CN101684758A - 一种车用柴油机压电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压电式共轨系统电子控制单元，主要应用于柴油机压电喷油器的喷油量、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，主频80MHz；输出模块是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。本发明可以满足压电式喷油器喷油定时、喷油规律等高精度的要求。

Description

一种车用柴油机压电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，即应用于高压共轨喷射技术的电控柴油机上。

背景技术

随着排放法规越来越严格，能源越来越紧张，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，因此压电式喷油系统应运而生，急需开发一款压电式高性能的电子控制单元。

发明内容

本发明的目的是填补了国内压电式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。操作温度范围是-40°～125°。串口通信的接口电路的选用Motorola公司的MC33290。MC33290是一种电平转换电路，直接和电控单元(ECU)的微控制器的SCI模块连接就可以。操作温度范围是-40°～125°。

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为压电喷油器的驱动电路，

图3为压电喷油器的驱动电流曲线。

具体实施方式

本发明的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CAN和SCI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(MPC5534)是摩托罗拉MPC500PowerPC系列精简指令集32位微处理器，与MPC5XX系列其它微处理器兼容；它采用锁相环技术，用外部较低4MHz晶振频率产生40MHz频率的时钟，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26k的快速静态内存，448k字节的Flash，集成了8个模块，其中队列串行多信道模块(QSMCM)，双CAN总线2.0控制模块(TouCAN)，双重时间处理单元(TPU3)，模块化I/O系统(MIOS1)，32通道模拟输入，双队列模数转换器(QADC64)，满足高压共轨系统输入参数多、控制对象多、控制算法复杂，要求单片机的运算能力及速度高的要求，特别是智能化定时处理单元TPU3可进行16个通道的实时任务能够满足高压共轨系统进行预喷射，采用多路TPU组合激励喷射脉冲，便于实现多次喷射，可达5次喷射，实现灵活的喷油规律的要求。同时MPC5534采用的TPU来进行相位判缸，精简了软件程序。

本发明采用高压驱动技术，利用电容升压，将12V电压升高到100V来驱动高速电磁阀，从而实现喷油器高速电磁阀快速开启性能，驱动电流达到峰值的时间＜0.1ms，压电喷油驱动采用250伏的高压驱动，由于车载电瓶电压为12伏到42伏。所以采用DC-DC升压方式将电压升到250伏，并将能量储存在高压储能电容中。

附图2所示为针对六缸柴油机的发动机控制单元(ECU)驱动压电喷油器的一部分，此电路直接驱动三个喷油器。电控单元压电喷油器驱动采用基于CPLD的通过压电喷油器的电流和压电喷油器上电压的全闭环控制策略。该压电喷油器驱动电路中，运用一个功率电感作为对压电喷油器充电和放电的桥梁，以达到快速稳定的充电和快速稳定放电的目的，并且还能通过该电感回收大部分能量。如附图所示，其中VHIGH为高压储能电容的电压，电压为250伏，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5皆为N型功率MOS，R1，R2为功率电阻，用于电流取样，电阻R3，R4用于检测喷油器上的电压。

整个喷油器的驱动分为4个阶段：

第一阶段：Q1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)。此时高压电容通过功率电感向喷油器中充电，由于初始时喷油器上的电压为0，所以流过功率电感的充电电流将迅速增大，为了防止电流过大引起的充电不稳定，需要限制充电电流的大小。本ECU采用梯形充电电流。由CPLD监控通过取样电阻R1的电流来检测充电电流，当达到预设最大充电电流时，关闭Q1。然后进入下一阶段。

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R1取样电阻得到的电流值决定。控制充电电流稳定在预设充电电流值，给压电喷油器快速充电。

第三阶段：Q1关闭，Q3，Q4，Q5关闭。由CPLD通过检测R3，R4的分压监测喷油器上的电压。当喷油器上的电压达到所需要的喷油器良好开启的电压时，关闭Q1。为了减少能量在R3，R4上的消耗，同时也关闭Q3，Q4，Q5。进入下一阶段。

第四阶段：Q1。Q3，Q4，Q5关闭。Q2打开。此时储存在喷油器中的能量转移到功率电感中，功率电感中的电流增大，电流方向与充电电流方向相反。由CPLD监测功率电感上的电流和R3，R4分压所得的喷油器上电压，当电流达到所设定的最大电流时或喷油器电压低于某一设定值时，关闭Q2。此时能量将通过Q1中的二极管回收到储能电容中。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。最终压电喷油器电流波形如附图3所示。

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。操作温度范围是-40°～125°。串口通信选用飞思卡尔公司的MC33290实现电平转换，直接和电控单元的微控制器的SCI模块连接就可以。操作温度范围是-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)

1.一种采用压电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，该电控单元采用变压器式升压泵，提升12伏电压到250伏到储能电容中。

3.根据权利要求1，该电控单元采用基于CPLD的喷油器电流和电压双全闭环控制技术，达到灵活控制电压，节省喷射能量。

4.根据权利要求1，该电控单元采用喷油器驱动采用电感储存和回收能量。

5.根据权利要求1，该电控单元集成2路电机和6路电磁阀驱动，满足后处理控制需求。

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