CN103670756B - 一种基于cpld的燃气电控发动机喷嘴控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CPLD的燃气发动机喷嘴控制器。主要包含采用CPLD的主控制模块、工况识别模块、喷嘴故障诊断模块、功率驱动模块、标定与CAN总线通信模块。本发明的控制器以CPLD为主控芯片，能异步采集喷射控制信号，控制器通过实时采样燃气喷嘴的工作电流，作PID闭环控制，实现对燃气喷嘴的可靠驱动。同时控制器可以对燃气喷嘴进行故障实时诊断，通过CAN通信总线实时传输故障给发动机ECU。本控制器还可以通过软件进行数据标定以适应不同品牌、型号的各种燃气喷嘴。

Description

一种基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器

技术领域

本发明涉及电控发动机，特别涉及一种燃气电控发动机喷嘴控制器。

背景技术

电控燃气发动机喷嘴驱动控制器主要是实现驱动燃气喷嘴，保证其可靠地打开与关闭，它是电控燃气发动机上面的关键零部件。燃气喷嘴的内电阻普遍比较小，一般在1～4欧姆的范围内，电感又比较大，一般达到毫亨级以上，所以基于以上特性，燃气喷嘴的控制方式一般按照“打开保持”（Peak-Hold）的驱动方式去驱动，燃气喷嘴驱动其本质是精确实时地控制驱动电流，主要原理是首先以比较大的电流打开喷嘴，待喷嘴完全打开后以比较小的电流维持开启状态。整个过程涉及驱动电流的精确控制，同时还要保证实时性，所以不管在电路上、控制逻辑上是比较复杂的。

基于以上背景分析，现有的燃气喷嘴驱动控制器具有以下缺陷：

1.采取开环控制，不能精确保证每次喷嘴的可靠工作。

2.采用分立电子元器件实现、电路复杂、成本高、电磁兼容性差。

3.不能实现喷嘴同时驱动，实时性差。

4.每种喷嘴驱动控制只能使用与其匹配的喷嘴，灵活性和适应性差。

5.不包含喷嘴实时故障诊断功能，同时无法向发动机ECU等整车相关控制器传递故障信息，无法显示故障与处理自感故障。

6.无工况判断功能，导致发动机在比较寒冷的环境下喷嘴打开困难，引起发动机无法启动。

7.现有喷嘴功率驱动模块采用二极管电路泄放燃气喷嘴的自感电动势，导致燃气喷嘴快速关断能力差，发热控制不好，产品可靠性差。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种实现了燃气发动机喷嘴打开的精确控制。保证了燃气喷嘴工作的可靠性的基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器。为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器,所述发动机具有电子控制单元ECU(1)，包括信号处理电路、主控CPLD芯片模块、功率驱动模块及CAN通信接口；其中

所述信号处理电路模块：用于对发动机电子控制单元ECU发出的喷射使能信号进行整形滤波处理，滤波电路主要由电容和电阻组成一阶滤波电路，主要去除喷射使能信号上面的干扰，最后将处理后的信号传输给主控CPLD芯片模块；

所述主控CPLD芯片模块：包括主控制模块、冷热机工况识别模块、喷射故障实时诊断模块、标定与CAN通信模块；所述主控制模块用于根据实时采样的喷嘴打开电流值与给定的目标值进行比较得到差值，将差值输入PID闭环控制器，并经过PWM控制模块得出功率驱动模块的使能信号；所述冷热机工况识别模块用于根据喷嘴的实时打开电流波形模式判断出喷嘴的工作状态；所述喷射故障实时诊断模块用于将喷嘴工作电流采样值，喷嘴自感电压，电瓶电压及喷嘴使能信号作为输入，经过分析处理后得出喷嘴的故障类型；所述标定与CAN通信模块用于将喷嘴的故障代码通过CAN通信总线上；还用于喷嘴的标定；

所述功率驱动模块包括自感泄放控制回路，（主要由PNP型大功率达林顿管、齐纳二极管组成）及预驱动电路(702)（主要由场效应管驱动控制芯片构成）、其主要是通过PNP型的大功率达林顿管等电路把喷嘴产生的自感电动势泄放掉，起到保护左右、预驱动电路(702)、预驱动电路主要作用是降低主功率驱动管的开关损耗，主功率驱动管及泄放回路开关管；所述自感泄放控制回路接收功率驱动模块的使能信号，所述自感泄放控制回路与泄放回路开关管的基极相连接，所述预驱动电路与主功率驱动管的栅极相连接，所述主功率驱动管的源极接地；

