專利名稱：一種車用柴油機(jī)電磁式高壓共軌噴射系統(tǒng)電子控制單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電控柴油機(jī)電子控制技術(shù)領(lǐng)域，主要是應(yīng)用于高壓共軌噴射技術(shù)的電控柴 油機(jī)上。
背景技術(shù)：
隨著排放法規(guī)日趨嚴(yán)格和能源短缺問題越來越嚴(yán)重，以及人們生活質(zhì)量的不斷提高， 對汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性、安全性、舒適性等方面的要求越來越高。柴油機(jī)以其 良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和可靠性而成為各類車輛的主要?jiǎng)恿Γ裼蜋C(jī)的釆用率越來越高。 從世界范圍看，汽車柴油化已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。柴油機(jī)電子控制管理技術(shù)是影響柴油 機(jī)綜合性能的重要部分，廣泛應(yīng)用電子控制燃料噴射系統(tǒng)是一個(gè)必然趨勢，國外發(fā)達(dá)國家 車用柴油機(jī)電控化率已達(dá)到60%以上。我國目前車用柴油機(jī)應(yīng)用電子控制還處于初級研究 階段。由于我國柴油機(jī)電控技術(shù)研究起歩晚、投入少、基礎(chǔ)較差，在一定程度上制約了我 國柴油機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。隨著柴油機(jī)歐3排放法規(guī)的實(shí)施，柴油機(jī)燃燒好壞直接影響排 放指標(biāo)，電控高壓噴射是改善燃燒最有效的手段之一，也是柴油機(jī)電控技術(shù)中的核心。在 引入高壓共軌系統(tǒng)后，噴射參數(shù)和噴射次數(shù)以及噴油規(guī)律可以靈活控制，電控系統(tǒng)要處理 越來越多的信息，根據(jù)不同的工作條件、環(huán)境因素、排放要求、附件使用情況等來進(jìn)行一 次或多次噴射，并且控制其他相應(yīng)的部件工作。因此，電控系統(tǒng)的控制自由度和復(fù)雜性不 斷地加大，對高壓共軌柴油機(jī)電控單元的多因數(shù)協(xié)調(diào)控制提出更高要求，因此開發(fā)高性能 的電子控制單元尤為迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是填補(bǔ)了國內(nèi)高壓噴射柴油機(jī)高性能電控單元的空白，為提高柴油機(jī)綜 合性能提供保障。它是根據(jù)高壓共軌柴油機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和組成及其對ECU的設(shè)計(jì)提出的獨(dú) 特要求，提供一種適用于高壓共軌柴油機(jī)的電子控制單元，在所提供的電子控制單元硬件 的數(shù)字內(nèi)核上，其微控制器芯片處理和存儲能力能夠滿足更復(fù)雜和精確的控制；在ECU硬 件的輸入和輸出接口上，具有豐富而實(shí)用的輸入和輸出端口；在ECU硬件的通訊接口上， 具備很強(qiáng)的電磁兼容性品質(zhì)，能滿足電磁環(huán)境更為復(fù)雜和惡劣的電動(dòng)汽車車載控制現(xiàn)場。 此外，ECU的軟件平臺需要配合ECU硬件工作，在軟件平臺結(jié)構(gòu)上適合調(diào)試和升級軟件。從而達(dá)到控制要求。
本控制單元的硬件由輸入模塊、微控制器模塊、輸出模塊和通信模塊4部分組成。
輸入模塊包括脈寬調(diào)理電路和模擬量輸入調(diào)理電路。輸入部分主要是信號處理電路， 作用是把外圍傳感器電路的輸出信號轉(zhuǎn)化成核心處理器能夠識別的信號。
微控制器模塊由MPC5534為核心的單片機(jī)組成，具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)計(jì)算處理能力，支持 復(fù)雜的算法，片內(nèi)資源豐富，內(nèi)部帶64k的快速靜態(tài)內(nèi)存，1M字節(jié)的Flash,特別是智能 化增強(qiáng)型定時(shí)處理單元TPU可進(jìn)行32個(gè)通道的實(shí)時(shí)任務(wù)能夠滿足柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行 預(yù)噴射，采用多路TPU組合激勵(lì)噴射脈沖來實(shí)現(xiàn)多次噴射，實(shí)現(xiàn)靈活的噴油規(guī)律的要求， 另外TPU還可以進(jìn)行相位判缸，精簡軟件程序，滿足控制和標(biāo)定的需求。
