摘 要： 介紹了一種基于32位微處理器PowerPC的車用多功能電子控制單元UECU32,。利用PowerPC集成的時(shí)間處理單元(TPU)模塊提供的各種函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)燃油噴射系統(tǒng)的控制，并實(shí)現(xiàn)了一臺8缸增壓中冷單體泵柴油機(jī)從原機(jī)發(fā)電特性到車用特性的轉(zhuǎn)變,。
關(guān)鍵詞： PowerPC 電控 發(fā)動機(jī)
隨著對柴油機(jī)的動力性,、經(jīng)濟(jì)性、排放和噪聲要求的日益提高,，特別是國內(nèi),、外都對汽車用柴油機(jī)制定了日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，使電控技術(shù)在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。燃油噴射系統(tǒng)是柴油機(jī)電控的核心部分,，對噴油量、噴油率和噴油定時(shí)的控制直接影響到柴油機(jī)性能和排放。而電控單元的選擇直接決定系統(tǒng)的可靠性,。
PowerPC是Freescale公司目前生產(chǎn)的單片機(jī)中一款32位產(chǎn)品，由于其強(qiáng)大的功能和優(yōu)越的性能,，被廣泛應(yīng)用在汽車電控領(lǐng)域,。其中MPC56x系列是車用單片機(jī)目前國際上最先進(jìn)的32位機(jī)系列。MPC563的結(jié)構(gòu)及功能：可集成1片512KB的Flash,，用于存儲車用ECU的控制參數(shù)MAP圖,；提供2個(gè)時(shí)間處理器TPU(最多具有48個(gè)TPU通道)，可以同時(shí)控制16缸柴油機(jī)各缸的噴油動作,；中斷資源可擴(kuò)展到48個(gè),；A/D通道32個(gè)；通用I/O口更可擴(kuò)展到上百個(gè),；提供了3個(gè)高速CAN模塊和1個(gè)同步,、異步隊(duì)列方式的串行通信模塊；66MHz的主頻,、32/64位處理字長,、RISC指令系統(tǒng)和流水線執(zhí)行功能使其可以與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)一較高低?；谠撔酒瑥?qiáng)大功能建立的產(chǎn)品UECU32硬件系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)緊湊,，資源豐富，可以提供發(fā)動機(jī)控制,、車身控制和ABS控制等汽車電子控制功能,。
1 硬件實(shí)現(xiàn)
1.1 UECU32簡介
UECU32是江奎集團(tuán)有限公司汽車電子產(chǎn)業(yè)部研制的一款多功能電子控制單元，它普遍應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)中,，為發(fā)動機(jī)等設(shè)備匹配電子控制系統(tǒng),。UECU32以摩托羅拉32位微控制器PowerPC 563為內(nèi)核，具有強(qiáng)大的接口和軟件支持能力,；該產(chǎn)品成功地解決了諸如柴油機(jī)高壓共軌噴油器,、泵噴嘴及單體泵等高速電磁鐵大電流脈沖驅(qū)動的難題，具有豐富的大電流驅(qū)動組合功能,；可以提供用于12缸及12缸以下壓燃式發(fā)動機(jī)或6缸及6缸以下點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的,、達(dá)到歐洲3號排放標(biāo)準(zhǔn)電控單元的高性能、低成本解決方案,，也可用于雙燃料及特殊用途發(fā)動機(jī)的電控解決方案,；還可以提供車身控制和ABS控制等其他車用控制功能。UECU32的硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀如圖1所示,。
