基于智能芯片的發(fā)動機電子油門技術(shù)設(shè)計分析

朱雙華

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲，412001）

0 概述

摩托羅拉集成電路產(chǎn)品性能強勁，提供眾多具有良好性能的電源、控制和通信功能。專用SMARTMOS混合信號工藝具有高密度邏輯，可以同時實現(xiàn)模擬和驅(qū)動功能，其易用性、良好的IC設(shè)計和負載保護功能、更少的器件數(shù)量和高可靠性滿足了設(shè)計人員的要求。摩托羅拉標準產(chǎn)品包括功率開關(guān)集成電路、電源管理集成電路、網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器、汽車安全產(chǎn)品以及特殊功能器件，可提供單芯片和集成封裝在一起的芯片。其中很多器件的設(shè)計可以與摩托羅拉的微處理器、單片機和DSP（數(shù)字信號處理）結(jié)合使用。

1 發(fā)動機電子油門技術(shù)設(shè)計原理

通常傳統(tǒng)的油門通過右腳進行機械控制，并且緊急剎車也在用右腳控制，在緊急情況，剎車踏在油門的事故時有發(fā)生，且動作通過機械傳導(dǎo)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較大。而采用新的設(shè)計完全避免這樣的風險，使用簡單方便。油門控制通過指令控制執(zhí)行部分（電機）控制油門的開度，實現(xiàn)轎車油門開度控制的目的。與此同時，通過傳感器可以從顯示部分得知油門的實際開度，可以省油節(jié)油，并有利于新駕駛員駕駛，避免半途熄火的危險駕駛。

1.1 智能芯片特點與基本應(yīng)用

智能芯片，是新一代功率器件，其把功率器件與檢測和控制電路、傳感器、故障自診斷電路及保護電路等整合為一個整體且擁有功率輸出能力的創(chuàng)新器件。它能適應(yīng)汽車上復(fù)雜的電磁兼容環(huán)境，其特別注重器件的選擇和電路機理的規(guī)劃設(shè)計。由于此種器件能替換人工來實現(xiàn)較為繁雜多目標的控制，所以其被嵌入了智慧的特征。比如，在這類器件中，常見的保護功能就有過電壓、欠電壓、短路、過熱、過電流保護等等。另外，有部分芯片中兼具瞬態(tài)電流限制輸出、電壓過沖保護、最大輸入功率限制與軟啟動等保護電路，這樣就大幅度增加了芯片運行的可靠與穩(wěn)定性能。目前此類芯片的重量輕、體積小、抗干擾能力與綜合性能好好、使用壽命也長等諸多特點，已經(jīng)普遍裝載在于變頻調(diào)速器、單片機測控系統(tǒng)，甚至家用電器和電力電子設(shè)備等行業(yè)。

在全球范圍內(nèi)，此類芯片的供應(yīng)企業(yè)有Siemens（西門子）、Motorola（摩托羅拉）和英Infineon（飛凌）等廠商，這些產(chǎn)品的整體封裝形式與設(shè)計側(cè)重點雖有些不同，可其完成的邏輯與特點均大體一致。摩托羅拉為嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計人員提供了高集成度的產(chǎn)品，用于電源管理、繼電器代替和運動控制等應(yīng)用。與僅僅完成簡單功能的傳統(tǒng)思維設(shè)計的產(chǎn)品供提供強有力的不一樣，Motorola將許多核心功能整合規(guī)劃到集成式的IC中，通過不斷整合調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)相當精簡高度集成。此類企業(yè)提供很高的成本與效益產(chǎn)出比，這樣就顯著壓縮了智能芯片上市周期，使各領(lǐng)域獲利。Motorola集中設(shè)計與組裝了的混合信號模擬電路，其集成度特別高，它不僅把調(diào)節(jié)器與運算放大器整合一體，還把關(guān)鍵系統(tǒng)功能均整合成一體化的解決思路，為客戶實現(xiàn)超出期待的產(chǎn)品。Motorola模擬產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)諸多功能，包括汽車工業(yè)、數(shù)字、無線通訊與硬拷貝圖像等。而其中的特制SMARTMOS混合信號工藝功能更加強大，其不僅擁有高密度邏輯，還能一道實現(xiàn)驅(qū)動與模擬任務(wù)。

