專利名稱：一種車用柴油機(jī)壓電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，即應(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)越來越嚴(yán)格，能源越來越緊張，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?，柴油機(jī)的采用率越來越高。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)研究起步晚、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，因此壓電式噴油系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生， 急需開發(fā)一款壓電式高性能的電子控制單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是填補(bǔ)了國內(nèi)壓電式高壓噴射柴油機(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。操作溫度范圍是-40° 125° 。串口通信的接 口電路的選用Motorola公司的MC33290。 MC33290是一種電平轉(zhuǎn)換電路，直接和電控單元 (ECU)的微控制器的SCI模塊連接就可以。操作溫度范圍是-40° 125° 。


圖1為高壓共軌電控噴油系統(tǒng)電控單元結(jié)構(gòu)， 圖2為壓電噴油器的驅(qū)動(dòng)電路，
圖3為壓電噴油器的驅(qū)動(dòng)電流曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的電控單元硬件結(jié)構(gòu)如附圖1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CAN和SCI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(MPC5534)是摩托羅拉MPC500PowerPC系列精簡指令集32位微處理器，與 MPC5XX系列其它微處理器兼容；它采用鎖相環(huán)技術(shù)，用外部較低4MHz晶振頻率產(chǎn)生40MHz 頻率的時(shí)鐘，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26k 的快速靜態(tài)內(nèi)存，448k字節(jié)的Flash，集成了 8個(gè)模塊，其中隊(duì)列串行多信道模塊(QSMCM)， 雙CAN總線2. 0控制模塊(TouCAN)，雙重時(shí)間處理單元(TPU3)，模塊化I/O系統(tǒng)(MI0S1)， 32通道模擬輸入，雙隊(duì)列模數(shù)轉(zhuǎn)換器(QADC64)，滿足高壓共軌系統(tǒng)輸入?yún)?shù)多、控制對象 多、控制算法復(fù)雜，要求單片機(jī)的運(yùn)算能力及速度高的要求，特別是智能化定時(shí)處理單元 TPU3可進(jìn)行16個(gè)通道的實(shí)時(shí)任務(wù)能夠滿足高壓共軌系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)噴射，采用多路TPU組合 激勵(lì)噴射脈沖，便于實(shí)現(xiàn)多次噴射，可達(dá)5次噴射，實(shí)現(xiàn)靈活的噴油規(guī)律的要求。同時(shí) MPC5534采用的TPU來進(jìn)行相位判缸，精簡了軟件程序。
本發(fā)明采用高壓驅(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)高速電磁 閥，從而實(shí)現(xiàn)噴油器高速電磁閥快速開啟性能，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到峰值的時(shí)間〈0. lms，壓電噴 油驅(qū)動(dòng)采用250伏的高壓驅(qū)動(dòng)，由于車載電瓶電壓為12伏到42伏。所以采用DC-DC升壓 方式將電壓升到250伏，并將能量儲存在高壓儲能電容中。
附圖2所示為針對六缸柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)驅(qū)動(dòng)壓電噴油器的一部分， 此電路直接驅(qū)動(dòng)三個(gè)噴油器。電控單元壓電噴油器驅(qū)動(dòng)采用基于CPLD的通過壓電噴油器的 電流和壓電噴油器上電壓的全閉環(huán)控制策略。該壓電噴油器驅(qū)動(dòng)電路中，運(yùn)用一個(gè)功率電 感作為對壓電噴油器充電和放電的橋梁，以達(dá)到快速穩(wěn)定的充電和快速穩(wěn)定放電的目的， 并且還能通過該電感回收大部分能量。如附圖所示，其中VHIGH為高壓儲能電容的電壓， 電壓為250伏，Ql， Q2， Q3， Q4， Q5皆為N型功率M0S， Rl， R2為功率電阻，用于電流取 樣，電阻R3， R4用于檢測噴油器上的電壓。
整個(gè)噴油器的驅(qū)動(dòng)分為4個(gè)階段
第一階段Ql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1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)。此時(shí)高壓電容通過功率電感向噴油器中充電，由于初始時(shí)噴油器上的電壓為O，所 以流過功率電感的充電電流將迅速增大，為了防止電流過大引起的充電不穩(wěn)定，需要限制 充電電流的大小。本ECU采用梯形充電電流。由CPLD監(jiān)控通過取樣電阻R1的電流來檢測 充電電流，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)最大充電電流時(shí)，關(guān)閉Q1。然后進(jìn)入下一階段。
第二階段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Rl取樣電阻得到的電流值決定?？刂瞥潆婋娏鞣€(wěn)定在預(yù)設(shè)充電電流值，給壓電 噴油器快速充電。
第三階段Ql關(guān)閉，Q3， Q4， Q5關(guān)閉。由CPLD通過檢測R3， R4的分壓監(jiān)測噴油器 上的電壓。當(dāng)噴油器上的電壓達(dá)到所需要的噴油器良好開啟的電壓時(shí)，關(guān)閉Q1。為了減少 能量在R3， R4上的消耗，同時(shí)也關(guān)閉Q3， Q4， Q5。進(jìn)入下一階段。
第四階段Ql。 Q3， Q4， Q5關(guān)閉。Q2打開。此時(shí)儲存在噴油器中的能量轉(zhuǎn)移到功率 電感中，功率電感中的電流增大，電流方向與充電電流方向相反。由CPLD監(jiān)測功率電感上 的電流和R3， R4分壓所得的噴油器上電壓，當(dāng)電流達(dá)到所設(shè)定的最大電流時(shí)或噴油器電壓 低于某一設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉Q2。此時(shí)能量將通過Q1中的二極管回收到儲能電容中。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。最終壓電噴油器電流波形如附圖3所 示。
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。操作溫度范圍是_40° 125° 。串口通信選用 飛思卡爾公司的MC33290實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，直接和電控單元的微控制器的SCI模塊連接就可 以。操作溫度范圍是-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
1.一種采用壓電式噴油器的柴油機(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，該電控單元采用變壓器式升壓泵，提升12伏電壓到250伏到儲能電容中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l，該電控單元采用基于CPLD的噴油器電流和電壓雙全閉環(huán)控制技術(shù)， 達(dá)到靈活控制電壓，節(jié)省噴射能量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l,該電控單元采用噴油器驅(qū)動(dòng)采用電感儲存和回收能量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l，該電控單元集成2路電機(jī)和6路電磁閥驅(qū)動(dòng)，滿足后處理控制需求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于車用柴油機(jī)壓電式共軌系統(tǒng)電子控制單元，主要應(yīng)用于柴油機(jī)壓電噴油器的噴油量、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，主頻80MHz；輸出模塊是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。本發(fā)明可以滿足壓電式噴油器噴油定時(shí)、噴油規(guī)律等高精度的要求。
文檔編號F02D41/40GK101684758SQ20081016691
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)明者張興春, 張幽彤 申請人:北京耀佳汽車電子技術(shù)有限公司