CN114280989A - 一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，所述的发动机ECM电控模块中包括有主ECMⅠ、备份ECMⅡ，所述的ICM喷油控制模块分为两组，且每组ICM喷油控制模块内均设有一主ICM喷油控制模块、一备ICM喷油控制模块，其两组中主备ICM喷油控制模块通过CAN/CAN‑FD总线接口和主ECMⅠ、备份ECMⅡ通信相连。本发明所述的船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，采用实时响应速度快且能同时处理多个任务的TC397处理器作为主控芯片，可有效提高处理对信号的处理速度，增加电控单元、传感器、高速电磁阀和相关电气或液体控制执行元器件等，组成数字式高响应调节系统，提高了控制系统的响应速度，且电控单元朝高度集成，小尺寸方向发展，降低设计的复杂性，提高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及柴油动力电路线路控制技术，尤其是指一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路。
背景技术
随着2050年实现全球碳中和目标的提出，降低船舶碳排放的措施成为国际关注重点，支持高效燃烧的船用柴油发动机电子控制系统的探索和相关产品的开发势必成为国产化船用柴油发动机技术领域中的一个热门方向。
传统机械结构船舶动力系统已经无法满足现如今高速、复杂的需求，使用者对船用发动机的可靠性、安全性、经济性和废气废物排放方面的要求也越来越高，传统的发动机控制系统由于存在响应速度慢、控制精度低、监控发动机状态信号少等诸多自身无法克服的缺点，越来越无法满足这些要求。
因此，船用发动机控制方式已经逐步转变为电子控制。其中，高压共轨电子控制系统以其压力柔性控制、喷油时间点可调、喷油脉宽可调及单次循环喷油次数可调等一系列优势使得电子控制高压共轨喷油技术是新一代船用柴油发动机发展方向，从而可以使船用柴油发动机达到低排放、低油耗、高功率的效果。
如何设计更加可靠、安全、简单的发动机控制系统电路就显的十分必要。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中船舶动力系统从机械结构动力系统开始发展，极少功能用到电子控制，控制精度上随着时间的推移而降低，维护成本高。电子控制柴油喷射系统是在柴油机电控系统中最早研究并实现产业化的先驱，在这期间，由于工业制造技术水平的快速进步和排放法规的日益严格，出现了多种柴油机电控燃油喷射系统，它们分别是不能满足更加严格排放法规而遭市场淘汰的问题，从而提供一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路。
为解决上述技术问题，本发明的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，包括：
发动机ECM电控模块，所述的发动机ECM电控模块中包括有主ECMⅠ、备份ECMⅡ，且所述的发动机ECM电控模块通过CAN/CAN-FD总线、千兆以太网、485总线的多种接口与与外接子系统连接拓展，其子系统如监测系统、安保系统以及外部标定系统，所述的主ECMⅠ、备份ECMⅡ之间通过CAN/CAN-FD总线组成冗余设计结构方案；
ICM喷油控制模块，所述的ICM喷油控制模块分为两组，且每组ICM喷油控制模块内均设有一主ICM喷油控制模块、一备ICM喷油控制模块，其两组中主备ICM喷油控制模块通过CAN/CAN-FD总线接口和主ECMⅠ、备份ECMⅡ通信相连，且主备ICM喷油控制模块也采用相同的冗余设计结构方案，且每组ICM喷油控制模块均与6个缸到10个缸的喷油器之间控制相连。
在本发明的一个实施例中，所述的发动机ECM电控模块、ICM喷油控制模块的主控均采用的是英飞凌32位的AURIX2GTC397XP-256F300S，同时使用了TC397XP-256F300S单片机及TLF35584QVVS1电源管理芯片，搭建了TC397最小系统。
在本发明的一个实施例中，所述的TLF35584QVVS1电源管理芯片给TC397最小系统的供电，且由TLF35584QVVS1电源管理芯片组成电源电路的主控。
在本发明的一个实施例中，所述的TC397最小系统中还包含有时钟电路、复位电路、JTAG电路、外围电路。
在本发明的一个实施例中，所述的时钟电路振荡周期为20MHz，其利用一个晶体与两个10pF电容组成，同时通过单片机M20引脚XTAL1输入，M19引脚XTAL2输出。
在本发明的一个实施例中，所述的复位电路具备上电复位和手动复位，其由按钮、电阻及电容搭建而成。
