輸出信號，經過模擬信號處理電路后，送入ADC采樣模塊；數字信號包括各種開關信號，經過數字信號處理電路后，送入IO通道；頻率信號包括電磁式和霍爾式傳感器的輸出信號，經過頻率信號處理電路后，送入相應通道。

4.1.3 中央處理模塊

ECU核心控制單元采用AURIX系列32位處理器TC275作為主芯片，該芯片是專門為滿足汽車電子控制而推出的新一代微處理器。它集成了高達4M Byte嵌入式Flash，還有64KB的數據FLASH（可用模擬EEPROM）和472KB的片內RAM，具有強大的數據處理、時序處理和抗干擾能力，同時具備豐富的外圍資源。不僅能實現對高壓共軌噴射系統的實時控制，還能實現對柴油機系統參數的實時管理。其突出特性如下。

1）采用多核架構，其突出特點在于低功耗和強大的處理能力，被大量應用于汽車的動力管理、高級安全系統中。

2）擁有GTM定時器序列模塊，極大增強了單片機對傳感器數字信號處理及各類數字控制信號輸出的能力，特別適用于處理曲軸、凸輪軸等復雜的信號，噴油時刻和脈寬的定時，噴油電磁閥復雜調制波形的產生等。

3）工作頻率高達200MHz，能滿足ECU處理多任務的實時性要求。

4）擁有豐富的外圍資源，不僅能滿足現有ECU硬件的需求，還留有功能擴展的余地。

5）滿足汽車最高安全等級ASIL D功能安全要求。針對ISO 26262融合了眾多安全機制，具備全面的安全診斷功能。校驗核（checker core）或鎖步核（lockstep core）機構與SMU（Safety Management Unit）機制的融合，HSM（Hardware Security Module）、ECC（Error Checking and Correcting）校驗等措施，保證程序執行的安全可靠。

4.1.4 功率驅動模塊

單片機輸出的TTL電平信號其驅動能力有限，功率驅動模塊的作用將控制信號進行功率放大，以驅動噴油器、進油計量閥等執行器工作。

為滿足噴油器的動態響應特性，要求在工作過程中電磁閥高速開閉，噴油驅動電路采用Peak&Hold驅動方式。噴油器開啟階段采用較高的驅動電壓使電磁線圈有較大的電流通過，從而產生較大的電磁力保證電磁閥快速開啟；當噴油器電磁閥完全打開后，較小的電流就能維持打開狀態，過高的電流會導致噴油器發熱并燒壞噴油器；在關閉階段，電磁閥內電流下降越快越好，以保證電磁閥迅速關閉，提高噴油器控制精度。噴油驅動電路采用低功耗MOSFET和集成式智能噴油控制芯片驅動，可精確控制噴油時刻和噴油量，并支持單缸每循環多達5次的噴射控制。

電磁閥、繼電器的驅動選用集成式汽車級智能功率驅動模塊。模塊內部集成了MOSFET以及預驅動電路和保護電路，并具備過壓欠壓、過熱保護、開路短路檢測和SPI故障信息反饋等功能，保證ECU和執行器的安全。

4.2 軟件模塊設計

4.2.1 軟件模塊設計

以微控制器TC275為運行平臺，按照模塊化和層次化的設計思想，設計并實現了面向該微控制器的底層軟件和應用層軟件。系統軟件由啟動引導程序BootLoader和發動機控制程序組成。啟動引導程序BootLoader是系統上電后執行的第一個程序，負責發動機控制程序的刷寫及判斷是否跳轉到操作系統所在空間，啟動操作系統運行。產品級ECU不再具備程序調試端口，必須使用專門的設備完成ECU應用程序的下載更新，以滿足軟件工程師頻繁更改ECU應用程序代碼和數據的需求。BootLoader對CPU進行必要的初始化后，會對啟動模式進行檢查，如果檢測到合法有效的發動機控制程序，會將ECU引導至發動機控制程序，否則ECU運行停留在BootLoader中。

發動機控制程序由一系列具有標準結構的軟件功能模塊構成，總體架構見圖4。發動機控制軟件運行后，在進行必要的初始化后，實時操作系統啟動運行，在操作系統實時性、可靠性和靈活性的實時多任務機制的合理調度下，控制軟件的各層之間相互配合，應用程序中的燃油噴射控制、軌壓控制、扭矩控制、通信控制等任務線程得到及時執行。

圖4 軟件系統架構

底層基礎軟件通過手寫代碼實現，中間層接口通過手寫代碼實現并轉換為模型形式的系統函數，以供應用層調用，應用層基于模型開發技術進行設計實現。分層的模塊化體系結構使ECU軟件的維護、擴展、移植等性能得到提高。各層的軟件模塊采用標準結構，其編寫和測試均可以獨立進行，因此有效改善了系統的可靠性。軟件分層為基礎軟件層、中間接口層、應用軟件層。應用軟件層AppL通過中間接口層調用基礎軟件BSW服務函數。

1）基礎軟件層包含用于管理任務調度的系統服務子系統、用于標定監控的通信子系統、用于微控制器各模塊驅動的MCU驅動子系統、復雜驅動子系統，各子系統之間相互獨立，方便剪裁配置，并且封裝成庫。

2）中間接口層為應用層提供接口，但必須通過基礎軟件層才能訪問硬件，中間接口層的存在使得應用層與基層軟件層獨立和維護成為可能。

3）應用層基于模型設計、自動集成測試并自動生成代碼。應用軟件主要完成高壓共軌發動機控制策略，實現起動控制、怠速控制、轉速控制、軌壓控制、噴油控制、排氣制動控制等功能。

4.2.2 基于扭矩需求的控制架構

扭矩結構的首要任務是將駕駛員指令反映到發動機的功率和扭矩輸出上，駕駛員所做出的命令與汽車的牽引力直接相關且體現在加速踏板的開度上。ECU認為當前加速踏板位置傳感器的測量值對應著一個特定的輸出扭矩，為了獲得這個對應的扭矩，ECU在采集各類發動機工況參數和車輛運行參數的基礎上，協調各個輸出控制信號，如：軌壓、噴油脈寬、噴油正時等，以達到需求的輸出扭矩，同時系統監測當前運行參數的變化情況。

發動機基于扭矩的算法分為兩個部分，一是指示扭矩計算，另外一部分是指示扭矩的輸出，即扭矩油量轉化。指示扭矩是發動機所需提供的總扭矩，而扭矩油量轉化是根據發動機所處的工況將指示扭矩轉化為相應的噴油量，以保證發動機扭矩的準確輸出。基于扭矩這一算法的出現，及時滿足了要有一種算法來達到以需求扭矩作為發動機與外部裝置間的唯一接口的這一要求，大大提高了現在汽車控制網絡中控制節點的可擴展性。圖5給出了基于扭矩的控制功能系統圖，通過對邏輯層次劃分使得控制系統的結構較為清晰，便于對控制策略進行層次劃分和設計。

圖5 基于扭矩的控制功能系統圖

5 結束語

采用匹配計算和仿真模擬相結合的方法，實現了高壓共軌控制單元硬件電路的設計。采用V型開發流程實現了軟件設計開發，采用Simulink對基于扭矩的高壓共軌控制策略建模仿真，并進行控制算法的硬件在環驗證，使控制單元的軟硬件開發高效完成。該控制單元經臺架試驗和整車標定等試驗驗證具有較好的穩定性和響應性，可以較好地實現對柴油機高壓共軌燃油系統精確可靠的控制，可廣泛應用于電控共軌柴油機燃油噴射控制系統。