基于μPD70F3239的高壓共軌柴油機(jī)噴油控制

李 瑩

（山東水利技師學(xué)院，山東 淄博 255000）

汽車(chē)電子

基于μPD70F3239的高壓共軌柴油機(jī)噴油控制

李 瑩

（山東水利技師學(xué)院，山東 淄博 255000）

文章分析了32位微控制器μPD70F3239的特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了定時(shí)處理單元對(duì)噴油的控制。結(jié)果表明該微控制器特別適用于汽車(chē)或類(lèi)似的場(chǎng)合，是高壓共軌柴油機(jī)噴油控制的理想選擇。

μPD70F3239；微控制器；高壓共軌；控制

CLC NO.: TK427 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)10-103-03

引言

電控單元是高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)的核心技術(shù)，它基于微控制器的強(qiáng)大功能和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況、環(huán)境因素、操控人員意愿的識(shí)別，在經(jīng)濟(jì)性和排放性的苛刻要求下盡可能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化平衡。在整個(gè)電控系統(tǒng)中，柴油機(jī)噴油控制技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的貢獻(xiàn)舉足輕重。本文就NEC公司32位高性能微處理器μPD70F3239[1]如何在高壓共軌柴油機(jī)噴油系統(tǒng)中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油的優(yōu)化，有效控制進(jìn)行了探討。

1、微控制器μPD70F3239的概述

μPD70F3239是NEC公司提供的32位微控制器，具有卓越的數(shù)據(jù)處理能力和強(qiáng)大的外圍子系統(tǒng)，它由V850ES CPU內(nèi)核和外圍設(shè)備功能組成，如RAM、閃存、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、CAN控制器等。

μPD70F3239的定時(shí)/計(jì)數(shù)器包括4個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器P （TMP0-TMP3），3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器Q（TMQ0-TMQ2）和1個(gè)16位時(shí)間間隔定時(shí)器M（TMM）。

下面以TMP為例介紹μPD70F3239的定時(shí)功能。

（1）脈沖寬度調(diào)制PWM

PWM輸出功能用于輸出一個(gè)脈沖寬度調(diào)制波形，TMPn捕捉/比較寄存器0（TPnCCR0）可設(shè)置波形的周期，TMPn捕捉/比較寄存器1（TPnCCR1）可用來(lái)設(shè)置高電平的時(shí)間。在正常模式下可產(chǎn)生占空比從0%到100%之間的變化的波形。

（2）間隔定時(shí)

在間隔定時(shí)操作模式下，用寄存器TPnCCR0設(shè)置一個(gè)間隔時(shí)間值，當(dāng)預(yù)設(shè)的值與16位計(jì)數(shù)器的值匹配，就產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)并將16位計(jì)數(shù)器清零。

（3）外部事件計(jì)數(shù)

在外部事件計(jì)數(shù)操作模式下，用寄存器TPnCCR0存儲(chǔ)一個(gè)脈沖數(shù)，輸入脈沖由TIPn0輸入，16位計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值與TPnCCR0的值匹配時(shí)，產(chǎn)生一中斷請(qǐng)求信號(hào)并將計(jì)數(shù)器清零。

（4）脈沖寬度測(cè)量

在脈沖寬度測(cè)量操作模式下，16位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)由TIPn0引腳輸入脈沖的上升沿和下降沿，寄存器TPnCCR0捕捉計(jì)數(shù)值ipulse，由ipulse可計(jì)算外部輸入脈沖寬度：width=ipulse*計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期。

2、高壓共軌柴油機(jī)噴油控制的軟件實(shí)現(xiàn)

高壓共軌柴油機(jī)噴油器電磁閥驅(qū)動(dòng)軟件的任務(wù)是，根據(jù)控制策略得到的噴油定時(shí)和噴油脈寬，結(jié)合曲軸和凸輪軸的信號(hào)相位，輸出精確的噴油控制脈沖，使噴油器正常工作[2]。

采用基于事件驅(qū)動(dòng)的方法確定驅(qū)動(dòng)邏輯的控制時(shí)序。一次噴射過(guò)程先后經(jīng)過(guò)6個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，在每個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻都發(fā)生對(duì)應(yīng)的控制事件，通過(guò)μPD70F3239的定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)軟件只需配置所用定時(shí)器的功能，并利用各定時(shí)器間的調(diào)用和鏈接關(guān)系即可。圖1為帶預(yù)噴射的驅(qū)動(dòng)時(shí)序[3]。

圖1 帶預(yù)噴射的驅(qū)動(dòng)時(shí)序

如圖1，驅(qū)動(dòng)程序獲得預(yù)噴間隔角度φ1、主噴定時(shí)角度φ2、預(yù)噴脈寬T1和主噴脈寬T2等參數(shù)。曲軸脈沖缺齒后第一個(gè)脈沖與第一缸上止點(diǎn)之間的角度由傳感器與曲軸信號(hào)盤(pán)的安裝關(guān)系決定，為已知角度φ3。整個(gè)噴油過(guò)程以典型的事件觸發(fā)方式按下列流程運(yùn)行：