在本发明的一个实施例中，所述的JTAG电路为整个系统程序的配置调试口，可以通过它烧写FLASH，固化程序。
在本发明的一个实施例中，所述的外围电路包括有Buck控制电路、单片机内部电源部分、对外网络接口以及普通IO接口。
在本发明的一个实施例中，所述的Buck电控制电路通过外围电感、电容及二极管产生单片机核心所需要的1.25V，以及单片机其他电源的输入接口。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，采用实时响应速度快且能同时处理多个任务的TC397处理器作为主控芯片，可有效提高处理对信号的处理速度，增加电控单元、传感器、高速电磁阀和相关电气或液体控制执行元器件等，组成数字式高响应调节系统，提高了控制系统的响应速度，且电控单元朝高度集成，小尺寸方向发展，降低设计的复杂性，提高可靠性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路的系统框图；
图2是本发明所述TC397最小系统电源电路的原理图；
图3是本发明所述外部晶体组成的20MHz时钟电路的原理图；
图4是本发明所述复位电路的原理图；
图5是本发明所述JTAG接口电路的原理图；
图6是本发明所述TC397芯片Buck控制电路及各电源输入部分电路的原理图；
图7是本发明所述TC397网络接口及普通IO电路的原理图；
图8是本发明所述电源防反接电路的原理图；
图9是本发明所述4-20mA输入采集电路的原理图；
图10是本发明所述K型电偶转换电路的原理图；
图11是本发明所述PT1000铂电阻温度转换电路的原理图；
图12是本发明所述4-20mA输出电路的原理图；
图13是本发明所述限位开关等低速数字量信号输入电路的原理图；
图14是本发明所述霍尔传感器等高速数字量输入电路的原理图；
图15是本发明所述高边驱动电路的原理图；
图16是本发明所述CAN/CANFD电路的原理图；
图17是本发明所述5V隔离电源电路的原理图；
图18是本发明所述电磁阀升压电路的原理图；
图19是本发明所述压电路电压电流变化的变化图的原理图；
图20是本发明所述喷油器电磁阀高、低边驱动电路的原理图；
图21是本发明所述硬件ID电路的原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例提供一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，包括：
发动机ECM电控模块，所述的发动机ECM电控模块中包括有主ECMⅠ、备份ECMⅡ，且所述的发动机ECM电控模块通过CAN/CAN-FD总线、千兆以太网、485总线的多种接口与与外接子系统连接拓展，其子系统如监测系统、安保系统以及外部标定系统，所述的主ECMⅠ、备份ECMⅡ之间通过CAN/CAN-FD总线组成冗余设计结构方案；
ICM喷油控制模块，所述的ICM喷油控制模块分为两组，且每组ICM喷油控制模块内均设有一主ICM喷油控制模块、一备ICM喷油控制模块，其两组中主备ICM喷油控制模块通过CAN/CAN-FD总线接口和主ECMⅠ、备份ECMⅡ通信相连，且主备ICM喷油控制模块也采用相同的冗余设计结构方案，且每组ICM喷油控制模块均与6个缸到10个缸的喷油器之间控制相连。
进一步地，每组ICM喷油控制模块均可实现6个缸到10个缸的喷油控制，一个电控系统通过部署两组ICM喷油控制模块，即可以实现对12缸到20缸大功率柴油发动机的控制。各ICM喷油控制模块之间的协调工作，由发动机ECM电控模块进行高实时性的调度控制。
为了保障系统的高可靠性，系统做了冗余设计，其中发动机ECM电控模块冗余备份：系统正常工作时，由主ECMⅠ对系统进行协调控制，而备份ECMⅡ则监测ECMⅠ的工作状态，一旦ECMⅠ出现故障，备份ECMⅡ立即切换至工作状态，替换ECMⅠ对系统进行协调控制，避免发动机出现停机或损失部分动力的情况。此外，备份ECMⅡ与ECMⅠ分别根据发动机的当前状态参数进行相关控制运算，通过对两者的运算结果进行相互校核，可以进一步保障控制系统的可靠性。
ECM和ICM之间的内部通信连接也采用冗余设计，以确保发动机ECM电控模块与各ICM喷油控制模块之间通信的高可靠性。为了保障整个动力系统的高可靠性，每组ICM也采用了一主一备的冗余方案，当主ICM出现故障时，备用ICM可以立即切换至工作状态，并切断喷油器与主ICM的连接，从而避免发动机出现停机或动力损失。
所述的发动机ECM电控模块、ICM喷油控制模块的主控均采用的是英飞凌32位的AURIX2GTC397XP-256F300S，同时使用了TC397XP-256F300S单片机及TLF35584QVVS1电源管理芯片，搭建了TC397最小系统。
