CN101660458B - 多缸发动机主-从多电控单元联合运行技术与方法 - Google Patents

Abstract

为降低气缸数较多的发动机电子控制单元ECU成本，同时使ECU具有更大的可适用性和灵活性，提高系统可靠性的目的，本发明提出一种主-从多ECU联合运行用于多缸发动机的电子控制技术和方法，采用若干个相同的用于汽缸数较少的发动机电控单元ECU通过控制器局域网CAN总线通讯接口和同步信号接口构成主-从ECU控制系统，通过ECU内部程序辨识各自在网络中所处的物理位置指定主、从身份，实现多ECU的主-从分布式控制。主ECU处于控制系统的核心地位，完成对主要传感器信号的采集处理、控制算法等，从ECU主要扩展主ECU输出接口的不足，实现多个低成本的ECU组成主-从ECU发动机控制系统，普适于各种用途的多缸发动机。

Description

多缸发动机主-从多电控单元联合运行技术与方法

技术领域

本发明属于发动机电子控制技术领域，尤其适用于多缸发动机电控领域。

背景技术

当前实现8缸以下的发动机电控技术已经比较成熟。但要实现8缸以上，例如12缸、16缸、24缸等的燃油喷射技术和发动机管理，采用单个的电控单元ECU去实现全方位的控制，就凸显出了一些不足，一是电控单元的体积大，二是需采用更高性能的微处理器，三是外围电路的复杂度增加，在非大批量生产的情况下，其花费成本的增加是缸数增加的数倍。本发明提出了一种设计思想：利用级别低、功能简单及使用缸数较少的ECU资源，通过ECU数量的扩展，采用主-从联合的分布式控制方法，进而实现更多缸数发动机的电子控制与管理。该方法大大降低了成本，在使用上更加灵活，同时也提高了的可靠性。

发明内容

为降低较多气缸数发动机电子控制单元ECU的成本，同时使ECU具有更大的可适用性和灵活性，提高系统可靠性，本发明提出一种主-从多电子控制单元ECU用于多缸发动机的电子控制技术方法，该方法采用若干个用于气缸数较少的发动机电子控制单元联合运行，实现气缸数多于单一电控单元控制能力的多缸发动机的控制需求，可普遍适用于各种用途的多缸发动机。

发动机电子控制系统主要由信号输入装置、电子控制单元ECU和执行元件三大部分。

信号输入装置为各种传感器，其作用是采集控制系统所需的信息，并将其转换成电信号通过线路输送给ECU。ECU按预定的程序将信号进行处理后发送给执行元件，由执行元件对发动机的燃油喷射、点火、排放控制等装置进行控制。

本发明电子控制单元部分采用若干个完全相同的ECU通过控制器局域网CAN总线通讯接口和同步信号接口构成主-从ECU控制系统，通过ECU内部程序对各自在网络中所处的物理位置来辨识自己的主、从身份，实现多ECU的主-从分布式控制。

主ECU处于控制系统的核心地位，主要完成对发动机曲轴位置、凸轮位置等主要传感器信号的采集处理；完成压缩上止点的判断(简称“判缸”)、计算发动机转速、曲轴转角时序等基础控制要素；通过CAN通讯与同步信号接口输出控制指令和曲轴转角同步时序给从ECU；根据系统中各ECU采集的传感器信号，确定发动机当前的工作状态，再计算出未来状态所需要的各种控制参数，通过各ECU的输出驱动给执行元件，进而对发动机进行控制。

从ECU的主要功能是扩展单一ECU用于多缸发动机控制时驱动接口数量，同时也可以扩展模拟量信号和数字信号输入接口。从ECU通过CAN总线接收主ECU的控制指令并通过同步信号接口接收同步时序，实现对执行元件的驱动功能。

本发明的有益效果是：

1、扩展性好：当一个发动机厂有多种气缸数的产品时，可用一个型号的ECU，通过本发明的主-从系统完成所有发动机的控制需求。例如，某发动机厂有4缸、6缸、8缸、12缸、16缸、24缸等系列产品时，可用一个型号的8缸ECU组合完成：8缸以下的发动机用一个ECU，8缸以上的12缸、16缸发动机等用2个ECU的主-从结构，24缸发动机用3个ECU的主-从结构等。

2、灵活性高：电控单元之间具有相同的软件和硬件配置，可随意交换位置。在主-从结构中如果主ECU故障，还可将从ECU调至主ECU位置，用部分气缸工作实现故障状态下的“跛行回家”。

3、性价比高：对同一发动机厂由于全部使用一种型号的ECU，大大降低了采购成本，且对于多缸发动机，用若干个缸数较少的ECU比单一的多缸ECU硬件成本要低很多。

附图说明

图1为主-从电控单元的硬件连接方式

ECU1-主ECU，ECU2-第二从ECU，ECUn-第n从ECU，SSN-曲轴转角同步信号线，CANBUS-控制器局域网总线，L-接电源负极定义为低电平，H-接电源正极定义为高电平，1-发动机电控执行元件，2-输入给ECUn的辅助传感器，3-输入至ECU2辅助传感器，4-输入给主ECU1的主要传感器。

