CN101684757A - 一种车用柴油机电磁式高压共轨喷射系统电子控制单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于车用柴油机电控高压共轨喷射系统的电子控制单元，主要应用于柴油机高共轨系统中实现喷油量、喷油压力、喷油定时、喷油规律等的精确控制。电控单元输入模块包括数字量输入和模拟量输入，由信号处理电路组成；微控制器模块采用ALE技术的MPC5534作为微处理器；输出模块是高压共轨压力控制阀和喷油器电磁阀的驱动电路，采用250伏高压驱动技术，实现快速开启性能；采用TPU多路组合控制喷射；应用CPLD技术实现电压和电流双闭环控制，采用电感实现能量的储存和回收，减少驱动能量的消耗；通讯模块主要包括CAN和SCI串行通信接口电路。模块化散热技术减小ECU电路板的体积，以及EMC电路设计技术。

Description

一种车用柴油机电磁式高压共轨喷射系统电子控制单元

技术领域

本发明涉及电控柴油机电子控制技术领域，主要是应用于高压共轨喷射技术的电控柴油机上。

背景技术

随着排放法规日趋严格和能源短缺问题越来越严重，以及人们生活质量的不断提高，对汽车的动力性、经济性、排放性、安全性、舒适性等方面的要求越来越高。柴油机以其良好的经济性、动力性和可靠性而成为各类车辆的主要动力，柴油机的采用率越来越高。从世界范围看，汽车柴油化已成为不可逆转的趋势。柴油机电子控制管理技术是影响柴油机综合性能的重要部分，广泛应用电子控制燃料喷射系统是一个必然趋势，国外发达国家车用柴油机电控化率已达到60％以上。我国目前车用柴油机应用电子控制还处于初级研究阶段。由于我国柴油机电控技术研究起步晚、投入少、基础较差，在一定程度上制约了我国柴油机技术的快速发展。随着柴油机欧3排放法规的实施，柴油机燃烧好坏直接影响排放指标，电控高压喷射是改善燃烧最有效的手段之一，也是柴油机电控技术中的核心。在引入高压共轨系统后，喷射参数和喷射次数以及喷油规律可以灵活控制，电控系统要处理越来越多的信息，根据不同的工作条件、环境因素、排放要求、附件使用情况等来进行一次或多次喷射，并且控制其他相应的部件工作。因此，电控系统的控制自由度和复杂性不断地加大，对高压共轨柴油机电控单元的多因数协调控制提出更高要求，因此开发高性能的电子控制单元尤为迫切。

发明内容

本发明的目的是填补了国内高压喷射柴油机高性能电控单元的空白，为提高柴油机综合性能提供保障。它是根据高压共轨柴油机的实际结构和组成及其对ECU的设计提出的独特要求，提供一种适用于高压共轨柴油机的电子控制单元，在所提供的电子控制单元硬件的数字内核上，其微控制器芯片处理和存储能力能够满足更复杂和精确的控制；在ECU硬件的输入和输出接口上，具有丰富而实用的输入和输出端口；在ECU硬件的通讯接口上，具备很强的电磁兼容性品质，能满足电磁环境更为复杂和恶劣的电动汽车车载控制现场。此外，ECU的软件平台需要配合ECU硬件工作，在软件平台结构上适合调试和升级软件。从而达到控制要求。

本控制单元的硬件由输入模块、微控制器模块、输出模块和通信模块4部分组成。

输入模块包括脉宽调理电路和模拟量输入调理电路。输入部分主要是信号处理电路，作用是把外围传感器电路的输出信号转化成核心处理器能够识别的信号。

微控制器模块由MPC5534为核心的单片机组成，具有强大的浮点计算处理能力，支持复杂的算法，片内资源丰富，内部带64k的快速静态内存，1M字节的Flash，特别是智能化增强型定时处理单元TPU可进行32个通道的实时任务能够满足柴油机高压共轨系统进行预喷射，采用多路TPU组合激励喷射脉冲来实现多次喷射，实现灵活的喷油规律的要求，另外TPU还可以进行相位判缸，精简软件程序，满足控制和标定的需求。

