基于MPC5534的壓電式共軌ECU硬件設(shè)計(jì)*

(北京理工大學(xué) 汽車電子技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100081）

壓電式高壓共軌噴油系統(tǒng)是柴油機(jī)噴射技術(shù)的一大進(jìn)步。與傳統(tǒng)基于電磁式的噴油系統(tǒng)相比，壓電式噴油器從控制始點(diǎn)到噴油始點(diǎn)延遲時(shí)間短、響應(yīng)速度快，因此,壓電式噴油器能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)性更好、單次噴射油量更小的噴射[1-2]，從而為實(shí)現(xiàn)多次噴射和優(yōu)化控制奠定了基礎(chǔ)。壓電噴油器的核心執(zhí)行設(shè)備是一個(gè)壓電堆。在壓電堆驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中通常將壓電堆等效為一個(gè)電容。壓電堆最終實(shí)現(xiàn)的是電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，在這個(gè)過程中，壓電堆伸長(zhǎng)，其材料本身的一些參數(shù)如介電常數(shù)、壓電常數(shù)等會(huì)發(fā)生變化[3]，所以使得精確的壓電堆電氣建模變得困難。因此，在壓電噴油器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中,采用等效電容的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

壓電式噴油器的共軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)更好的經(jīng)濟(jì)性、排放性、動(dòng)力性等性能，因此控制系統(tǒng)需要采用多次噴射、尾氣后處理管理等技術(shù)，這使得共軌控制單元變得越來越復(fù)雜，從而對(duì)電子控制單元的核心處理器（MCU）也提出了更高的要求。本文介紹采用飛思卡爾 （Freescale） 新一代汽車用32位微處理器MPC5534設(shè)計(jì)的共軌電子控制單元。

1 ECU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路

1.1 共軌ECU的組成

共軌ECU結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,主要由電源模塊、MCU模塊、外擴(kuò)SRAM模塊、頻率信號(hào)處理模塊、模擬信號(hào)處理模塊、開關(guān)信號(hào)輸入采集模塊、壓電噴油器驅(qū)動(dòng)模塊、低端驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和通信驅(qū)動(dòng)模塊等組成。

1.2 設(shè)計(jì)思路

(1)電磁兼容設(shè)計(jì)：對(duì)于壓電式共軌系統(tǒng)的電子控制單元，由于壓電式噴油器工作電壓比較高，通常工作電壓高達(dá)150 V，在對(duì)壓電堆進(jìn)行充放電的過程中，一般需要采用PWM控制充放電電流。在這個(gè)過程中，一些電路節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)較高的瞬變電壓，一些電流環(huán)路也會(huì)出現(xiàn)大的瞬變電流，從而產(chǎn)生很大的電磁輻射。因此，要達(dá)到國(guó)家汽車電子方面的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行良好的電磁兼容設(shè)計(jì)。

(2)熱設(shè)計(jì)：本文設(shè)計(jì)的共軌系統(tǒng)ECU，鋁電解電容器是其核心器件，而鋁電解電容的壽命與它的紋波電流和工作溫度壽命相關(guān)，大的紋波電流和高溫工作都會(huì)造成鋁電解電容的壽命下降。對(duì)于該系統(tǒng)中的鋁電解電容，工作于不斷的大電流充放電過程，紋波電流比較大，所以驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減小充放電紋波電流；而且壓電噴油器驅(qū)動(dòng)和其他功率驅(qū)動(dòng)會(huì)造成ECU內(nèi)部大量熱量的產(chǎn)生,所以必須對(duì)ECU進(jìn)行良好的內(nèi)部熱控制和外部散熱設(shè)計(jì)，保證該電容器能夠滿足壽命要求。

(3)降額設(shè)計(jì)：當(dāng)外應(yīng)力超過元器件本身的應(yīng)力承受強(qiáng)度時(shí)，元器件就容易損壞[4]。為了避免元器件在臨界應(yīng)力下的工作波動(dòng)造成外應(yīng)力大于額定承受強(qiáng)度而造成的損傷或壽命下降，一般要求進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。