进一步地，在性能、内存大小、连接性和扩展性上有很大的提高，足以应对新的动力系统设计趋势和挑战。TC397提供6个运行频率为300MHz的内核和6.9MB的嵌入式RAM，功耗低于2W，支持所有内核的浮点和定点、16MB闪存/ECC保护、1Gbit以太网、12路CANFD、4路QSPI、2路I2C、冗余多样的定时器模块。芯片工作温度范围-40℃至125℃，可以承受住发动机舱内严苛的温度考验。
搭建的TC397最小系统整体尺寸做到50mmX60mm,具有较高的布局密度。
所述的TLF35584QVVS1电源管理芯片给TC397最小系统的供电，且由TLF35584QVVS1电源管理芯片组成电源电路的主控。
如图2所示，TLF35584是多输出系统电源，通过在较宽输入电压范围(3V至40V)内高效灵活的前/后稳压器，可以给μC(微控制器)、收发器和传感器提供所需要的各通道独立的5V电源。由于开关频率范围较广，因此在效率和小型过滤器组件的使用方面可以进行优化，可以实现5cmX6cm的布局。
所述的TC397最小系统中还包含有时钟电路、复位电路、JTAG电路、外围电路。
所述的时钟电路振荡周期为20MHz，其利用一个晶体与两个10pF电容组成，同时通过单片机M20引脚XTAL1输入，M19引脚XTAL2输出。
具体时钟电路见图3所示，时钟电路是整个电路运作的节拍器，保证相关的电子组件得以同步运作，一般时钟电路分为内部时钟电路和外部时钟电路，本单元电路在通电后，时钟电路首先工作，内部程序才可以执行。
所述的复位电路具备上电复位和手动复位，其由按钮、电阻及电容搭建而成。
进一步地，具体复位电路见图4所示，实现单片机从上电开始时处于复位状态，等到单片机各电源准备完毕的情况下，通过RC充电释放复位，单片机开始执行程序。其中的复位电路是整个系统不可或缺的一部分，当程序出现跑飞、跑死等情况时，手动通过复位电给单片机复位信号，使程序重新开始执行。
所述的JTAG电路为整个系统程序的配置调试口，可以通过它烧写FLASH，固化程序。
进一步地，如图5所示，也可以通过JTAG接口可以对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。
如图6、7所示，所述的外围电路包括有Buck控制电路、单片机内部电源部分、对外网络接口以及普通IO接口。
所述的Buck电控制电路通过外围电感、电容及二极管产生单片机核心所需要的1.25V，以及单片机其他电源的输入接口。
同时本实施例中的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路还包括：
1)、电源防反接电路
具体电源防反接电路见图8所示，本单元电路所需要用到的电源为24V直流电，为了提高系统电源的可靠性，加入了防反接电路，其主要工作做原理如下：
上电瞬间，如果电源正确接入，Q1 PMOS管的寄生二极管导通，系统形成回路，源极S的电位大约为VDD_24V_OUT-0.7V，而栅极G的电位为0，MOS管的开启电压极为：Ugs＝0-(VDD_24V_OUT-0.7)，栅极表现为低电平，PMOS的DS导通，寄生二极管被短路，系统通过PMOS的DS接入形成回路。
若电源接反，G极是高电平，D、S极为0V，PMOS的Ugs电压大于0，PMOS截止，寄生二极管反接，电路是断开的，从而形成保护。
相对二极管串联防反接电路，该电路可以减少传输损耗，保证了系统的可靠。另外，也可以用NMOS来实现此功能，但需要注意将NMOS管DS串到负极，寄生二极管方向朝向正确连接的电流方向。
2)、4-20mA输入采集电路
具体4-20mA输入采集电路见图9所示，本单元电路中需要对各类压力传感器进行采集，而大多数压力传感器距离采集设备较远，一般的电压信号容易受到外界干扰，顾引入4-20mA采集电路来提高采集电路的抗干扰能力。
传感器侧有一个随着所受压力变化的恒流源(电流范围为4-20mA)，采集电路需要对其进行环路闭环采集测试，通过一个100欧姆精密电阻将电路环回，然后差分放大器采集电阻上面的电压，并送给单片机的AD口，单片机计算便可以计算出电路中电流大小，进一步算出压力传感器所受到的压力。同时，电路中引入了一个电流保护器，当电流大于30mA时，将切断环路，避免损坏采集电路。
3)、K型电偶转换电路
具体K型电偶转换电路见图10所示，本单元电路中需要对气缸出口的排气温度以及其他高温出口进行高速、高精度采集，这类高温超过了PT1000铂电阻测量量程，顾选择K型热电偶来对其进行测量，K型热电偶可以直接测量0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