UECU32功能：具有14路開關(guān)量輸入檢測,，可實(shí)現(xiàn)對有源、無源傳感器的信號捕捉。其中7路具有預(yù)處理能力,，可以實(shí)現(xiàn)信號的捕捉,、定時(shí)和中斷；12路模擬信號輸入,，10位精度,；1組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，單相最大1A的驅(qū)動能力,，提供診斷功能,；4路整形輸入，可觸發(fā)中斷,，具有其他預(yù)處理能力,，提供診斷功能；2路氧傳感器信號輸入,；2路爆震傳感器信號輸入,，提供診斷功能；4路0.6A低位開關(guān)驅(qū)動,；2路86V,，峰值能量8焦耳，能量恢復(fù)時(shí)間約4.5ms,，可支持高達(dá)110A峰值電流輸出,；1路電系電壓高位開關(guān)PWM控制，支持0～28A持續(xù)電流和100A峰值電流輸出,；18路低位開關(guān),，支持28A連續(xù)電流和110A峰值電流，提供短路,、開路診斷功能及短路保護(hù)功能,；高達(dá)6路汽油發(fā)動機(jī)點(diǎn)火高壓一次電流輸出；12V凈化電壓輸出,，可提供2A電流,；5V電壓輸出，可提供100ms電流,；1個(gè)RS232接口,，1個(gè)CAN總線接口（可根據(jù)用戶需要擴(kuò)展），1個(gè)BDM接口,；電源電壓：9～32V,，適用于12V和24V車用電系。
1.2 驅(qū)動方式及控制對象
在驅(qū)動單體泵電磁閥時(shí),，用86V高壓快速提升電磁閥電流后,，采用24V電壓的PWM控制電磁閥電流穩(wěn)定在5A，并保持到噴油脈沖結(jié)束。電磁閥啟動信號及電流響應(yīng)如圖2所示,。由圖可知這種驅(qū)動方式能夠保證快速啟動和關(guān)斷電磁閥,。
控制對象為一臺8缸增壓中冷柴油機(jī)，缸徑行程130mm×150mm,，排量16l,，原機(jī)在額定轉(zhuǎn)速為1 800rpm下輸出功率為571kW，全負(fù)荷油耗212g/kW·h,。燃油噴射系統(tǒng)采用的是電控單體泵系統(tǒng),。
2 軟件實(shí)現(xiàn)
凸輪信號標(biāo)記8缸柴油機(jī)的1號缸發(fā)火時(shí)刻,，2次凸輪信號之間即為1個(gè)發(fā)動機(jī)工作循環(huán),，同時(shí)產(chǎn)生72個(gè)曲軸信號。根據(jù)這2個(gè)信號來計(jì)算轉(zhuǎn)速并對噴油進(jìn)行精確定時(shí),，如圖3所示,。發(fā)動機(jī)體上還安裝有水溫傳感器、渦后排溫傳感器和爆震傳感器,?？刂蒲b置采用的電位器為油門信號傳感器，按照油門電位信號和當(dāng)前噴油寬度信號計(jì)算得到目標(biāo)轉(zhuǎn)速,，并按照全程式調(diào)速策略進(jìn)行噴油量的PID控制,。采用VC界面并通過串行通信口實(shí)現(xiàn)控制信號的實(shí)時(shí)采集顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)保存,。
2.1 轉(zhuǎn)速信號的處理
轉(zhuǎn)速信號經(jīng)過硬件濾波,、整形后輸入PowerPC。PowerPC的TPU可以去除窄脈沖,，進(jìn)一步濾除信號中的干擾,。
系統(tǒng)曲軸轉(zhuǎn)速的最大值為2 400rpm，曲軸信號齒數(shù)Z=36,，最小周期為694.4μs,，曲軸信號整形后近似于占空比50%的方波，即最小脈沖寬度為347.2μs,。脈寬小于6.4μs（是最小脈沖寬度的1/54）被視為干擾,，盡管該濾波方法可引起6.4μs的信號滯后，但按照最高轉(zhuǎn)速計(jì)算,，其對應(yīng)的曲軸角度也只有0.09°,，在系統(tǒng)允許誤差范圍內(nèi)，而且隨著轉(zhuǎn)速的降低,，該值引起的角度滯后更低,。因此瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算采用曲軸信號相鄰齒間隔的TPU時(shí)鐘計(jì)數(shù)m進(jìn)行計(jì)量，發(fā)動機(jī)每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的曲軸信號數(shù)目為Z，基準(zhǔn)頻率為fTPU,。則計(jì)算公式為：
等式右邊第1項(xiàng)為角度誤差(主要有加工誤差和扭振誤差,，與ECU的選擇無關(guān)這里不予討論)；第2項(xiàng)為量化誤差,；第3項(xiàng)為觸發(fā)誤差,，由于硬件采用的零交整形，該項(xiàng)為零,。因?yàn)槊總€(gè)脈沖均有同樣的滯后,，因此前面所述的窄脈沖軟件濾波引起的滯后不影響轉(zhuǎn)速計(jì)算。
2.2 噴油定時(shí)的實(shí)現(xiàn)
