CN201162579Y - 高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元，包括MPC555集成芯片、模拟接口电路、高速接口电路、功率接口电路、通信模块、信号接口、电源接口，并集成了基于高压共轨燃油喷射电子控制软件；其中：为两块PCB板双层结构，一块PCB板是MPC555核心控制板，另一块是驱动及扩展电路板，MPC555核心控制板位于驱动及扩展电路板上方；模拟接口电路与压力、温度、负荷传感器电连接。电子控制单元采用基于32位RISC结构的MPC555芯片的最小系统，提高了硬件集成度及可靠性；使系统软件在有限硬件资源上，以较高效率运行，保持良好可靠性及实时性，为喷油量，喷油正时、高能点火等的精确控制提供先进技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及柴油转子发动机技术领域，是一种高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元，特别是柴油汪克尔三角转子发动机的电子控制单元。
背景技术
转子发动机作为一种新型的发动机，它采用三角转子旋转运动来循环控制进气、压缩、燃烧及排气四个过程，既直接以旋转运动输出功率，而没有传统活塞往复式发动机的往复直线运动。柴油转子发动机，则是以燃用柴油为主的三角转子旋转式发动机。由其工作原理及结构决定，柴油转子发动机的压缩比相对较低(在8-11之间)，要实现转子发动机的柴油化工作，一般需要采用高压燃油喷射和火源点火相结合的方式工作，因而其燃烧组织具有压燃与点燃式内燃机的双重特点。目前市场上的发动机电子控制单元基本上都是围绕传统往复式发动机所开发的，既点燃式往复汽油发动机或压燃式往复柴油机电子控制单元。
实用新型内容
本实用新型的目的是公开一种高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元，能针对双缸或单缸、多缸三角转子发动机的柴油化工作，提供高集成度、高可靠性、功能丰富的电子控制单元。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：
一种高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元，包括MPC555集成芯片、模拟接口电路、高速接口电路、功率接口电路、通信模块、信号接口、电源接口，并集成了基于高压共轨燃油喷射电子控制软件；其为两块PCB板双层结构，一块PCB板是MPC555核心控制板，另一块是驱动及扩展电路板，MPC555核心控制板位于驱动及扩展电路板上方；
其中，模拟接口电路与压力、温度、负荷传感器电连接，对应管脚为：机油压力：AN0，进气压力：AN1，机油温度：AN2，进气温度：AN3，冷却水温：AN48，排气温度：AN49，共轨压力：AN50，负载：AN51；
18通道模块I/O系统与机油泵、起动电机、冷却风扇电连接，对应管脚为：机油泵：MPIO0，起动电机：MPIO1，冷却风扇：MPIO2；
高速接口电路与转速、上止点位置传感器电连接，对应管脚为：转速：ATPU0，上止点：ATPU1；
功率接口电路与共轨压力控制器、高能点火控制器、一缸、二缸喷射控制器电连接，对应管脚为：共轨压力控制：ATPU2，高能点火控制：ATPU3，一缸预喷射控制：BTPU0，一缸主喷射控制：BTPU1，二缸预喷射控制：BTPU2，二缸主喷射控制：BTPU3；
MPC555集成芯片集成了双路CAN2.0B控制器模块，将一个收发器与TouchCAN模块相连，提供了高速通讯和串口通讯方式，对应管脚为：CAN：CNTX0，CNRX0；COM：TXD1，RXD1。
所述的电子控制单元，其所述电子控制软件，是基于一个满足汽车电子OSEK标准的嵌入式多任务实时操作系统-OsekWorks。
所述的电子控制单元，其使用Shadow进行起动控制，并使用开发环境中集成的visionClick对Shadow进行单独烧录，使得程序入口地址为0x100。
所述的电子控制单元，其所述两块PCB板，为8cm×8cm的两块双层PCB板。
所述的电子控制单元，其所述收发器，为HILIPS公司的PCA82C250收发器， 其传输速率为1Mbps。
本实用新型的高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元，集高压共轨燃油喷射控制、高能火花塞电子点火、全陶瓷电热塞热面点火、发动机实时数据采集及发动机监控保护、故障诊断、通讯等于一体，是能适应具有压燃与点燃式内燃机的双重特点的柴油转子发动机工作原理需要的多任务实时控制系统。
本实用新型的主要特征在于：
1、电子控制单元硬件系统在未进行任何系统资源扩展的情况下，完全采用基于32位RISC结构的MPC555芯片的最小系统来实现；
2、软件系统的实现则基于一个满足汽车电子OSEK标准的嵌入式多任务实时操作系统-OsekWorks；
3、电子控制单元针对柴油转子发动机独特的工作原理，进行了基于高压共轨燃油喷射电子控制的专用电路及软件多任务设计；