1.2 應(yīng)用SMARTMOS芯片的發(fā)動機電子油門系統(tǒng)組成

圖1 發(fā)動機電子油門智能芯片系統(tǒng)組成圖

與傳統(tǒng)油門比較，電子油門明顯的一點是用線束（導(dǎo)線）來代替拉索或者拉桿，在節(jié)氣門那邊裝一只微型電動機，用電動機來驅(qū)動節(jié)氣門開度。即所謂的“導(dǎo)線駕駛”，用導(dǎo)線代替了原來的機械傳動機構(gòu)。如圖1所示。

這僅僅是電子油門表面的東西，它的實質(zhì)和作用只用連接代替方式來解析是遠遠不夠的。首先，通過手調(diào)節(jié)位置傳感器將需要的油門開度信號傳遞到MCU，經(jīng)過得到的數(shù)據(jù)（扭矩及轉(zhuǎn)速）分析，從而輸出信號驅(qū)動電動機調(diào)節(jié)油氣門開度。電子油門控制系統(tǒng)主要由油門位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動機和節(jié)氣門執(zhí)行機構(gòu)組成。這里采用為汽車和工業(yè)控制設(shè)計的MM908E624單片機。它們都是由高性能的HC08單片機（MCU）核和SMARTMOS集成電路芯片構(gòu)成，具有集成度高、價格低等特點。

采用此單片機作為控制核心主要基于以下原因：（1）不需要外置晶振減少器件和成本；（2）集成模擬器件使用方便；（3）芯片性能優(yōu)異。

在實際應(yīng)用中將位移傳感器安裝在方向盤上，可以設(shè)定油門的開度（即目標車速），同時在油門的電機上安裝油門開度傳感器監(jiān)測油門開度的實際位置。當數(shù)據(jù)掃描到位移傳感器的模擬輸入與油門開度傳感器的輸入不同有變化時，會瞬間將此信息送往MM908E624，該芯片對信息進行分析，當位置傳感器的模擬輸入量大于油門開度傳感器的反饋量時，驅(qū)動電機繼電器，驅(qū)動節(jié)氣門執(zhí)行機構(gòu)，油門電機正轉(zhuǎn)（即進油量增加并加速），反之，輸入量小于反饋量則相反。

通過以上方法實現(xiàn)對油門的控制，保持輸出穩(wěn)定和高的燃燒效率從而減少能源消耗。電子油門智能控制系統(tǒng)主要由超聲波傳感器電路、車速度傳感器系統(tǒng)以及LIN總線加顯示報警電路組成。超聲波傳感器電路輸出電壓0-5V，對應(yīng)距離近0m、遠5m。車速度傳感器系統(tǒng)輸出0-5V對應(yīng)低速、高速。當速度傳感器系統(tǒng)輸出減去超聲波傳感器電路輸出大于一定值時，輸出報警提醒注意和迫使油門電機反轉(zhuǎn)（減速）。這樣就能代替人的反應(yīng)，及時減速，防止碰撞。