由于K型热电偶的输出为mV级别的电压，本设计中选择了美信的MAX31855KASA+，它具备具有冷端补偿，通过SPI接口以只读格式输出14位带符号数据。转换器的温度分辨率为0.25℃，对于K型热电偶，温度范围为-200℃至+700℃，并保持±2℃精度。
4)、PT1000铂电阻温度转换电路
具体PT1000铂电阻温度转换电路见图11所示，由于PT1000铂热电阻测温精度高，阻值与温度变化呈线形关系，对于油温、环境温度及进气口温度等相对低温的介质可以通过PT1000进行高精度测量，可以降低测量电路的复杂度。
PT1000自身电阻一定范围内随着温度变化而线性变化，本设计中选择了美信的MAX31865ATP+来作为PT1000温度转换器，它具有15位ADC分辨率。输入端有高达±45V的过压保护，提供可配置的RTD及电缆开路/短路条件检测的功能。
5)、4-20mA输出电路
具体4-20mA输出电路见图12所示，本单元电路中也需要对远距离执行器进行控制，需要输出4-20mA的控制信号。本设计中使用AD5757作为4-20mA的DA输出芯片，其主要工作原理也是通过控制内部恒流电源的输出阻抗，来实现目标电流输出，具有16位高分辨率，可以精准控制电流输出大小。
6)、限位开关等低速数字量输入电路
具体限位开关等低速数字量输入电路见图13所示，本单元电路中也需要对一些位动执行器进行执行到位检测，需要通过限位开关来判断执行器是否到位。通过给限位开关加一个24V限流的电，然后将限位开关的反馈电压分压给单片机，通过高低电平来实现限位开关打开或闭合状态的检测。
7)、霍尔传感器等高速数字量输入电路
具体霍尔传感器等高速数字量输入电路见图14所示，本单元电路中用到霍尔传感器测量发动机各部位的转速，霍尔传感器过来的是24V的信号，通过迟滞比较器，转换为5V的信号给单片机采集，从而计算出实际部件的转速。
8)、高边驱动电路
具体高边驱动电路见图15所示，本单元电路中有一些电磁阀需要控制开闭，常用的有高边驱动、低边驱动两种拓扑。而低边驱动虽然控制简单，但在低边MOS短路到地时会损坏负载，高边驱动恰恰相反。因此追求系统执行器稳定的情况下，在本系统中会引入高边驱动去驱动相关电磁阀。
9)、CAN/CANFD电路
具体CAN/CANFD电路见图16所示，另外图17是CAN/CANFD电路所需要使用的5V隔离电源电路，本单元电路中各模块之间通信采用CAN/CAN-FD，它具有较强的抗干扰能力。英飞凌新一代高速CAN收发器TLE9250SJ，它可以确保回路延迟对称性，支持高达5Mbit/s的CAN-FD，另外电磁辐射(EME)极低，可在无需额外的共模扼流圈的情况下使用。
10)、喷油器半桥驱动电路
本单元电路为了精确控制高压共轨燃油喷射量和供给量，开发了以MC33PT2000为主控芯片高压共轨燃油喷射系统电磁阀驱动电路。
高压共轨燃油喷射系统电磁阀驱动硬件电路主要包括Boost升压电路、喷油电磁阀驱动电路。
MC33PT2000是精确控制电磁阀的可编程驱动芯片，可以通过软件调节电磁阀升压值、电流大小和开闭时间，提高了喷油器电磁阀电磁阀控制的灵活性。
MC33PT2000内部有6个微控制器，可以同时执行6项控制任务。7路高边驱动，8路低边驱动，用于高压共轨燃油喷射系统中，可以分别控制多路电磁阀驱动电路，另外2路高频率的开关驱动，可用于Boost升压电路转换；同时具有6路电流高低边监测和诊断，可以实时监测电路的电流变化。
电磁阀升压电路见图18，下面分析两种模式下电路中电压、电流的变化情况。
升压开始阶段，MOS管打开，24V主电源电压经过稳压后给电感L充电，MOS管和采样电阻两端电流上升，当采样电阻上的电流高于软件设置电流上限值时，MOS管关闭。此时，电流加载到升压电容上，升压电容上的电流达到最大值后开始下降，采样电阻两端电流下降，升压电压VBoost升高。当升压电压达到VBoost_high时，VBoost进入同步模式，MOS管栅极输入低电平信号，MOS管关闭，VBoost，直到VBoost低于VBoost_low阈值，重新进入异步模式。以此循环控制升压电路中的电流和电压的稳定。
进一步地，具体压电路电压电流变化的变化图见图19，该升压电路具有电流反馈控制，MC33PT2000通过VSENSEP和VSENSEN对电阻上的电流进行采样，根据采样结果维持电路中电流的稳定，实现电流闭环控制。当采样电流ISENSE大于上限采样电流ISENSE_High时，反馈信号标志位置1，G_LS输出低电平，MOS管关闭，电流在Thold_off/Tpeak_off时间内下降，当下降到下限采样电流ISENSE_low时，反馈信号标志位置0，G_LS输出高电平，MOS管打开，电流上升，以此保持电磁阀中电流的稳定。