對(duì)于電子產(chǎn)品的降額設(shè)計(jì)一般體現(xiàn)在降電壓、降電流或降功率等方面。對(duì)于電容器一般體現(xiàn)在降電壓設(shè)計(jì)：對(duì)于鋁電解電容，設(shè)計(jì)時(shí)需要保證工作中任何時(shí)候的電壓不能大于額定電壓，一般要求至少50%的電壓降額，主要是考慮可能的浪涌電壓對(duì)電容器造成的損傷；對(duì)于鉭電解電容，一般要求100%的電壓降額。對(duì)于功率電阻，也需要設(shè)計(jì)一定的功率余量。

圖1 ECU結(jié)構(gòu)圖

2 ECU設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的ECU，其中電源模塊設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、壓電噴油器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)是中最重要的部分，在此重點(diǎn)予以分析。

2.1 電源設(shè)計(jì)

電源的可靠工作是ECU可靠工作的基礎(chǔ)，所以電源設(shè)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步。

2.1.1 電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

對(duì)于壓電式噴油器共軌系統(tǒng)電子控制單元，電源設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是基于12V的蓄電池系統(tǒng)，其電壓變化范圍很大，在滿充狀態(tài)下，電壓可以達(dá)到13.5V；在啟動(dòng)狀態(tài)下，其電壓可以低到5.5V。該系統(tǒng)使用的核心處理器，正常工作需要3套電源系統(tǒng)：5 V電源系統(tǒng)，為eQADC和通信模塊等供電；3.3V電源系統(tǒng),為外部總線模塊、eTPU、eMIOS模塊等供電；1.5V電源系統(tǒng)，為MCU核工作系統(tǒng)供電。

該ECU中MCU的外部器件也大都工作于5 V，所以5 V電源系統(tǒng)也給MCU外部器件供電。除了這3套電源外,壓電噴油器驅(qū)動(dòng)的中使用的N型IGBT需要前端驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)最好電壓為15 V，所以需要設(shè)計(jì)1套15 V電源系統(tǒng)。加上蓄電池本身的12 V(5.5 V～13.5 V)電源系統(tǒng)和噴油器驅(qū)動(dòng)用的高壓電源(225V)系統(tǒng)，則整個(gè)ECU包含了 6套電源系統(tǒng)。其中 1.5V、3.3V、5V、15V、225 V電源系統(tǒng)都是由蓄電池電源系統(tǒng)通過DC/DC轉(zhuǎn)化而來的，其轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖2所示。

采取這種設(shè)計(jì)的主要原因是蓄電池的電壓范圍太大，而且最低電壓很低，設(shè)計(jì)該方法可以保證在任何時(shí)候都能夠得到穩(wěn)定所需的各套電源。

圖2 ECU電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化圖

2.1.2 地的分割和設(shè)計(jì)

共軌ECU工作的電磁狀況很復(fù)雜,其中有80 MHz的數(shù)字電路、用于AD采集的模擬電路、壓電噴油器驅(qū)動(dòng)用的高電壓大電流驅(qū)動(dòng)電路及幾套開關(guān)電源電路。這使得該ECU電磁兼容設(shè)計(jì)變得比較困難，所以需要進(jìn)行地的設(shè)計(jì)，以減小電路內(nèi)部的耦合騷擾和降低電磁輻射。

從功能和成本考慮，選用4層PCB板設(shè)計(jì)該ECU。其各層定義如下：第1層：元件放置，MCU及關(guān)鍵信號(hào)走線層；第2層：完整的數(shù)字地平面，為了保護(hù)第 1層的信號(hào)，不能進(jìn)行分割；第3層：分割電源層和少量功率走線；第4層：元件放置，功率走線。

為了降低噴油器驅(qū)動(dòng)電路的高電壓大電流通過地耦合干擾其他部分電路，本文采用單點(diǎn)接地設(shè)計(jì)。在PCB入口處將數(shù)字地和功率地單點(diǎn)連接。而對(duì)于該ECU中的模擬電路，由于其工作頻率較低，不設(shè)計(jì)單獨(dú)的地平面，通過走線方式與數(shù)字地單點(diǎn)連接即可。

2.1.3 電源去耦設(shè)計(jì)