（0）初始化

程序運(yùn)行時(shí)首先初始化定時(shí)器TMP0為脈沖寬度測(cè)量功能，端口TIP00負(fù)責(zé)捕捉凸輪軸脈沖信號(hào)多齒用以判缸，建立噴油驅(qū)動(dòng)時(shí)序。判缸算法如下，在第一次脈沖中斷時(shí)，計(jì)算一個(gè)脈沖的周期（TP0CCR0*計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期），將它賦給變量a。下一個(gè)脈沖中斷時(shí)，計(jì)算當(dāng)前脈沖的周期并乘以2賦給變量b。比較a和b的值，如果b小于a（即當(dāng)前脈沖周期的兩倍小于上一次脈沖周期），表明當(dāng)前脈沖是多齒。由于凸輪軸齒數(shù)為7，只需記錄凸輪軸脈沖的序號(hào)，序號(hào)數(shù)達(dá)到7時(shí)則為凸輪軸多齒信號(hào)。這樣，每次序號(hào)加到7時(shí)為一個(gè)循環(huán)，根據(jù)7次累加的周期即可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速。如果b大于a，表明當(dāng)前齒不是多齒，繼續(xù)比較每一個(gè)齒，直到捕捉到多齒。

同樣設(shè)置定時(shí)器TMP1為脈沖寬度測(cè)量功能，端口TIP10負(fù)責(zé)記錄當(dāng)前曲軸脈沖的序號(hào)與周期，并依次存入長(zhǎng)度為一個(gè)循環(huán)曲軸齒數(shù)（45*2=90）的數(shù)組中，由于曲軸脈沖的間隔為固定角度7.5°，可以由此計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前瞬時(shí)轉(zhuǎn)速（曲軸脈沖間隔角度/(TP1CCR0*計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期)）。由于凸輪軸多齒與曲軸缺齒相對(duì)應(yīng)，當(dāng)TIP00捕捉到凸輪軸多齒產(chǎn)生中斷時(shí)設(shè)置當(dāng)前曲軸脈沖序號(hào)為0，這樣脈沖周期數(shù)組序號(hào)就與齒序號(hào)一致了。

同時(shí)，初始化時(shí)要設(shè)置定時(shí)器TMQ0，以及P51、P52、P53、P54、P55、P60輸出口。TMQ0為PWM功能，端口TOQ01用于輸出具有一定占空比的噴油控制脈沖，寄存器TQ0CCR1存儲(chǔ)當(dāng)前脈沖的高電平；TQ0CCR0存儲(chǔ)當(dāng)前脈沖的周期。初始化時(shí)將TQ0CCR1置0，并將6個(gè)選缸輸出引腳也置為0。

（1）捕捉到凸輪軸多齒

該時(shí)刻TMP0進(jìn)入中斷，計(jì)算噴油過(guò)程所需數(shù)據(jù)，為第一缸噴油數(shù)據(jù)準(zhǔn)備1。根據(jù)預(yù)噴間隔φ1和主噴定時(shí)φ2，相加得到預(yù)噴開(kāi)始時(shí)刻距第一缸上止點(diǎn)的角度φ4=φ1+φ2。由于φ3己知，因此可得到曲軸第一齒脈沖距預(yù)噴開(kāi)始時(shí)刻的角度φ5=φ3-φ4。根據(jù)曲軸脈沖間隔角度，把φ5轉(zhuǎn)化為曲軸整數(shù)齒數(shù)N和非整數(shù)角度，結(jié)合TMP1計(jì)算出的當(dāng)前瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，將非整數(shù)角度部分轉(zhuǎn)化為延時(shí)時(shí)間T3。

其后，TMP0要完成激活定時(shí)器TMP2的外部事件計(jì)數(shù)功能的任務(wù)，端口TIP20對(duì)曲軸齒數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)。設(shè)置TP2CCR0寄存器的值為N，當(dāng)16位計(jì)數(shù)器的值與TP2CCR0的值匹配時(shí)，TMP2產(chǎn)生中斷。

（2）整數(shù)齒計(jì)量完成

該時(shí)刻TMP2進(jìn)入中斷，計(jì)算噴油過(guò)程所需數(shù)據(jù)，為第一缸噴油準(zhǔn)備數(shù)據(jù)2。結(jié)合TMP1計(jì)算出的當(dāng)前瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，將預(yù)噴間隔角度φ1轉(zhuǎn)化為延時(shí)時(shí)間，與預(yù)噴脈寬T1相減得到預(yù)噴結(jié)束時(shí)刻距主噴開(kāi)始時(shí)刻的時(shí)間間隔T4。這樣噴油時(shí)序中延時(shí)時(shí)間依次為T(mén)3、T1、T4、T2。