4、为适应柴油转子发动机压燃及点火的双重特性，集成了基于高能火花塞的电子点火及全陶瓷电热塞热面点火的硬件电路及软件任务设计。本实用新型高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元，是针对柴油转子发动机的特殊工作原理及控制要求进行的开发，为高压共轨燃油喷射及高能点火技术在低压缩比柴油转子发动机上的应用提供了良好的技术平台。
附图说明
图1：高压共轨式柴油转子机电控单元硬件功能框图；
图2A、图2B：基于MPC555的电子控制单元最小系统核心板电路原理图，其中：图2A为电路原理图上半部，图2B为电路原理图下半部；
图3：基于Oseckworks实时操作系统的电子控制单元软件开发系统；
图4：基于核心控制板及驱动板两层结构的电子控制单元实现结构；
图4-A为MPC555核心控制板；
图4-B为驱动及扩展电路板。
具体实施方式
本实用新型围绕配备有现代高压共轨燃油喷射系统及电子点火或热面点火的柴油化转子发动机综合电控技术的需要所开发的电子控制单元。硬件系统：
MPC555卓越的片内集成功能使得依靠单片MPC555内部资源即可以进行电子控制单元ECU最小系统设计，完全满足柴油转子发动机电控的需求。图1给出了基于MPC555的ECU最小系统结构框图。图2给出了基于MPC555的ECU最小系统核心板的电路原理图，具体实现描述如下：
ECU的存储器：
由于控制器本身片内集成448Kbyte Flash模块及26KB SRAM模块，其大小可以满足针对发动机引擎控制及试验平台通讯等的程序及数据存储需求，因此不需进行系统存储器扩展；
数字及模拟信号采集：
电控系统中常规信号，如压力信号，温度信号，负荷等传感器的输出都是模拟信号，通过信号处理电路可以直接进入集成QADC模块，将其转换成数字量。由于MPC555内部集成了多达32路的10位高速AD，可以满足ECU控制中的各种模拟量采集要求，不需进行AD的扩展；
如图1，2所示，设计的对应管脚分别为：
机油压力：AN0
进气压力：AN1
机油温度：AN2
进气温度：AN3
冷却水温：AN48
排气温度：AN49
共轨压力：AN50
负载：AN51
对于普通开关量的输入输出，18通道模块I/O系统MIOS(MPIO)可以基本满足需要；对于复杂环境控制需要更多I/O时，由于ECU设计采用最小系统，无需扩展存储器等，其24位地址总线及32位数据总线将空闲，可以作为通用I/O使用。如图1，2所示，设计的对应管脚分别为：
机油泵：MPIO0
起动电机：MPIO1
冷却风扇：MPIO2
通讯控制：
MPC555集成了双路CAN2.0B控制器模块，在ECU设计时只需增加一个收发器与TouchCAN模块相连，就可以完成高速通讯。本方案中采用PHILIPS公司的PCA82C250收发器，其传输速率高达1Mbps。
对于传输速率要求不高的地方，MPC555亦提供了串口通讯方式(COM)，可以通过QMSCM模块与监控PC进行通讯连接。如图1、图2A、图2B所示，设计的对应管脚分别为：
CAN：CNTX0，CNRX0；
COM：TXD1，RXD1；
燃油喷射及点火控制
燃油喷射控制是发动机控制中的核心功能。概括来讲，即在正确的时刻以适当的压力将燃油按照一定的规律喷入燃烧室，实现良好的燃烧。这就需要对发动机的实时转速及上止点位置进行精确检测，并实现对喷油器高速电磁阀的快速精确控制。时间处理单元(TPU)是一个智能化、半独立的微控制器，专门进行高分辨率的实时控制。由于它具有自己的执行单元(微引擎)、微代码程序ROM、数据存储器RAM及双定时基准，它不需要RCPU的干预既可以执行相应的控制功能。MPC555具有多达32路可独立工作的TPU通道，每个通道可与预分频器中的两个16位计数器中的任何一个同步，其分辨率最小可以到100ns，非常适合柴油发动机的多缸喷油控制等。
其在发动机电子控制中的应用包括：
转速采集及上止点位置检测：利用TPU缺少跳变检测的周期测量功能(PMM)和相位同步脉冲发射器功能(PSP)。
共轨压力控制：
利用TPU的脉宽调制功能(PWM)；
燃油喷射及点火控制：
利用相位同步脉冲发射器功能(PSP)及输出比较功能(OC)。
如图1，2所示，设计的对应管脚分别为：
转速：ATPU0
上止点：ATPU1
共轨压力控制ATPU2
高能点火控制：ATPU3
一缸预喷射控制：BTPU0
一缸主喷射控制：BTPU1
二缸预喷射控制：BTPU2
二缸主喷射控制：BTPU3
软件系统：
当前汽车电子、特别是发动机控制系统等功能的日益复杂，集成有嵌入式多任务实时操作系统(RTOS)的集成开发环境(IDE)已成为ECU开发的一个方向。本实用新型的ECU软件开发中引入了嵌入式集成开发环境Tornado for OsekWorks。它的核心是一个满足汽车电子OSEK标准的嵌入式实时操作系统-OsekWorks。
