電控共軌柴油機控制單元的設(shè)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(shù)為柴油機的發(fā)展帶來了新的變革，成為柴油機新的發(fā)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(guī)律）均通過電子控制單元ECU來實現(xiàn)，如今成熟的柴油機燃油噴射系統(tǒng)依賴于ECU的完善和可靠，因此ECU的開發(fā)近年來始終是各個汽車廠商和研究機構(gòu)的研究重點。由于中國開展柴油機電控技術(shù)的研究起步較晚，較國外成熟的電控系統(tǒng)存在較大差距，國內(nèi)至今還未有比較成熟的產(chǎn)品批量投放市場，均以國外產(chǎn)品壟斷為主，但近年來國內(nèi)在高壓共軌電控系統(tǒng)的研發(fā)上也取得了突破性進展。柴油機高壓共軌電控系統(tǒng)是一個龐大復(fù)雜的控制系統(tǒng)，涉及到電子、機械、流體等方方面面的內(nèi)容，控制功能復(fù)雜，實時性要求高，因此在設(shè)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(shè)資源：發(fā)動機電控系統(tǒng)使用大量的傳感器和執(zhí)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(guān)等信號，驅(qū)動執(zhí)行器工作，并留有一定的預(yù)備資源用于新功能擴展。

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

3）控制系統(tǒng)滯后：燃油噴射系統(tǒng)是一個滯后的系統(tǒng)，當前得到的工況參數(shù)基本上是上一個循環(huán)或上幾個循環(huán)的控制結(jié)果。

4）工作環(huán)境惡劣：控制單元安裝布置在發(fā)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(huán)境因素都會造成絕緣性能變差、焊點松脫、銹蝕等損壞，出現(xiàn)接觸不良、短路、斷路等故障現(xiàn)象，要求ECU具有抗振動沖擊、防水、防油、防塵及其它化學物質(zhì)腐蝕的能力。

5）電磁干擾嚴重：ECU內(nèi)核工作頻率較高，同時工作環(huán)境復(fù)雜，很容易受到自身和外部的電磁干擾，而系統(tǒng)中存在大量感性器件，尤其噴油驅(qū)動模塊，其工作電流大而不穩(wěn)定，容易形成高能量高頻率的干擾發(fā)射源，其所處的外部工作環(huán)境也存在著大量的電磁干擾源。應(yīng)針對ECU的系統(tǒng)特征進行EMC設(shè)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(fù)雜的控制系統(tǒng)，難免會出現(xiàn)故障，而柴油機經(jīng)常運行在高速大功率下，控制失效會非常危險。因此，必須設(shè)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(tǒng)主要由低壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、電控單元ECU、電控噴油器等組成，共軌系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。電控單元ECU作為電控共軌系統(tǒng)的核心，具備集高壓共軌燃油噴射控制、實時數(shù)據(jù)采集及發(fā)動機監(jiān)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(jīng)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(yù)熱等修正脈譜的控制標定優(yōu)化，使發(fā)動機獲得較好的高低溫及高原地區(qū)環(huán)境適應(yīng)性；通過對巡航控制、故障診斷、PTO控制等功能的擴展開發(fā)，可滿足整車各種功能的不同需求。

圖1 電控共軌系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 控制單元的開發(fā)流程

建模仿真、快速原型、自動代碼生成以及硬件在環(huán)等技術(shù)的應(yīng)用改變了電控單元傳統(tǒng)開發(fā)模式。ECU軟件采用V型模式開發(fā)流程，貫穿模型設(shè)計、仿真、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)標定及試驗驗證整個開發(fā)過程。V型模式的開發(fā)方法將ECU開發(fā)過程分為原型開發(fā)階段和產(chǎn)品實現(xiàn)階段兩個過程。快速原型階段利用控制系統(tǒng)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(huán)仿真，提前進行控制算法的開發(fā)與驗證；控制器硬件設(shè)計成熟后進入產(chǎn)品開發(fā)階段，通過自動代碼生成技術(shù)生成目標平臺代碼實現(xiàn)最終軟件。具體過程如圖2所示。