图2为16缸柴油机电控单体泵燃油系统主-从ECU结构

ECU1-主ECU，ECU2-从ECU，SSN曲轴转角同步信号线，CAN BUS-控制器局域网总线，L-接电源负极定义为低电平，H-接电源正极定义为高电平，1至16-柴油机1至16缸电控单体泵，17-柴油机传感器组：曲轴位置传感器、凸轮位置传感器、进气歧管空气温度传感器、进气歧管空气压力传感器、燃油温度传感器、机油压力传感器、发动机负荷需求指令传感器等，18-开关量信号组。

图3为主-从电控单元的控制时序

n-主ECU1缸触发喷射的曲轴齿，m-从ECU2缸触发喷射的曲轴齿，t1-CAN数据传输时间，t2-从ECU接收完CAN数据到开始喷射的时间差，t3-一缸触发喷射的曲轴齿到下一缸喷射时刻的时间差，t4-一缸触发喷射的曲轴齿和下一缸触发喷射的曲轴齿时间差，t5-曲轴平均齿宽，Δt-触发喷射的曲轴齿和实际喷油时刻的偏移时间。

具体实施方式

图1示出了本发明主-从ECU组成的发动机控制系统的结构。

主ECU与从ECU之间通过两条CAN总线和一条SSN曲轴转角同步信号线连接，分别传送数据和指令及同步时序。同步时序由主ECU根据采集的曲轴位置传感和凸轮位置传感器信号经计算处理后发出，各从ECU接收该信号作为喷油和点火等执行元件的曲轴转角位置参考信号。主ECU采集和处理发动机的主要传感器信号，计算出发动机控制所需的全部执行器驱动指令，主ECU驱动接口驱动一部分执行元件，主ECU驱动接口不足的部分由从ECU的驱动接口完成。因此，可通过增加从ECU的数量来完成更多的发动机控制执行元件的驱动。由于所有接入控制系统的ECU具有相同的物理结构，当外部传感器和开关量输入接口数量超过主ECU的输入接口数时，可将一些实时性不强的输入量置于从ECU的相关接口，再由从ECU处理后通过CAN总线回传给主ECU使用。

1、主-从ECU的身份识别

本发明中的主、从ECU采用相同的硬软件，因此可实现互换。为实现这一功能，控制系统中的每个ECU须对自己所处的主、从地位进行识别，即身份识别。主、从ECU身份识别依赖于其在控制系统中所处的物理位置。由2个或更多的ECU构成主-从ECU控制系统时，系统中的开关量输入输出I/O接口将大大多于发动机控制所需的数量，这样就可以用若干个I/O口线通过外部线束进行二进制编码来唯一的确定每个ECU在系统中的位置身份。以图1所示三个ECU为例，用每个ECU上相同的2根I/O输入口线，通过外部线束连接到线束上相应的电平线，其二进制编码为：ECU1，LL(00)为主ECU；ECU2，LH(01)为1号从ECU；ECUn，HL(10)为2号从ECU。更多ECU构成的系统以此类推。

2.主-从ECU的中断和主循环

为实现固化在主-从ECU中的软件完全相同，本发明采用ECU内微处理器中断向量表的基地址在程序运行时重新定位的方法，ECU在判别了自己在系统中的身份后，使其分别响应各自的中断和主循环，这样就避免了中断响应和函数的执行上，每次要判断ECU身份的麻烦。以2个ECU组成的主-从控制系统为例，主ECU的中断向量基地址为默认的0xff10，从ECU的中断向量基地址为0xfe10。

3.主-从ECU的时间同步

主ECU具有曲轴信号输入作各种时序的时间基准，而从ECU也需要有相应的时间基准，故通过软件的形式，使主ECU输出一个仿真的曲轴信号，输入到从ECU作为与主ECU相对应的曲轴转角同步信号SSN，使得所有ECU可以步调一致的工作。

4.主-从ECU数据和指令通信

本发明主-从ECU之间的数据和指令的交换采用控制器局域网CAN总线，通过设计相应的通信协议加以实现。

以下以16缸柴油机电控单体泵燃油喷射控制系统为例，以图2、图3为参考进一步说明本发明的应用。

主-从ECU系统由2个硬软件相同的可用于8缸柴油机的ECU组成。所有的传感器及开关量信号全部接入主ECU1，主ECU1承担8个电控单体泵的驱动控制，从ECU2仅执行主ECU1的命令承担8个电控单体泵的驱动控制。

ECU的身份识别采用ECU1和ECU2上相同的一个I/O接口实现。ECU1的该接口线通过外部线束接电源负极，即低电平，为主ECU标志ECU2与ECU1相同端口的接口线通过外部线束接电源正极，即高电平，为从ECU标志。系统上电后，各ECU通过检测该口线获取自己的主、从身份。主ECU1的中断向量基地址为默认的0xff10，从ECU2的中断向量基地址为0xfe10。