輸出模塊主要是電磁閥和電磁噴油器的驅(qū)動(dòng)電路組成的，其中電磁噴油器的控制電路 是采用高壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用電容升壓，將12V電壓升高到100V來驅(qū)動(dòng)電磁噴油器，從而實(shí) 現(xiàn)噴油器高速電磁閥快速開啟性能。將CPLD閉環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用于高壓噴射驅(qū)動(dòng)開發(fā)，降 低了功耗；采用模塊化散熱設(shè)計(jì)技術(shù)，減小了電路板體積，增強(qiáng)了抗干擾能力，解決了高 壓噴射控制電路發(fā)熱問題。
通訊模塊主要包括FlexCAN和eSCI串行通信接口電路。CAN的收發(fā)器選擇的是 TJA1050，它是一種高速的CAN收發(fā)器，電控單元(ECU)的微控制器直接與CAN的收發(fā)器 連接。它的供電電壓范圍為4. 75V 5.25V。串口通信的接口電路的選用Motorola公司的 MC33290實(shí)現(xiàn)種電平轉(zhuǎn)換，直接和電控單元(ECU)的微控制器的SCI模塊連接就可以。


圖1為高壓共軌電控噴油系統(tǒng)電控單元結(jié)構(gòu)，
圖2為電磁噴油器驅(qū)動(dòng)電路，
圖3為噴油器高速電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流曲線。
具體實(shí)施例方式
電控單元硬件結(jié)構(gòu)如附圖l所示。系統(tǒng)硬件由輸入模塊、微控制器模塊、輸出模塊和 通信模塊4部分組成。輸入模塊包括數(shù)字量輸入和模擬量輸入，由信號處理電路組成；微 控制器模塊由MPC5534為核心的單片機(jī)和外圍電路組成；輸出模塊是高壓共軌壓力控制閥 和噴油器電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路；通訊模塊主要包括FlexCAN和eSCI串行通信接口電路。
輸入模塊包括脈寬調(diào)理電路和模擬量輸入調(diào)理電路。輸入部分主要是信號處理電路， 作用是把外圍傳感器電路的輸出信號轉(zhuǎn)化成核心處理器能夠識別的信號。在柴油機(jī)高壓共 軌控制系統(tǒng)中，主要的輸入傳感器信號有曲軸信號、凸輪信號、進(jìn)氣溫度壓力、燃油溫度、冷卻水溫、油門位置、怠速開關(guān)、共軌壓力等。這些傳感器的信號是不能被微控制器直接 識別，所以需要經(jīng)過電路的調(diào)理，轉(zhuǎn)化微控制器所能識別的數(shù)字信號。
微控制器模塊由MPC5534為核心的單片機(jī)組成，MPC5534是飛思卡爾公司 MPC5500PowerPC系列高性能32位微處理器，與MPC55XX系列其它微處理器兼容，具有強(qiáng) 大的浮點(diǎn)計(jì)算處理能力，支持復(fù)雜的算法，片內(nèi)資源豐富，內(nèi)部帶64k的快速靜態(tài)內(nèi)存，1M 字節(jié)的Flash，特別是智能化增強(qiáng)型定時(shí)處理單元TPU可進(jìn)行32個(gè)通道的實(shí)時(shí)任務(wù)能夠滿 足柴油機(jī)高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)噴射，采用多路TPU組合激勵(lì)噴射脈沖來實(shí)現(xiàn)多次噴射，實(shí) 現(xiàn)靈活的噴油規(guī)律的要求，另外TPU還可以進(jìn)行相位判缸，精簡軟件程序，滿足控制和標(biāo) 定的需求。
輸出模塊主要是電磁閥和電磁噴油器的驅(qū)動(dòng)電路組成的，并且通用I/O接口擴(kuò)展出 22開關(guān)的信號，14路繼電器控制，具有電機(jī)控制功能，EGR控制等功能，可適用廣6缸柴 油機(jī)控制項(xiàng)目的需求。