1.3 LIN總線通訊設(shè)計

LIN總線則是負責系統(tǒng)（MM908E624）與其他ECU之間的通訊并顯示超聲波測距值和車速值。當剎車或離合器踩下時，L1閉合，油門電機反轉(zhuǎn)（減速），使用十分方便。由于電子智能油門系統(tǒng)是通過ECU來調(diào)整氣門的，因此可以設(shè)置各種功能來改善駕駛的安全性和舒適性，其中最常見的就是ASR（牽引力控制系統(tǒng)）和速度控制系統(tǒng)（巡航控制）。當ASR系統(tǒng)傳感到車輪的旋轉(zhuǎn)速度，ECU就根據(jù)油門踏板的位置、車輪速度和方向盤轉(zhuǎn)向角度等之間的不同而求出滑動率，通過減少節(jié)氣門開度來調(diào)整混合氣流量，以降低發(fā)動機功率來達到控制目的。在ASR系統(tǒng)中，電子油門起到十分關(guān)鍵的作用，其涉及整個ASR系統(tǒng)中對車速控制、怠速控制等功能，使系統(tǒng)能迅速準確地執(zhí)行指令。即當電子油門系統(tǒng)接受到ASR系統(tǒng)指令時，它對節(jié)氣門控制指令只來自于ASR，這樣就可以避免駕車者的誤操作。

1.4 單片機MM908E624功用設(shè)計與分析

當駕車者使用速度控制系統(tǒng)時，車速傳感器將車速信號輸入ECU，再由ECU輸出指令伺服電動機控制節(jié)氣門開度。在這樣的系統(tǒng)中，根據(jù)行駛阻力的變化由控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)發(fā)動機節(jié)氣門開度，使行駛車速保持穩(wěn)定。因此電子油門系統(tǒng)也可以兼容巡航控制功能。利用單片機MM908E624所帶的HC08單片機核，其包括16KB的片上fiash存儲器，512B的RAM，兩個16位2通道的定時器，增強型穿行通訊接口（ESCI），10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），串行外設(shè)接口(SPI)和16個單片機通用I/O口。其中，MM908E624內(nèi)部的SmartMOS集成電路主要是由三個的高端輸出口，LIN總線接口，電壓調(diào)節(jié)器以及運行放大器接口和喚醒接口等構(gòu)成。

MM908E624共有三個高端輸出口，其中兩個高端輸出接口HS1和HS2，帶有過流及過溫保護功能，最大輸出電流范圍為200-500mA 可以用來驅(qū)動電機。在驅(qū)動電感性負載的情況下，這兩個輸出口的內(nèi)部還帶有鉗位電路，可以限制輸出的電壓。對這兩個輸出口的控制是通過SPI接口實現(xiàn)的，芯片內(nèi)部驅(qū)動高端輸出接口的電路會把SPU寄存器的HS1 ON位(或HS2 ON位）和PWMIN輸入引腳的電平進行邏輯與運算，然后根據(jù)與的結(jié)果控制高端輸出口的狀態(tài)。

MM908E624都帶有一個LIN物理層，提供了一個LIN總線端口，該端口位單總線收發(fā)，可以與三線LIN總線兼容。MM908E624帶有兩個專門的喚醒輸入接口L1、L2。在SLEEP或STOP模式下，如果喚醒輸入接口的電平發(fā)生變化，系統(tǒng)就會被喚醒并進入NORMAL模式。在正常（NORMAL）模式下，通過SPI接口可以讀取這兩個端口的狀態(tài)，因此喚醒接口也可以用來監(jiān)控外接開關(guān)的狀態(tài)變化，通過方向盤上觸摸 RESET或剎車和離合器上安置接觸開關(guān)使系統(tǒng)被喚醒，控制轎車的油門開度，實現(xiàn)緩沖和節(jié)油。

MM908E624帶有一個電壓調(diào)整器輸出接口。在正常模式和STOP模式下，該電壓調(diào)整器，可以輸出一個5V電壓，從而可以給單片機供電。但需要注意的是，該端口需外接一個電容來穩(wěn)定電壓的輸出。另外，該電壓調(diào)整器還具有限流功能，主要用于STOP模式下。

2 小結(jié)

通過智能電子油門的分析，可見MM908E624功能強，其上的SMARTMOS包含了功率驅(qū)動、SPI和LIN的通訊支持，并且具有喚醒功能，是一個與數(shù)字電路系統(tǒng)完全平等的功率很快。隨著汽車電子技術(shù)的進一步發(fā)展，類似這種技術(shù)必將在汽車上被廣泛的采用。