圖2 模型設(shè)計與實現(xiàn)流程

1）定義設(shè)計需求分析。

2）基于軟件系統(tǒng)架構(gòu)定義軟件模塊化功能。

3）設(shè)計基礎(chǔ)軟件層、中間層，設(shè)計測試用例并完成單元測試與集成。

4）設(shè)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(tǒng)集成測試及基礎(chǔ)標定。

7）系統(tǒng)匹配測試，設(shè)計優(yōu)化。

4 發(fā)動機控制單元的軟硬件設(shè)計

4.1 硬件功能模塊設(shè)計

硬件電路設(shè)計遵循模塊化設(shè)計原則，采用模擬仿真和匹配計算相結(jié)合的開發(fā)方法，充分考慮電磁兼容性能和產(chǎn)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(qū)動模塊、通信模塊和診斷模塊等設(shè)計。如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.1.1 電源模塊

電源模塊的設(shè)計是ECU可靠性設(shè)計中至關(guān)重要的一步，針對電控柴油機ECU供電環(huán)境及應(yīng)用特點，將電源模塊分為電源轉(zhuǎn)換電路和電源保護電路兩部分，其中電源轉(zhuǎn)換電路包括升壓電路、降壓電路，升壓電路用于驅(qū)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(zhuǎn)換均采用DCDC轉(zhuǎn)換模式。

4.1.2 信號處理模塊

在高壓共軌柴油機電控系統(tǒng)中，信號采集與處理模塊將柴油機運行工況和環(huán)境信息實時地傳遞到ECU，然后ECU結(jié)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(tǒng)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(shù)都建立在該模塊的基礎(chǔ)之上。

信號調(diào)理和采樣模塊的設(shè)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(shù)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(jīng)過模擬信號處理電路后，送入ADC采樣模塊；數(shù)字信號包括各種開關(guān)信號，經(jīng)過數(shù)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(jīng)過頻率信號處理電路后，送入相應(yīng)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(shù)據(jù)FLASH（可用模擬EEPROM）和472KB的片內(nèi)RAM，具有強大的數(shù)據(jù)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(xiàn)對高壓共軌噴射系統(tǒng)的實時控制，還能實現(xiàn)對柴油機系統(tǒng)參數(shù)的實時管理。其突出特性如下。

1）采用多核架構(gòu)，其突出特點在于低功耗和強大的處理能力，被大量應(yīng)用于汽車的動力管理、高級安全系統(tǒng)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(shù)字信號處理及各類數(shù)字控制信號輸出的能力，特別適用于處理曲軸、凸輪軸等復(fù)雜的信號，噴油時刻和脈寬的定時，噴油電磁閥復(fù)雜調(diào)制波形的產(chǎn)生等。

3）工作頻率高達200MHz，能滿足ECU處理多任務(wù)的實時性要求。

4）擁有豐富的外圍資源，不僅能滿足現(xiàn)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(gòu)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(zhí)行的安全可靠。

4.1.4 功率驅(qū)動模塊

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

為滿足噴油器的動態(tài)響應(yīng)特性，要求在工作過程中電磁閥高速開閉，噴油驅(qū)動電路采用Peak&Hold驅(qū)動方式。噴油器開啟階段采用較高的驅(qū)動電壓使電磁線圈有較大的電流通過，從而產(chǎn)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(tài)，過高的電流會導致噴油器發(fā)熱并燒壞噴油器；在關(guān)閉階段，電磁閥內(nèi)電流下降越快越好，以保證電磁閥迅速關(guān)閉，提高噴油器控制精度。噴油驅(qū)動電路采用低功耗MOSFET和集成式智能噴油控制芯片驅(qū)動，可精確控制噴油時刻和噴油量，并支持單缸每循環(huán)多達5次的噴射控制。

電磁閥、繼電器的驅(qū)動選用集成式汽車級智能功率驅(qū)動模塊。模塊內(nèi)部集成了MOSFET以及預(yù)驅(qū)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(zhí)行器的安全。

4.2 軟件模塊設(shè)計

4.2.1 軟件模塊設(shè)計

以微控制器TC275為運行平臺，按照模塊化和層次化的設(shè)計思想，設(shè)計并實現(xiàn)了面向該微控制器的底層軟件和應(yīng)用層軟件。系統(tǒng)軟件由啟動引導程序BootLoader和發(fā)動機控制程序組成。啟動引導程序BootLoader是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一個程序，負責發(fā)動機控制程序的刷寫及判斷是否跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)所在空間，啟動操作系統(tǒng)運行。產(chǎn)品級ECU不再具備程序調(diào)試端口，必須使用專門的設(shè)備完成ECU應(yīng)用程序的下載更新，以滿足軟件工程師頻繁更改ECU應(yīng)用程序代碼和數(shù)據(jù)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(fā)動機控制程序，會將ECU引導至發(fā)動機控制程序，否則ECU運行停留在BootLoader中。