本發(fā)明中電磁噴油器的控制電路是采用高壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用電容升壓，將12V電壓升 高到100V來驅(qū)動(dòng)電磁噴油器，從而實(shí)現(xiàn)噴油器高速電磁閥快速開啟性能。附2所示為 針對六缸柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU驅(qū)動(dòng)噴油器電路的一部分，此電路可以直接驅(qū)動(dòng)三 個(gè)噴油器。其中VBAT為車載電瓶電壓；VHIGH為ECU內(nèi)部升壓電路電壓，儲存在一個(gè)高壓 儲能電容中(根據(jù)噴油器特性，其電壓范圍在40伏到150伏之間)；Ql， Q2， Q3， Q4， Q5 皆為N型；Dl， D2， D3， D4， D5皆為二極管；Rl， R2為功率電阻，用于電流取樣。
整個(gè)噴油器的驅(qū)動(dòng)分為5個(gè)階段
第一階段Q2打開。Q3， Q4， Q5選擇性打開(Q3， Q4， Q5選擇性打開是指如果 要使噴油器l噴油，則打開Q3，噴油器2噴油，則打開Q4，噴油器3噴油，則打開Q5。 以下皆同)。由于Q2打開，采用高壓供電，噴油器的電流迅速上升。CPLD利用R2取樣電 阻得到的電流值監(jiān)控噴油器電流，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的噴油器開啟電流值時(shí)，關(guān)閉Q2。進(jìn)入下一 階段的控制。
第二階段Ql采用P麵控制。Q3， Q4， Q5選擇性打開。Ql的P麗波由CPLD的內(nèi)部 分頻電路和R2取樣電阻得到的電流值決定?？刂茋娪推麟娏髦捣€(wěn)定在預(yù)設(shè)的開啟電流值。 保證噴油器的快速開啟。然后進(jìn)入下一階段。
第三階段Ql打開，Q3、 Q4、 Q5關(guān)閉。由于噴油器是電磁式的，具有一定的電感， 所以噴油器的電流不能突變。在上一階段中，噴油器中已經(jīng)有一個(gè)較大電流，所以噴油器 中還儲存有較多的能量。這一階段的控制可以將噴油器中的能量通過二極管D3、 D4、 D5 回收到高壓儲能電容中。CPLD利用Rl取樣電阻得到的噴油器電流值監(jiān)控噴油器電流，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的保持電流值時(shí)，Q3、 Q4、 Q5選擇性開啟。進(jìn)入下一階段。
第四階段Ql采用P麗控制。Q3、 Q4、 Q5選擇性打開。Ql的P麗波由CPLD的內(nèi)部 分頻電路和R2取樣電阻得到的電流值決定?？刂茋娪推麟娏髦捣€(wěn)定在預(yù)設(shè)的保持電流值。 保證噴油器的持續(xù)開啟。然后進(jìn)入下一階段。
第五階段Ql、 Q2、 Q3、 Q4、 Q5全部關(guān)閉。噴油器里儲存的能量通過二極管D3、 D4、 D5回收到高壓儲能電容中。達(dá)到能量回收和電流快速下降從而噴油器快速關(guān)閉的目的。最 終噴油器電流波形如附圖3所示。
電控單元的輸出模塊的驅(qū)動(dòng)電路是基于CPLD的噴油器電流閉環(huán)控制技術(shù)和噴油規(guī)程 內(nèi)部診斷，CPLD在控制驅(qū)動(dòng)噴油器的過程中，運(yùn)用了一個(gè)定時(shí)器在計(jì)量噴油的時(shí)間。從而 實(shí)現(xiàn)噴油時(shí)間過長或噴油錯(cuò)誤的故障診斷，并產(chǎn)生一個(gè)故障代碼。將CPLD閉環(huán)控制技術(shù) 應(yīng)用于高壓噴射驅(qū)動(dòng)開發(fā)，降低了功耗；采用模塊化散熱設(shè)計(jì)技術(shù)，減小了電路板體積， 增強(qiáng)了抗干擾能力，解決了高壓噴射控制電路發(fā)熱問題。
ECU的通訊模塊主要包括FlexCAN和eSCI串行通信接口電路。CAN的收發(fā)器選擇的是 TJA1050，它是一種高速的CAN收發(fā)器，電控單元(ECU)的微控制器直接與CAN的收發(fā)器 連接。它的供電電壓范圍為4. 75V 5. 25V,溫度范圍是-40° 125° 。串口通信的接口電 路的選用Motorola公司的MC33290實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，直接和電控單元(ECU)的微控制器的 SCI模塊連接就可以，工作溫度范圍是-40° 125° 。