OsekWorks是一个基于静态优先级的抢占式实时操作系统，支持多任务(task)并行运行。由于其具有良好的实时性能及可靠性，已经广泛的应用于从防抱死刹车系统、引擎控制系统、到航空航天、星际探索等的关键任务中。其ECU软件开发系统如3图所示。
高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元最小系统的工作模式：
MPC555在上电或者复位后，微处理器首先读取复位配置字，复位配置字由3种启动工作模式决定：
(1)外部数据总线引脚DATA 0:31；
(2)默认内部Shadow(0x000000)；
(3)NVM寄存器值(CMFCFIG)；
表1给出了复位配置字的选择方法。ECU最小系统设计中，为了简化PCB设计，在满足功能要求的前提下，应避免引出更多的管脚(如24位地址总线、32位数据总线)，(MPC55为272管脚的BGA封装)。在本实用新型中选择第二种即使用Shadow进行起动控制，并使用开发环境中集成的visionClick对Shadow进行单独烧录，使得程序入口地址为0x100。它的实现使得仅MPC555最小系统在8cm×8cm的两块双层PCB板上的实现成为可能。
表一：复位配置字的选择
| RSTCONF | Has配置(HC) | 内部配置字 |
| 0 | x | 外部数据总线引脚DATA[0:31] |
| 0 | 1 | 内部Shadow(0x00000000) |
| 0 | 0 | 内部NVM寄存器(CMFCFIG) |
电子控制单元的结构实现：
由于本电子控制单元核心部分完全基于高性能的MPC555芯片，并采用了上述启动工作模式，使得该系统ECU可以在很紧凑的空间中实现(8cm×8cm的两块双层PCB板)。其中上层为MPC555核心控制板，下层为驱动及扩展电路板。图4表示了该型电子控制单元ECU基于功能相对独立的核心控制板及驱动板的两层实现结构；图4-A为MPC555核心控制板；图4-B为驱动及扩展电路板。
高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元的技术效果：
目前市场上及公开专利材料中未见针对转子发动机的电子控制单元，本实用新型采用高性能MPC555芯片最小硬件系统及实时操作系统Oseckwork软件系统实现了电子控制单元，并针对柴油转子发动机的特殊工作原理，设计了集高压共轨燃油喷射及电子点火、热面点火等功能于一体的柴油转子发动机专用电路及软件系统。通过某型号单缸、双缸柴油转子发动机台架配机试验证明，该电子控制单元较好的实现了发动机各种参数的采集、监控及基于高压共轨燃油喷射系统的喷油量、喷油正时、高能点火的等的集中控制，为高压共轨燃油喷射系统在该型号特种发动机中的成功应用提供了有力的技术保障。目前，在本实用新型电子控制单元的有效保障下，该型号主机的样机已经顺利通过了国家内燃机质量监督检验中心的鉴定。
Claims (5)
1.一种高压共轨式柴油转子发动机电子控制单元，包括MPC555集成芯片、模拟接口电路、高速接口电路、功率接口电路、通信模块、信号接口、电源接口，并集成了基于高压共轨燃油喷射电子控制软件；其特征在于：
为两块PCB板双层结构，一块PCB板是MPC555核心控制板，另一块是驱动及扩展电路板，MPC555核心控制板位于驱动及扩展电路板上方；
其中，模拟接口电路与压力、温度、负荷传感器电连接，对应管脚为：机油压力：AN0，进气压力：AN1，机油温度：AN2，进气温度：AN3，冷却水温：AN48，排气温度：AN49，共轨压力：AN50，负载：AN51；
18通道模块I/O系统与机油泵、起动电机、冷却风扇电连接，对应管脚为：机油泵：MPIO0，起动电机：MPIO1，冷却风扇：MPIO2；
高速接口电路与转速、上止点位置传感器电连接，对应管脚为：转速：ATPU0，上止点：ATPU1；
功率接口电路与共轨压力控制器、高能点火控制器、一缸、二缸喷射控制器电连接，对应管脚为：共轨压力控制：ATPU2，高能点火控制：ATPU3，一缸预喷射控制：BTPU0，一缸主喷射控制：BTPU1，二缸预喷射控制：BTPU2，二缸主喷射控制：BTPU3；
MPC555集成芯片集成了双路CAN2.0B控制器模块，将一个收发器与TouchCAN模块相连，提供了高速通讯和串口通讯方式，对应管脚为：CAN：CNTX0，CNRX0；COM：TXD1，RXD1。
2、如权利要求1所述的电子控制单元，其特征在于：所述电子控制软件，是基于一个满足汽车电子OSEK标准的嵌入式多任务实时操作系统-OsekWorks。
3、如权利要求1所述的电子控制单元，其特征在于：使用Shadow进行起动控制，并使用开发环境中集成的visionClick对Shadow进行单独烧录，使得程序入口地址为0x100。
4、如权利要求1所述的电子控制单元，其特征在于：所述两块PCB板，为8cm×8cm的两块双层PCB板。
5、如权利要求1所述的电子控制单元，其特征在于：所述收发器，为HILIPS公司的PCA82C250收发器，其传输速率为1Mbps。
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