所述CAN通信接口与主控CPLD芯片模块的标定与CAN通信模块相连接，并与电子控制单元ECU相连接进行通信。

进一步的，所述主功率驱动管及泄放回路开关管之间还设置有保护电路。其主要是保护主功率开关管以及相关电路，有过温、过压、过流保护。（主要由开关型二极管和齐纳二极管组成）

进一步的，所述冷热机工况识别模块依次经过硬件FFT滤波、波形数据库特征点匹配得出喷嘴所处是热机状态或冷机状态。

进一步的，所述冷热机工况识别模块判断出来的喷嘴的工作状态包括喷嘴开路、喷嘴与电瓶的正极短路、喷嘴与电瓶的负极短路及喷嘴正常四种工作状态。

进一步的，所述标定与CAN通信模块通过修改喷嘴工作电流目标值实现标定。

本发明的优点及有益效果如下：

采用电控闭环控制方式，实现了燃气发动机喷嘴打开的精确控制。保证了燃气喷嘴工作的可靠性，本控制器采用基于CPLD为主控芯片的技术方案，在电路复杂度、精确性、实时性、可靠性、可测性、适应性上均比现有产品有显著提升，同时本控制器基于CAN总线的故障诊断传输、标定系统更能满足不同型号不同品牌的燃气喷嘴驱动，大大提高了产品的适应性与灵活性。

附图说明

图1所示为本发明优选实施例电控燃气发动机喷嘴驱动控制器示意图；

图2是基于CPLD的主控制模块示意图；

图3是喷嘴工作电流PID控制算法流程图；

图4是冷热机工况模式识别模块流程图；

图5是喷嘴故障实时诊断模块示意图；

图6是喷嘴故障诊断流程图；

图7是功率驱动模块示意图；

图8是标定与CAN通信模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。

参照图1所示，图1体现本发明电控燃气发动机控制器8。喷嘴驱动控制器通过采集发动机ECU1的喷射使能信号，经过信号处理电路2（信号处理主要是把ECU的信号进行整形滤波），输入到主控CPLD芯片3中，主控芯片3根据ECU1的喷射使能信号，根据喷嘴工作电流采集101，通过控制输出PWM信号的占空比结合功率驱动电路4闭环PID控制驱动燃气喷嘴驱动器7，同时主控CPLD芯片3根据喷嘴工作电流采集模块101通过模式识别判断出喷嘴的故障类型，结合CAN通信模块6把故障信息传递给外界,主控芯片CPLD芯片3高度集成了各种控制功能与模块,整个系统集成度高。

图2详细介绍了基于CPLD的主控制模块控制流程图。其主要流程为：首先把喷嘴实时的工作电流101，通过电流采样二值化处理102，获得喷嘴工作时电流值，然后与喷嘴电流目标值进行比较，得到的差值输入一个PID控制器104进行计算，计算得到一个闭环控制量去控制一个PWM控制模块105，增大或者降低PWM控制模块105的占空比，最后输出功率模模块的使能信号106，去控制功率驱动电路。

图3是喷嘴工作电流PID控制算法流程图,首先在主控单元中,工况状态判断800会自动判断出当前喷嘴工作的状态,根据不同的工况状态去给不同的目标值赋值,主要要为喷嘴工电流目标值INJC1802和喷嘴工作电流目标值INJC1803,然后再赋值给喷嘴工作目标值103.同时,喷嘴工作电流采样模块101采集当前喷嘴的工作电流,再通过电流采样二值化处理102获取了当前喷嘴电流值INJ_AD,结合喷嘴工作目标值103输入到一个PID控制模块104中做比例805,积分806,微分807,最终形成一个电流反馈控制量808去控制喷嘴的工作电流使其与目标值逼近,达到闭环控制的效果。

图4是冷热机工况识别模块流程图。其主要流程为：采集到的喷嘴工作电流101，输入到模式识别模块210中，模式识别模块210首先要储存当前的工作电流波形202,然后再进行硬件FFT滤波208,去除里面的干扰信号,再根据已经储存的波形数据库208作特征点匹配209最终得出喷嘴所处的状态,是热机状态203,还是冷机状态204,得到喷嘴现在工作状态后,对状态标志205赋值,确定当前状态,然后改变PWM控制模块105的参数,最终去控制喷嘴的工作电流207。