發(fā)動機控制程序由一系列具有標準結(jié)構(gòu)的軟件功能模塊構(gòu)成，總體架構(gòu)見圖4。發(fā)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(tǒng)啟動運行，在操作系統(tǒng)實時性、可靠性和靈活性的實時多任務(wù)機制的合理調(diào)度下，控制軟件的各層之間相互配合，應(yīng)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(wù)線程得到及時執(zhí)行。

圖4 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

底層基礎(chǔ)軟件通過手寫代碼實現(xiàn)，中間層接口通過手寫代碼實現(xiàn)并轉(zhuǎn)換為模型形式的系統(tǒng)函數(shù)，以供應(yīng)用層調(diào)用，應(yīng)用層基于模型開發(fā)技術(shù)進行設(shè)計實現(xiàn)。分層的模塊化體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其編寫和測試均可以獨立進行，因此有效改善了系統(tǒng)的可靠性。軟件分層為基礎(chǔ)軟件層、中間接口層、應(yīng)用軟件層。應(yīng)用軟件層AppL通過中間接口層調(diào)用基礎(chǔ)軟件BSW服務(wù)函數(shù)。

1）基礎(chǔ)軟件層包含用于管理任務(wù)調(diào)度的系統(tǒng)服務(wù)子系統(tǒng)、用于標定監(jiān)控的通信子系統(tǒng)、用于微控制器各模塊驅(qū)動的MCU驅(qū)動子系統(tǒng)、復(fù)雜驅(qū)動子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)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(yīng)用層提供接口，但必須通過基礎(chǔ)軟件層才能訪問硬件，中間接口層的存在使得應(yīng)用層與基層軟件層獨立和維護成為可能。

3）應(yīng)用層基于模型設(shè)計、自動集成測試并自動生成代碼。應(yīng)用軟件主要完成高壓共軌發(fā)動機控制策略，實現(xiàn)起動控制、怠速控制、轉(zhuǎn)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(gòu)

扭矩結(jié)構(gòu)的首要任務(wù)是將駕駛員指令反映到發(fā)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(guān)且體現(xiàn)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(yīng)著一個特定的輸出扭矩，為了獲得這個對應(yīng)的扭矩，ECU在采集各類發(fā)動機工況參數(shù)和車輛運行參數(shù)的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)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(tǒng)監(jiān)測當前運行參數(shù)的變化情況。

發(fā)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(zhuǎn)化。指示扭矩是發(fā)動機所需提供的總扭矩，而扭矩油量轉(zhuǎn)化是根據(jù)發(fā)動機所處的工況將指示扭矩轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的噴油量，以保證發(fā)動機扭矩的準確輸出?；谂ぞ剡@一算法的出現(xiàn)，及時滿足了要有一種算法來達到以需求扭矩作為發(fā)動機與外部裝置間的唯一接口的這一要求，大大提高了現(xiàn)在汽車控制網(wǎng)絡(luò)中控制節(jié)點的可擴展性。圖5給出了基于扭矩的控制功能系統(tǒng)圖，通過對邏輯層次劃分使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為清晰，便于對控制策略進行層次劃分和設(shè)計。

圖5 基于扭矩的控制功能系統(tǒng)圖

5 結(jié)束語

采用匹配計算和仿真模擬相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了高壓共軌控制單元硬件電路的設(shè)計。采用V型開發(fā)流程實現(xiàn)了軟件設(shè)計開發(fā)，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(huán)驗證，使控制單元的軟硬件開發(fā)高效完成。該控制單元經(jīng)臺架試驗和整車標定等試驗驗證具有較好的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，可以較好地實現(xiàn)對柴油機高壓共軌燃油系統(tǒng)精確可靠的控制，可廣泛應(yīng)用于電控共軌柴油機燃油噴射控制系統(tǒng)。