利用PowerPC強(qiáng)大的時(shí)間處理(TPU)能力,，可以提供復(fù)雜的輸出波形組合,，若配合硬件理論上可以輸出任意組合的驅(qū)動波形，從而控制驅(qū)動電路驅(qū)動噴油器等執(zhí)行器,。利用TPU的這種功能,，實(shí)際上可以將噴油定時(shí)與噴油定量結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)。方法是：當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角位置到達(dá)噴油始點(diǎn)后,，啟動TPU的排隊(duì)比較輸出功能(QOM),，TPU會根據(jù)自己的RAM中的噴油定時(shí)微調(diào)量和噴油寬度值輸出噴油信號(見圖3)，再結(jié)合硬件就可以實(shí)現(xiàn)圖2中的電磁閥驅(qū)動電流,。
2.3 軟件結(jié)構(gòu)
軟件采用外部中斷響應(yīng)轉(zhuǎn)速信號,、重要任務(wù)定時(shí)調(diào)度和一般任務(wù)在主循環(huán)中執(zhí)行的策略，對所有傳感器和執(zhí)行器都進(jìn)行故障診斷,，利用串口和CAN進(jìn)行通信,。其中串口用來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示，每100ms更新1次,，波特率為57 600bps,。使用自己編寫的協(xié)議對內(nèi)部參數(shù)（如PI參數(shù)）進(jìn)行修改，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存,。本軟件也采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的思想,，其軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示[1]。
3 試驗(yàn)結(jié)果
柴油機(jī)的冷啟動穩(wěn)定性主要受控制策略的影響[2],，但硬件系統(tǒng)的可靠性也是重要影響因素,。本文轉(zhuǎn)速控制采用閉環(huán)PI控制，控制周期與發(fā)火間隔相同,，冷啟動效果如圖5所示,。可見發(fā)動機(jī)啟動迅速,，怠速平穩(wěn),。分析表明,，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和循環(huán)平均轉(zhuǎn)速僅差2rpm，轉(zhuǎn)差率只有0.6%,。試驗(yàn)表明,，即使是在最大負(fù)荷情況下穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差率也不超過2%。
原機(jī)是發(fā)電用柴油機(jī),，工作時(shí)轉(zhuǎn)速恒定,。為了將其改做車用，需要確定其動力特性,。另外本文以燃油經(jīng)濟(jì)性為最優(yōu)目標(biāo),，擬作出其噴油提前角的MAP圖。但是由于每個(gè)工況點(diǎn)的最優(yōu)提前角試驗(yàn)的工作量大,，且不同外界環(huán)境下需要改變,，因此本文采用的是其原機(jī)額定功率點(diǎn)的提前角。根據(jù)渦后排氣溫度為530°的限制,，在每個(gè)轉(zhuǎn)速上都作出最大扭矩值,，做出了一條類似于機(jī)械調(diào)速柴油機(jī)的外特性曲線,，如圖6所示,。
圖中從上到下依次為扭矩、功率和油耗,。該曲線表明在UECU32控制下的柴油機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的動力性能,，曲線已經(jīng)符合車用性能要求。
4 結(jié)束語
本文介紹了基于PowerPC的車用多功能電控單元UECU32,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了8缸增壓中冷單體泵柴油機(jī)的車用動力特性,，驗(yàn)證了系統(tǒng)軟硬件的有效性。該產(chǎn)品是完全自主開發(fā)的國產(chǎn)汽車電控單元,，其功能已經(jīng)符合車用要求,，為我國汽車工業(yè)核心技術(shù)的自主知識產(chǎn)權(quán)做出了貢獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
1 謝輝.共軌柴油機(jī)ECU的軟件分層模型及實(shí)時(shí)多任務(wù)機(jī)制. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),，2002,；(1)
2 Han Z P，Henein N,，Nitu B et al.Diesel Engine Cold Start Combustion Instability and Control Strategy.SAE Paper,， 2001；1(1237)