图5是喷嘴故障实时诊断模块示意图。其主要流程为根据喷嘴工作电流采样101，喷嘴自感电压302，电瓶电压303，喷嘴使能信号304，输入到诊断模式识别模块305中进行计算和分析，最终得出四种状态：喷嘴开路306、喷嘴与电瓶的正极短路307、喷嘴与电瓶的负极短路308、喷嘴正常309，最终4中状态会汇总到一个故障标志310中，通过读取故障标志就会得到当前喷嘴的故障类型，当喷嘴正常309时，故障标志被清零。

图6是喷嘴故障诊断流程图,主要流程首先要根据电瓶电压303判断是否进行喷嘴故障诊断,当电瓶电压303小于设定值后,喷嘴诊断功能禁止.喷嘴诊断的另一个使能条件是有无喷射使能信号304,在整个控制流程中首先诊断出来的是喷嘴开路306,它主要是根据输入的喷嘴自感电压302来判断的,然后在结合预先保持的喷嘴故障波形数据库910去智能判断出短路的故障种类,主要分为喷嘴与电瓶正极短路307,喷嘴与电瓶电压负极短路308。

图7详细介绍了功率驱动模块，PWM模块206发出了控制信号好主要经过自感泄放回路控制701，预驱动电路702，作用在主功率驱动管705以及泄放回路开关管703上，由于燃气喷嘴自身的电感比较大，所以在主功率驱动管705和泄放回路开关管703之间增加了一个保护电路704，主要是防止705以及703两个功率器件损坏。当燃气喷嘴708打开时主要是主功率开关管705工作，燃气喷嘴708的电流通过705回到电瓶负极706；当喷嘴关闭的时候，燃气喷嘴708产生的自感电压通过泄放开关管703流给电瓶正极709，为了防止自感电压干扰其他电路，增加了EMI保护电路707。

图8详细介绍了标定与CAN通信模块，基于CAN总线的故障传输模块501读取故障标志310中的故障码，然后传输到汽车CAN总线上，供汽车ECU读取；通过基于CAN总线的标定模块可以任意修改喷嘴工作电流目标值103，这样本发明可以适应不同型号、品牌的燃气喷嘴，增强产品的适应性与灵活性。

这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器,所述发动机具有电子控制单元ECU(1)，其特征在于：包括信号处理电路(2)、主控CPLD芯片模块(3)、功率驱动模块(4)及CAN通信接口(6)；其中

所述信号处理电路(2)：用于对发动机电子控制单元ECU(1)发出的喷射使能信号进行整形滤波处理,处理完成后将信号传输给主控CPLD芯片模块(3)；

所述主控CPLD芯片模块(3)：包括主控制模块、冷热机工况识别模块、喷射故障实时诊断模块、标定与CAN通信模块；所述主控制模块包括PID闭环控制器、PWM控制模块，用于将喷嘴打开电流值与给定的目标值进行比较得到差值，将差值输入PID闭环控制器，并经过PWM控制模块得出功率驱动模块(4)的使能信号；所述冷热机工况识别模块用于根据喷嘴的实时打开电流波形模式判断出喷嘴的工作状态；所述喷射故障实时诊断模块用于将喷嘴工作电流采样值，喷嘴自感电压，电瓶电压及喷嘴使能信号作为输入，经过分析处理后得出喷嘴的故障类型；所述标定与CAN通信模块用于将喷嘴的故障代码通过CAN通信总线上，还用于喷嘴的标定；

所述功率驱动模块(4)包括自感泄放控制回路(701)及预驱动电路(702)、主功率驱动管(705)及泄放回路开关管(703)；所述自感泄放控制回路(701)接收功率驱动模块(4)的使能信号，所述自感泄放控制回路(701)与泄放回路开关管(703)的基极相连接，所述预驱动电路(702)与主功率驱动管(705)的栅极相连接，所述主功率驱动管(705)的源极接地；

所述CAN通信接口(6)与主控CPLD芯片模块(3)的标定与CAN通信模块相连接，并与电子控制单元ECU(1)相连接进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器，其特征在于：所述主功率驱动管(705)及泄放回路开关管(703)之间还设置有保护电路(704)。

3.根据权利要求1所述的基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器，其特征在于：所述冷热机工况识别模块依次经过硬件FFT滤波、波形数据库特征点匹配得出喷嘴所处是热机状态或冷机状态。

4.根据权利要求1所述的基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器，其特征在于：所述冷热机工况识别模块判断出来的喷嘴的工作状态包括喷嘴开路、喷嘴与电瓶的正极短路、喷嘴与电瓶的负极短路及喷嘴正常四种工作状态。

5.根据权利要求1所述的基于CPLD的燃气电控发动机喷嘴控制器，其特征在于：所述标定与CAN通信模块通过修改喷嘴工作电流目标值实现标定。