基于PowerPC车用电控单元的设计及实现

　　随着对柴油机的动力性、经济性、排放和噪声要求的日益提高，特别是国内、外都对汽车用柴油机制定了日益严格的排放法规，使电控技术在汽车领域得到广泛应用。燃油喷射系统是柴油机电控的部分，对喷油量、喷油率和喷油定时的控制直接影响到柴油机性能和排放。而电控单元的选择直接决定系统的可靠性。
　　PowerPC是Freescale公司目前生产的单片机中一款32位产品，由于其强大的功能和优越的性能，被广泛应用在汽车电控领域。其中MPC56x系列是车用单片机目前国际上的32位机系列。MPC563的结构及功能：可集成1片512KB的Flash，用于存储车用ECU的控制参数MAP图；提供2个时间处理器TPU(多具有48个TPU通道)，可以同时控制16缸柴油机各缸的喷油动作；中断资源可扩展到48个；A/D通道32个；通用I/O口更可扩展到上百个；提供了3个高速CAN模块和1个同步、异步队列方式的串行通信模块；66MHz的主频、32/64位处理字长、RISC指令系统和流水线执行功能使其可以与工业控制计算机一较高低。基于该芯片强大功能建立的产品UECU32硬件系统其结构紧凑，资源丰富，可以提供发动机控制、车身控制和ABS控制等汽车电子控制功能。

　　1  硬件实现

　　1.1 UECU32简介

　　UECU32是江奎集团有限公司汽车电子产业部研制的一款多功能电子控制单元，它普遍应用于汽车产业中，为发动机等设备匹配电子控制系统。UECU32以摩托罗拉32位微控制器PowerPC 563为内核，具有强大的接口和软件支持能力；该产品成功地解决了诸如柴油机高压共轨喷油器、泵喷嘴及单体泵等高速电磁铁大电流脉冲驱动的难题，具有丰富的大电流驱动组合功能；可以提供用于12缸及12缸以下压燃式发动机或6缸及6缸以下点燃式发动机的、达到欧洲3号排放标准电控单元的高性能、低成本解决方案，也可用于双燃料及特殊用途发动机的电控解决方案；还可以提供车身控制和ABS控制等其他车用控制功能。UECU32的硬件内部结构和外观如图1所示。

　　UECU32功能：具有14路开关量输入检测，可实现对有源、无源传感器的信号捕捉。其中7路具有预处理能力，可以实现信号的捕捉、定时和中断；12路模拟信号输入，10位；1组步进电机驱动，单相1A的驱动能力，提供诊断功能；4路整形输入，可触发中断，具有其他预处理能力，提供诊断功能；2路氧传感器信号输入；2路爆震传感器信号输入，提供诊断功能；4路0.6A低位开关驱动；2路86V，峰值能量8焦耳，能量恢复时间约4.5ms，可支持高达110A峰值电流输出；1路电系电压高位开关PWM控制，支持0～28A持续电流和100A峰值电流输出；18路低位开关，支持28A连续电流和110A峰值电流，提供短路、开路诊断功能及短路保护功能；高达6路汽油发动机点火高压电流输出；12V净化电压输出，可提供2A电流；5V电压输出，可提供100ms电流；1个RS232接口，1个CAN总线接口（可根据用户需要扩展），1个BDM接口；电源电压：9～32V，适用于12V和24V车用电系。

    UECU32是可二次快速原型开发的高性能电控单元,其功能涵盖了主要的车用电控单元,特别是集成了压燃式发动机、点燃式发动机、多燃料发动机等系统控制的各种输入、输出功能,并且为汽车电子控制的研究提供了一种有效的平台。在一台配有高压共轨燃油喷射系统的6106型柴油机上进行了控制试验,试验结果验证了基于UECU32的控制系统的可行性。