同時(shí)，要通過(guò)激活定時(shí)器TMP3的間隔定時(shí)功能，精確延時(shí)，完成在特定時(shí)刻輸出特定占空比的控制脈沖功能。將T3寫(xiě)入寄存器TP3CCR0中，這樣TP3CCR0中的值指向了預(yù)噴開(kāi)始時(shí)刻。

武陵山場(chǎng)鎮(zhèn)毗鄰武陵山大裂谷景區(qū)，系國(guó)家4A級(jí)旅游景區(qū)，山勢(shì)奇峻多姿，空氣清新宜人，生態(tài)環(huán)境極其優(yōu)良，旅游資源極為豐富。景區(qū)森林覆蓋率達(dá)95%以上，空氣質(zhì)量極其優(yōu)良，被游客譽(yù)為“天然氧吧”，夏季氣溫比涪陵城區(qū)低6—8攝氏度，是避暑納涼的絕佳勝地。

之后，TMP2要自激活，也就是TMP2的中斷響應(yīng)要為T(mén)MP2申請(qǐng)服務(wù)。進(jìn)行下一缸噴油數(shù)據(jù)準(zhǔn)備1，得到曲軸整數(shù)齒數(shù)N′，結(jié)合兩缸上止點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)于120°曲軸轉(zhuǎn)角的齒數(shù)Ni以及第一缸曲軸整數(shù)齒數(shù)N，可以得到TMP2下次中斷前所計(jì)量的曲軸整數(shù)齒數(shù)為N′?N +Ni。

（3）預(yù)噴開(kāi)始

該時(shí)刻TMP3進(jìn)入中斷，到達(dá)預(yù)噴開(kāi)始時(shí)刻，將1缸對(duì)應(yīng)的選缸引腳P51置1，同時(shí)將T1存入TQ0CCR1寄存器，TQ0CCR0寄存器的值為T(mén)Q0CCR1的值減1，置TQ0CE=1，噴油器開(kāi)始預(yù)噴。

（4）預(yù)噴結(jié)束

該時(shí)刻TMQ0進(jìn)入中斷，到達(dá)預(yù)噴結(jié)束時(shí)刻，置TQ0CE=0，TQ0CCR1=0，噴油器停止預(yù)噴。之后，自激活TMP3，將預(yù)噴結(jié)束到主噴射開(kāi)始的間隔時(shí)間T4后寫(xiě)入TP3CCR0寄存器，這樣TP3CCR0的值指向了主噴開(kāi)始時(shí)刻。

該時(shí)刻TMP3進(jìn)入中斷，到達(dá)主噴開(kāi)始時(shí)刻，將T2存入TQ0CCR1寄存器，TQ0CCR0寄存器的值為T(mén)Q0CCR1的值減1，置TQ0CE=1，噴油器開(kāi)始主噴。

（6）噴油結(jié)束

該時(shí)刻TMQ0進(jìn)入中斷，到達(dá)噴油結(jié)束時(shí)刻，置TQ0CE=0，TQ0CCR1=0，1缸的選缸引腳P51輸出設(shè)為0，噴油器停止噴油。同時(shí)，將下一缸選缸引腳P52輸出設(shè)為1，進(jìn)入下一缸的噴油過(guò)程準(zhǔn)備。

3、總結(jié)

高壓共軌柴油機(jī)電控噴油系統(tǒng)較為復(fù)雜，微控制器μPD70F3239的定時(shí)器功能是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速?lài)娪偷囊环N有效方法。不必通過(guò)以往采用的中斷和繁瑣的計(jì)算來(lái)完成噴油的控制，提高了運(yùn)行速度，滿(mǎn)足了高壓共軌柴油機(jī)高轉(zhuǎn)速下對(duì)噴油控制的要求。

[1] V850ES/FJ2 Hardware User’s Manual[M].NEC Electronics Corpora -tion.2005.

[2] 常久鵬. 高壓共軌柴油機(jī)新型電控系統(tǒng)ECU的開(kāi)發(fā)與研制[D].上海:上海交通大學(xué),2001.

[3] 任亮. 高壓共軌柴油機(jī)電控噴射系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[D]. 北京:清華大學(xué),2004.

The Control Of High Pressure Common Rail Diesel Injection System Based On μPD70F3239

Li Ying
( Shandong Technician College of Water Conservancy, Shandong Zibo 255000 )

The paper analyzes the characteristic of microcontroller unit μPD70F3239, and focus on the fuel injection control with TPU. The result showed that μPD70F3239 is very fit for motor or similar occasion, and it is an ideal choice for high pressure common rail diesel injection control.

μPD70F3239; microcontroller unit; High Pressure Common Rail; Control

K427

A

1671-7988 (2017)10-103-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.034

李瑩，女(1983.5-)，講師，研究生，就職于山東水利技師學(xué)院。研究方向或從事專(zhuān)業(yè)：汽車(chē)電子控制。