喷油驱动电路由高边驱动和低边驱动两个部分组成。MC33PT2000输出控制信号分别控制G_HS和G_LS端。驱动动两路喷油器。G_HS1输入控制信号时，电路由升压后的高电压控制，电磁阀快速打开，G_HS2输入控制信号时，24V低压经滤波后控制喷油驱动电路，维持电磁阀开启状态。电路中二极管防止电流倒灌，起保护电路的作用。本设计电路N沟道MOS管开启时，栅极电压必须大于源极电压，S_HSn端对MOS管源极电压进行监测，得到源极电压VS_HS，通过自举升压，栅极电压VG_HS比源极电压VS_HS升高6.5至8V，确保N沟MOS管能够打开，B_HSn端对自举升压电压VB_HS进行监测，确保自举升压后的电压大于源极电压。
如图20所示的喷油器电磁阀高、低边驱动电路，G_LS1和G_LS2端输入发动机选缸信号，用来控制喷油器电磁阀的开启和关闭。MC33PT2000输出控制信号，G_LS端控制MOS管的栅极开闭。栅极电压在G_LS输入高电平信号时大于源极电压，MOS管打开，低边栅极电压在G_LS输入低电平信号时小于源极电压，MOS管关闭，控制低边驱动电路。
11)、硬件ID电路
本系统中采用了冗余架构设计，而实际模块的硬件电路是可以互换的，因此需要引入硬件ID电路，根据底板拨码位置，来实现ECM和ICM的主、备功能的切换，具体硬件ID电路如图21所示。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于，包括：
发动机ECM电控模块，所述的发动机ECM电控模块中包括有主ECMⅠ、备份ECMⅡ，且所述的发动机ECM电控模块通过CAN/CAN-FD总线、千兆以太网、485总线的多种接口与与外接子系统连接拓展，其子系统如监测系统、安保系统以及外部标定系统，所述的主ECMⅠ、备份ECMⅡ之间通过CAN/CAN-FD总线组成冗余设计结构方案；
ICM喷油控制模块，所述的ICM喷油控制模块分为两组，且每组ICM喷油控制模块内均设有一主ICM喷油控制模块、一备ICM喷油控制模块，其两组中主备ICM喷油控制模块通过CAN/CAN-FD总线接口和主ECMⅠ、备份ECMⅡ通信相连，且主备ICM喷油控制模块也采用相同的冗余设计结构方案，且每组ICM喷油控制模块均与6个缸到10个缸的喷油器之间控制相连。
2.根据权利要求1所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的发动机ECM电控模块、ICM喷油控制模块的主控均采用的是英飞凌32位的AURIX2GTC397XP-256F300S，同时使用了TC397XP-256F300S单片机及TLF35584QVVS1电源管理芯片，搭建了TC397最小系统。
3.根据权利要求2所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的TLF35584QVVS1电源管理芯片给TC397最小系统的供电，且由TLF35584QVVS1电源管理芯片组成电源电路的主控。
4.根据权利要求2所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的TC397最小系统中还包含有时钟电路、复位电路、JTAG电路、外围电路。
5.根据权利要求4所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的时钟电路振荡周期为20MHz，其利用一个晶体与两个10pF电容组成，同时通过单片机M20引脚XTAL1输入，M19引脚XTAL2输出。
6.根据权利要求4所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的复位电路具备上电复位和手动复位，其由按钮、电阻及电容搭建而成。
7.根据权利要求4所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的JTAG电路为整个系统程序的配置调试口，可以通过它烧写FLASH，固化程序。
8.根据权利要求4所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的外围电路包括有Buck控制电路、单片机内部电源部分、对外网络接口以及普通IO接口。
9.根据权利要求8所述的一种船用高压共轨高速柴油机电控单元电路，其特征在于：所述的Buck电控制电路通过外围电感、电容及二极管产生单片机核心所需要的1.25V，以及单片机其他电源的输入接口。
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