　　1.2 车用柴油机电控系统的发展

　　与现代汽车汽油机电控技术的发展背景一样，即面对无法回避的局部和性的环境和能源问题，现代汽车柴油机不得不采用和发展电子控制系统，以便保持汽车柴油机的可持续发展，更充分发挥柴油机固有的优点（低油耗和低CO2排放）。在保持柴油机卓越的燃油经济性的同时，要想满足越来越严格的排放法规，除了降低润滑油消耗、优化涡轮增压技术和使用先进的废气后处理系统外，主要还需进一步改善柴油机的燃烧过程。而喷油系统性能是影响柴油机燃烧过程的关键环节，利用微机电控技术改进燃烧过程应用了很多新技术，有的新技术虽然与电控技术没有直接的关联，但由于改善了整机性能，仍然与电控技术有间接的联系。

　　一种新型的电控共轨式燃油喷射系统问世，抛弃了传统的脉冲高压供油原理，采用“时间-压力控制”式燃油计量原理，通过对公共油轨中油压的连续控制和各缸喷油过程的电磁阀控制相结合的方式实现对循环供（喷）油量的控制，才使柴油机的电控燃油喷射技术进入了一个新的发展阶段。

　　1.3 驱动方式及控制对象

　　在驱动单体泵电磁阀时，用86V高压快速提升电磁阀电流后，采用24V电压的PWM控制电磁阀电流稳定在5A，并保持到喷油脉冲结束。电磁阀启动信号及电流响应如图2所示。由图可知这种驱动方式能够保证快速启动和关断电磁阀。

　　控制对象为一台8缸增压中冷柴油机，缸径行程130mm×150mm，排量16l，原机在额定转速为1 800rpm下输出功率为571kW，全负荷油耗212g/kW·h。燃油喷射系统采用的是电控单体泵系统。

　　2  软件实现

　　凸轮信号标记8缸柴油机的1号缸发火时刻，2次凸轮信号之间即为1个发动机工作循环，同时产生72个曲轴信号。根据这2个信号来计算转速并对喷油进行定时，如图3所示。发动机体上还安装有水温传感器、涡后排温传感器和爆震传感器。控制装置采用的电位器为油门信号传感器，按照油门电位信号和当前喷油宽度信号计算得到目标转速，并按照全程式调速策略进行喷油量的PID控制。采用VC界面并通过串行通信口实现控制信号的实时采集显示，同时将数据保存。

　　2.1 转速信号的处理

　　转速信号经过硬件滤波、整形后输入PowerPC。PowerPC的TPU可以去除窄脉冲，进一步滤除信号中的干扰。
　　系统曲轴转速的值为2 400rpm，曲轴信号齿数Z=36，周期为694.4μs，曲轴信号整形后近似于占空比50%的方波，即脉冲宽度为347.2μs。脉宽小于6.4μs（是脉冲宽度的1/54）被视为干扰，尽管该滤波方法可引起6.4μs的信号滞后，但按照转速计算，其对应的曲轴角度也只有0.09°，在系统允许误差范围内，而且随着转速的降低，该值引起的角度滞后更低。因此瞬时转速的计算采用曲轴信号相邻齿间隔的TPU时钟计数m进行计量，发动机每转产生的曲轴信号数目为Z，基准频率为fTPU。则计算公式为：

　　等式右边第1项为角度误差(主要有加工误差和扭振误差，与ECU的选择无关这里不予讨论)；第2项为量化误差；第3项为触发误差，由于硬件采用的零交整形，该项为零。因为每个脉冲均有同样的滞后，因此前面所述的窄脉冲软件滤波引起的滞后不影响转速计算。

　　2.2 喷油定时的实现

　　利用PowerPC强大的时间处理(TPU)能力，可以提供复杂的输出波形组合，若配合硬件理论上可以输出任意组合的驱动波形，从而控制驱动电路驱动喷油器等执行器。利用TPU的这种功能，实际上可以将喷油定时与喷油定量结合起来实现。方法是：当曲轴转角位置到达喷油始点后，启动TPU的排队比较输出功能(QOM)，TPU会根据自己的RAM中的喷油定时微调量和喷油宽度值输出喷油信号(见图3)，再结合硬件就可以实现图2中的电磁阀驱动电流。