ECU的電源去耦設(shè)計(jì)按三級(jí)去耦設(shè)計(jì),采用鉭電容、陶瓷電容和PCB電容并聯(lián)組成去耦電路。其中，鉭電容(10 μF級(jí))主要用于低頻去耦，陶瓷電容(10 nF)級(jí)主要用于中高頻去耦，PCB電容(100 pF級(jí))主要用于高頻去耦。

鉭電容和陶瓷電容應(yīng)盡量選用汽車級(jí)低ESR型，根據(jù)所用電路頻率進(jìn)行參數(shù)選擇。PCB電容是指電源層和地層之間形成的平板電容，該電容由于結(jié)構(gòu)引入的ESR很小，所以是一個(gè)良好的高頻去耦電容。其電容的容值可以按平板電容公式計(jì)算：

式中：ε0為真空介電常數(shù)，為 8.85×1012F/m； εr為相對(duì)介電常數(shù)；S為平板電容正對(duì)表面積；d為平板電容兩板之間距離。

ECU使用的PCB材質(zhì)為2 mm厚的FR-4材料，其相對(duì)介電常數(shù)約為4，其板間厚度d約為0.67 mm。在 ECU的設(shè)計(jì)中,其1.5 V電源系統(tǒng)的面積約為3.5 cm2，3.3 V電源系統(tǒng)的面積約為10 cm2，5 V電源系統(tǒng)的面積約為50 cm2。因此可以計(jì)算PCB電容分別約為：18.5 pF、52.8 pF、264 pF。

2.2 接口設(shè)計(jì)

共軌系統(tǒng)的電子控制單元,其接口信號(hào)主要有以下幾種：電源輸入輸出接口、模擬傳感器信號(hào)輸入接口、頻率信號(hào)輸入接口、開關(guān)信號(hào)輸入接口、通信信號(hào)輸出接口、執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出接口。

共軌系統(tǒng)，線束上大于50 MHz的信號(hào)肯定是無用的騷擾信號(hào),所以可以考慮通過接口設(shè)計(jì)濾除50 MHz以上的信號(hào)，這樣既可以避免設(shè)備內(nèi)部的騷擾信號(hào)傳到線束上形成電磁輻射,也可以避免外部騷擾通過線束傳導(dǎo)到ECU內(nèi)部引起干擾。

ECU接口采用變型Π式型濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì),將傳統(tǒng)Π型濾波器中的電感用電阻代替。因?yàn)椴捎秒娮柘蘖骱徒祲?可以避免線束上耦合的瞬時(shí)高壓對(duì)ECU造成損害，保護(hù)ECU，Π型濾波器電路簡(jiǎn)圖如圖3所示。其中電容 C1選用陶瓷電容,主要用于濾除高頻 (大于50 MHz）信號(hào)，電阻R和C2則按電路設(shè)計(jì)需求進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

圖3 Π 型濾波器

在PCB布線中，C1、C2的管腳引出線需要盡量短，而電阻R的引出線則可以適當(dāng)加長(zhǎng)。因?yàn)樽呔€會(huì)引入電感，電容的引入電感會(huì)造成濾波效果下降；而在本設(shè)計(jì)的電阻處，引入的電感會(huì)增強(qiáng)濾波效果。

2.3 壓電噴油器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

壓電噴油器驅(qū)動(dòng)電路采用能量回收式電流電壓閉環(huán)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)過程中需要復(fù)雜的邏輯開關(guān)控制過程，所以選用1片CPLD來輔助設(shè)計(jì)。MCU(MPC5534)主要提供噴油正時(shí)和脈寬信號(hào)，而CPLD再根據(jù)正時(shí)脈寬和實(shí)時(shí)采集的噴油器電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成各個(gè)開關(guān)的控制信號(hào)，以完成理想的噴油器驅(qū)動(dòng)控制。其控制原理框圖如圖4所示。

圖4 壓電噴油器驅(qū)動(dòng)原理框圖

本ECU主要用于4缸或6缸柴油機(jī)。在壓電共軌系統(tǒng)中，采用多次噴射的策略。為了防止前一缸的后噴和下一缸的預(yù)噴重疊而造成電路處于不可控制的狀態(tài)，將整個(gè)驅(qū)動(dòng)分成2套，每1套是獨(dú)立的，各控制3個(gè)噴油器。在實(shí)際工作中，兩套電路交替工作。其電路原理圖如圖5所示。