输出模块主要是电磁阀和电磁喷油器的驱动电路组成的，其中电磁喷油器的控制电路是采用高压驱动技术，利用电容升压，将12V电压升高到100V来驱动电磁喷油器，从而实现喷油器高速电磁阀快速开启性能。将CPLD闭环控制技术应用于高压喷射驱动开发，降低了功耗；采用模块化散热设计技术，减小了电路板体积，增强了抗干扰能力，解决了高压喷射控制电路发热问题。

通讯模块主要包括FlexCAN和eSCI串行通信接口电路。CAN的收发器选择的是TJA1050，它是一种高速的CAN收发器，电控单元(ECU)的微控制器直接与CAN的收发器连接。它的供电电压范围为4.75V～5.25V。串口通信的接口电路的选用Motorola公司的MC33290实现种电平转换，直接和电控单元(ECU)的微控制器的SCI模块连接就可以。

附图说明

图1为高压共轨电控喷油系统电控单元结构，

图2为电磁喷油器驱动电路，

图3为喷油器高速电磁阀的驱动电流曲线。

具体实施方式

电控单元硬件结构如附图1所示。系统硬件由输入模块、微控制器模块、输出模块和通信模块4部分组成。输入模块包括数字量输入和模拟量输入，由信号处理电路组成；微控制器模块由MPC5534为核心的单片机和外围电路组成；输出模块是高压共轨压力控制阀和喷油器电磁阀的驱动电路；通讯模块主要包括FlexCAN和eSCI串行通信接口电路。

输入模块包括脉宽调理电路和模拟量输入调理电路。输入部分主要是信号处理电路，作用是把外围传感器电路的输出信号转化成核心处理器能够识别的信号。在柴油机高压共轨控制系统中，主要的输入传感器信号有曲轴信号、凸轮信号、进气温度压力、燃油温度、冷却水温、油门位置、怠速开关、共轨压力等。这些传感器的信号是不能被微控制器直接识别，所以需要经过电路的调理，转化微控制器所能识别的数字信号。

微控制器模块由MPC5534为核心的单片机组成，MPC5534是飞思卡尔公司MPC5500PowerPC系列高性能32位微处理器，与MPC55XX系列其它微处理器兼容，具有强大的浮点计算处理能力，支持复杂的算法，片内资源丰富，内部带64k的快速静态内存，1M字节的Flash，特别是智能化增强型定时处理单元TPU可进行32个通道的实时任务能够满足柴油机高压共轨系统进行预喷射，采用多路TPU组合激励喷射脉冲来实现多次喷射，实现灵活的喷油规律的要求，另外TPU还可以进行相位判缸，精简软件程序，满足控制和标定的需求。

输出模块主要是电磁阀和电磁喷油器的驱动电路组成的，并且通用I/O接口扩展出22开关的信号，14路继电器控制，具有电机控制功能，EGR控制等功能，可适用1～6缸柴油机控制项目的需求。

本发明中电磁喷油器的控制电路是采用高压驱动技术，利用电容升压，将12V电压升高到100V来驱动电磁喷油器，从而实现喷油器高速电磁阀快速开启性能。附图图2所示为针对六缸柴油机的发动机电控单元ECU驱动喷油器电路的一部分，此电路可以直接驱动三个喷油器。其中VBAT为车载电瓶电压；VHIGH为ECU内部升压电路电压，储存在一个高压储能电容中(根据喷油器特性，其电压范围在40伏到150伏之间)；Q1，Q2，Q3，Q4，Q5皆为N型；D1，D2，D3，D4，D5皆为二极管；R1，R2为功率电阻，用于电流取样。

整个喷油器的驱动分为5个阶段：

第一阶段：Q2打开。Q3，Q4，Q5选择性打开(Q3，Q4，Q5选择性打开是指如果要使喷油器1喷油，则打开Q3，喷油器2喷油，则打开Q4，喷油器3喷油，则打开Q5。以下皆同)。由于Q2打开，采用高压供电，喷油器的电流迅速上升。CPLD利用R2取样电阻得到的电流值监控喷油器电流，当达到预设的喷油器开启电流值时，关闭Q2。进入下一阶段的控制。