柴油机起动时，主ECU1接收到曲轴和凸轮信号后，首先判别1缸压缩上止点，再产生一个曲轴转角同步信号通过SSN口线输出给从ECU2。

CAN通信遵照CAN2.0的数据桢格式，采用扩展的29位标识符(ID)，进行ECU之间的数据通信。单桢的CAN数据包括8字节的数据域、4字节的标识符、位填充、CRC校验位，不多于150个bit。本例将CAN的波特率设置为250kbps，这样传输单帧数据的时间(图3的t1)，不高于600微秒，可满足本例柴油机最高转速下的传输时间要求。主ECU1通过CAN将喷油数据发送至从ECU2，从ECU2则将电控单体泵的诊断结果通过CAN反馈给主ECU1。4字节的标识符(ID)从高到低字节分为ID3、ID2、ID1、ID0，每个CAN桢数据的含义通过ID2的数值来表示如下：

ID2＝0x11：身份识别数据桢，ID0则表示电控单元的源地址。

ID2＝0x22：从电控单元的喷油控制数据，各字节表示为：

ID1：高位控制的脉冲宽度调节PWM波电流的周期。

数据域字节1；8个缸的各缸使能。

数据域字节2：燃油喷射对应的曲轴转角位置。

数据域字节3、4：高位控制的PWM波电流维持时间。

数据域字节5：PWM的占空比。

数据域字节6：宽脉冲时间。

数据域字节7、8：偏移量时间。

ID2＝0x33：从电控单元反馈模拟量数值，将各传感器的模拟量值装载在一个CAN数据桢中。

ID3＝0x44：从电控单元反馈传感器、执行器的诊断结果，将各值装载在一个CAN数据桢中。

发送方根据以上字节协议进行数据的发送到CAN总线中，接收方接收到数据后，根据以上字节协议，进行数据的解析。并可以根据实际进行ID值的扩展，以提供其他数据的通信用途。

喷油指令本例使用标准定时器模块(TIM)，进行喷油控制指令的输出。TIM模块运行时，16位的TIM_TCNT自由计数器按照设定的156kHZ时钟频率在0x0000-0xffff之间循环计时，设置TIM的各个通道为OC(输出比较)功能，输出比较逻辑自动将输入IC/OC(捕捉/输出比较)寄存器的内容与自由定时器的内容比较，一旦相符立即操作对应的硬件，同时设置响应的中断标志，随后软件根据标志做出处理函数。本例的喷油命令是通过低位功率开关配合高端PWM电压来控制输出的电流，先通过宽脉冲促使单体泵燃油喷射电磁阀的打开，随后通过微处理器的PWM口输出占空比和周期合适的PWM波进行维持，完成一次喷油控制指令。

喷油时刻 主ECU1根据各个传感器信号计算出最优化的燃油喷射时刻所对应曲轴齿号n，并在n号齿捕捉中断后，将从ECU2的控制数据发送到CAN网络，以及计算出在该齿号基础上的修正偏移时刻Δt，开始喷油，；从ECU2则解析CAN数据，得到最优化燃油喷射对应的曲轴齿号m，，以及计算出在该齿号基础上的修正偏移时刻Δt，开始喷油。

t3的最小值是Δt＝0，即在m齿的边沿立即进行喷油的触发，此时t3＝t4。因此，要保证从电控单元的正确喷油定时，t1必须小于t4。

本发明不局限于上述具体事例和数据所界定的应用，其可应用于一切控制需求相似的场合。

Claims (3)

1.一种多缸发动机主-从多电控单元联合运行方法，其特征在于若干个适用发动机气缸数较少的电控单元ECU，通过CAN总线，SSN曲轴转角同步信号线连接，组成一个完整的用于控制气缸数大于单一电控单元控制能力的主-从ECU多缸发动机控制系统，按下述步骤实现：

A、柴油机起动时，主ECU接收到曲轴和凸轮信号后，首先判别1缸压缩上止点，再产生一个曲轴转角同步信号通过SSN口线输出给从ECU；

B、CAN通信遵从CAN2.0的数据桢格式，采用扩展的29位标识符ID，进行ECU之间的数据通信，单桢的CAN数据包括8字节的数据域、4字节的标识符、位填充、CRC校验位，不多于150个bit；

C、主ECU根据各个传感器信号计算出最优化的燃油喷射时刻所对应曲轴齿号n，并在n号齿捕捉中断后，将从ECU的控制数据发送到CAN网络，以及计算出在该齿号基础上的修正偏移时刻Δt，开始喷油，从ECU则解析CAN数据，得到最优化燃油喷射对应的曲轴齿号m，以及计算出在该齿号基础上的修正偏移时刻Δt，开始喷油。

2.根据 权利要求1所述的主-从多电控单元联合运行方法，其特征在于通过外部线束二进制编码识别电控单元位置特征接口，每个ECU上确定相同的输入接口作为确定ECU身份的位置特征接口，ECU通过软件识别接口外接电平的高低自动识别其在控制系统中的物理位置，执行与其物理位置相应的控制功能。

3.根据权利 要求1所述的主-从多电控单元联合运行方法，其特征在于主、从ECU硬件软件结构相同，可以交换使用。