圖中：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7 為大功率 IGBT；電阻 R1、R2，用于充放電電流取樣；電阻 R3、R4用于壓電噴油器電壓取樣；L為功率電感，用于儲(chǔ)能；D1、D2為大功率快恢復(fù)二極管，用于續(xù)流。

電路工作原理：壓電噴油器充電過程，選缸開關(guān)Q5、Q6、Q7中 1個(gè)且僅有 1個(gè)打開，Q3打開，Q1采用PWM控制，就可以對(duì)選缸開關(guān)對(duì)應(yīng)的噴油器進(jìn)行充電，通過取樣電阻R2可以監(jiān)測(cè)充電電流，并通過Q1的PWM控制保證充電電流保持在某一設(shè)定值附近。通過R3、R4分壓可以監(jiān)測(cè)壓電噴油器的充電電壓，當(dāng)檢測(cè)到壓電噴油器中電壓達(dá)到所需值時(shí)，Q1、Q3和選缸開關(guān)都關(guān)閉，充電完成；在對(duì)壓電噴油器放電過程中，Q2采用PWM控制，Q4打開，通過取樣電阻R1可以監(jiān)測(cè)放電電流，并通過Q2的PWM控制保證放電電流保持在某一設(shè)定值附近。通過R3、R4分壓可以監(jiān)測(cè)壓電噴油器中的剩余電壓，當(dāng)電壓低到設(shè)定值時(shí)，Q2、Q4關(guān)閉,放電完成。

2.4 散熱設(shè)計(jì)

ECU采用集中分塊散熱設(shè)計(jì)。針對(duì)ECU中的熱源分成3塊布置：第1塊為MCU供電電源模塊和低端驅(qū)動(dòng)模塊；第2塊為噴油器驅(qū)動(dòng)升壓電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；第3塊為壓電噴油器驅(qū)動(dòng)模塊。在PCB設(shè)計(jì)中，需要為這3個(gè)散熱塊預(yù)留出與鋁制外殼接觸的散熱面，通過鋁制外殼進(jìn)行散熱。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)

將ECU在噴油臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，得出壓電噴油器充放電電流與壓電噴油器電壓如圖6所示。從圖中可知，噴油器充電時(shí)間約為 120 μs，放電時(shí)間約為 100 μs,且在充放電過程中，噴油器電壓變化穩(wěn)定，在充放電截止時(shí)電壓波動(dòng)很小，能夠滿足壓電噴油器快速開關(guān)的需求。

用該ECU進(jìn)行5次噴射噴油速率測(cè)量實(shí)驗(yàn)。其工作參數(shù)為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速600 r/min；第1次噴射脈寬為300 μs；第 1、2 次噴射間隔為 8 000 μs；第 2 次噴射脈寬為 300 μs；第 2、3 次噴射間隔 為 5000 μs；第 3 次噴射脈寬為 600 μs；第 3、4 次噴射間隔 為 3000 μs；第 4 次 噴射脈寬為 300 μs；第 4、5 次噴射間隔為 5 000 μs；第 5 次噴射脈寬為300 μss。測(cè)得在40 MPa和80 MPa的噴油速率如圖7所示?？梢钥闯鲈擈?qū)動(dòng)電路可以滿足5次噴射的要求。

分析噴油速率可以發(fā)現(xiàn),在相同的噴射脈寬(300 μs)下，幾次噴射速率變化很大，這主要是由于多次噴射之間壓力波動(dòng)造成的[5-6]。

本文介紹了基于MPC5534的壓電式噴油器的ECU設(shè)計(jì)，進(jìn)行了噴射實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明,該ECU能夠滿足噴射控制功能要求，驅(qū)動(dòng)波形良好，能夠?qū)崿F(xiàn)5次噴射，可以滿足6缸柴油機(jī)壓電共軌噴射控制功能；實(shí)現(xiàn)了采集、計(jì)算和基本控制，為后續(xù)軟件拓展和裝機(jī)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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