本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上采用印刷電路板PCB，即采用六層面板工藝。在元件布局上盡可能的 將相關(guān)的元件放在一起，同時(shí)較多的考慮了模塊的分區(qū)布置；在地線及電源線的布置上較 多的考慮了抗干擾的措施；對于模擬信號，將其放在板上離干擾源較遠(yuǎn)的地方；且其地線 單獨(dú)布置并在電源處一點(diǎn)接地。對于晶振之類高頻元件其走線盡可能的短，并用地線屏蔽。 在ECU電路板的周圍設(shè)計(jì)一個(gè)導(dǎo)電的環(huán)路帶，該環(huán)路帶通過一個(gè)壓敏電阻在電源入口處單 點(diǎn)接地。當(dāng)扣上ECU殼體時(shí)，該環(huán)路帶與ECU殼體良好接觸，從而形成一個(gè)良好的屏蔽體， 提高EMC能力。本電控單元ECU電路板外層鍍錫環(huán)路與ECU殼體形成靜電瀉荷通道，提高 EMC能力。
權(quán)利要求
1.一種采用電磁式噴油器的柴油機(jī)高壓共軌電控單元，采用的高性能MPC5534作為微處理器，MPC5534為32位ALE技術(shù)的CPU，主頻達(dá)80MHZ，具有32通道一路增強(qiáng)型TUP功能；擴(kuò)展512KRAM，滿足控制和標(biāo)定的需求。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l，該電控單元具有強(qiáng)大的集成功能，22開關(guān)信號，14路繼電器控制，具有電機(jī)控制功能，EGR控制等功能，適用1 6缸柴油機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l，該電控單元采用雙側(cè)模塊化散熱技術(shù)，優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)，分三塊散熱，減小體積。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1，該電控單元基于CPLD的噴油器電流閉環(huán)控制技術(shù)和噴油規(guī)程內(nèi)部診斷。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l，該電控單元ECU電路板外層鍍錫環(huán)路與ECU殼體形成靜電瀉荷通道，提高EMC能力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于車用柴油機(jī)電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的電子控制單元，主要應(yīng)用于柴油機(jī)高共軌系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)噴油量、噴油壓力、噴油定時(shí)、噴油規(guī)律等的精確控制。電控單元輸入模塊包括數(shù)字量輸入和模擬量輸入，由信號處理電路組成；微控制器模塊采用ALE技術(shù)的MPC5534作為微處理器；輸出模塊是高壓共軌壓力控制閥和噴油器電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路，采用250伏高壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速開啟性能；采用TPU多路組合控制噴射；應(yīng)用CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓和電流雙閉環(huán)控制，采用電感實(shí)現(xiàn)能量的儲存和回收，減少驅(qū)動(dòng)能量的消耗；通訊模塊主要包括CAN和SCI串行通信接口電路。模塊化散熱技術(shù)減小ECU電路板的體積，以及EMC電路設(shè)計(jì)技術(shù)。
文檔編號F02D41/40GK101684757SQ20081016691
公開日2010年3月31日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者張幽彤, 黃國鈞 申請人:北京耀佳汽車電子技術(shù)有限公司