第二阶段：Q1采用PWM控制。Q3，Q4，Q5选择性打开。Q1的PWM波由CPLD的内部分频电路和R2取样电阻得到的电流值决定。控制喷油器电流值稳定在预设的开启电流值。保证喷油器的快速开启。然后进入下一阶段。

第三阶段：Q1打开，Q3、Q4、Q5关闭。由于喷油器是电磁式的，具有一定的电感，所以喷油器的电流不能突变。在上一阶段中，喷油器中已经有一个较大电流，所以喷油器中还储存有较多的能量。这一阶段的控制可以将喷油器中的能量通过二极管D3、D4、D5回收到高压储能电容中。CPLD利用R1取样电阻得到的喷油器电流值监控喷油器电流，当达到预设的保持电流值时，Q3、Q4、Q5选择性开启。进入下一阶段。

第四阶段：Q1采用PWM控制。Q3、Q4、Q5选择性打开。Q1的PWM波由CPLD的内部分频电路和R2取样电阻得到的电流值决定。控制喷油器电流值稳定在预设的保持电流值。保证喷油器的持续开启。然后进入下一阶段。

第五阶段：Q1、Q2、Q3、Q4、Q5全部关闭。喷油器里储存的能量通过二极管D3、D4、D5回收到高压储能电容中。达到能量回收和电流快速下降从而喷油器快速关闭的目的。最终喷油器电流波形如附图3所示。

电控单元的输出模块的驱动电路是基于CPLD的喷油器电流闭环控制技术和喷油规程内部诊断，CPLD在控制驱动喷油器的过程中，运用了一个定时器在计量喷油的时间。从而实现喷油时间过长或喷油错误的故障诊断，并产生一个故障代码。将CPLD闭环控制技术应用于高压喷射驱动开发，降低了功耗；采用模块化散热设计技术，减小了电路板体积，增强了抗干扰能力，解决了高压喷射控制电路发热问题。

ECU的通讯模块主要包括FlexCAN和eSCI串行通信接口电路。CAN的收发器选择的是TJA1050，它是一种高速的CAN收发器，电控单元(ECU)的微控制器直接与CAN的收发器连接。它的供电电压范围为4.75V～5.25V，温度范围是一40°～125°。串口通信的接口电路的选用Motorola公司的MC33290实现电平转换，直接和电控单元(ECU)的微控制器的SCI模块连接就可以，工作温度范围是-40°～125°。

本发明在结构上采用印刷电路板PCB，即采用六层面板工艺。在元件布局上尽可能的将相关的元件放在一起，同时较多的考虑了模块的分区布置；在地线及电源线的布置上较多的考虑了抗干扰的措施；对于模拟信号，将其放在板上离干扰源较远的地方；且其地线单独布置并在电源处一点接地。对于晶振之类高频元件其走线尽可能的短，并用地线屏蔽。在ECU电路板的周围设计一个导电的环路带，该环路带通过一个压敏电阻在电源入口处单点接地。当扣上ECU壳体时，该环路带与ECU壳体良好接触，从而形成一个良好的屏蔽体，提高EMC能力。本电控单元ECU电路板外层镀锡环路与ECU壳体形成静电泻荷通道，提高EMC能力。

Claims (5)

1.一种采用电磁式喷油器的柴油机高压共轨电控单元，采用的高性能MPC5534作为微处理器，MPC5534为32位ALE技术的CPU，主频达80MHZ，具有32通道一路增强型TUP功能；扩展512KRAM，满足控制和标定的需求。

2.根据权利要求1，该电控单元具有强大的集成功能，22开关信号，14路继电器控制，具有电机控制功能，EGR控制等功能，适用1～6缸柴油机。

3.根据权利要求1，该电控单元采用双侧模块化散热技术，优化散热设计，分三块散热，减小体积。

4.根据权利要求1，该电控单元基于CPLD的喷油器电流闭环控制技术和喷油规程内部诊断。

5.根据权利要求1，该电控单元ECU电路板外层镀锡环路与ECU壳体形成静电泻荷通道，提高EMC能力。

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