　　2.3 软件结构

　　软件采用外部中断响应转速信号、重要任务定时调度和一般任务在主循环中执行的策略，对所有传感器和执行器都进行故障诊断，利用串口和CAN进行通信。其中串口用来实现上位机的实时显示，每100ms更新1次，波特率为57 600bps。使用自己编写的协议对内部参数（如PI参数）进行修改，对实时数据进行显示和保存。本软件也采用了实时操作系统任务调度的思想，其软件结构如图4所示[1]。

　　3  试验结果

　　车用柴油机冷启动过程是一个涉及化学反应、传热、流体流动的复杂过程，具有多变了、非线性、和不确定性，故偏离正常工作的异常状况时常发生。良好的异常状况智能诊断系统能通过大量的运行状态信息对其进行实时车用柴油机冷启动过程异常状态诊断及报警，有利于操作人员及时做出相应的调整措施来提高车用柴油机冷启动过程运行的可靠性和安全性。

　　柴油机的冷启动稳定性主要受控制策略的影响[2]，但硬件系统的可靠性也是重要影响因素。本文转速控制采用闭环PI控制，控制周期与发火间隔相同，冷启动效果如图5所示。可见发动机启动迅速，怠速平稳。分析表明，瞬时转速和循环平均转速仅差2rpm，转差率只有0.6%。试验表明，即使是在负荷情况下稳态转差率也不超过2%。

　　原机是发电用柴油机，工作时转速恒定。为了将其改做车用，需要确定其动力特性。另外本文以燃油经济性为目标，拟作出其喷油提前角的MAP图。但是由于每个工况点的提前角试验的工作量大，且不同外界环境下需要改变，因此本文采用的是其原机额定功率点的提前角。根据涡后排气温度为530°的限制，在每个转速上都作出扭矩值，做出了一条类似于机械调速柴油机的外特性曲线，如图6所示。
图中从上到下依次为扭矩、功率和油耗。该曲线表明在UECU32控制下的柴油机能够实现的动力性能，曲线已经符合车用性能要求。

　　4 发动机燃油喷射系统常见的故障

　　（1）启动困难。首先检查启动加浓喷嘴是否工作，引线插头是否松脱，启动加浓阀是否卡死。

　　（2）发动机通过拖车可以顺利发动，但用起动机驱动却不能启动着火。出现这种情况，可先按上述“启动困难”一项进行检查，若均无问题，则应检查气温传感器和热控开关，若仍不能启动，则检查电动输油泵控制电路及输油管路。若因电动输油泵供油较迟所致，可调整杠杆的角度予以解决。

　　（3）发动机失速。首先检查辅助空气装置是否工作不良。冷车时，阀门孔应与辅助气道相通；热车时，则应在弹簧作用下关闭。若此装置无问题，再检查电子计算机控制单元输入输出插件是否工作不良，启动加浓阀能否在热车时关闭，再检查温度传感器是否工作正常。

　　（4）发动机怠速粗暴或喘振。应先检查各喷油阀的电路连接是否良好，然后检查每一喷油阀的吸铁线圈是否能正常工作。接着检查喷油阀是否能触发，处理太靠近高压线的控制信号线。检查各进气软胶管接头及真空软管有无破损与漏气处，若有则应予以密封。

　　（5）高速性能差。在大开节流阀时，检查节流阀开关位置是否合适对中（打开壳盖），再用压力表接在供油管道上测试供油压力（该压力应为1471kPa）。过低时，应更换汽油压力调节器。如压力正常，再检查啧油嘴触发系统功能是否失调，检查各传感器并清查导线与插接件，若传感器有问题则应予更换。

　　（6）耗油量过大。遇到这一问题时，应先检查各真空胶管是否有泄漏，再检查气温传感器是否失效或接头是否短路，测试装在气流传感器上的气温传感器的电阻，如不符合规定，则应予以更换。如果是接头短路，则应清理或更换。，再检查启动加浓阀能否关闭，若有问题，应予排除。

　　5 结束语

　　本文介绍了一种基于32位微处理器PowerPC的车用多功能电子控制单元UECU32。利用PowerPC集成的时间处理单元(TPU)模块提供的各种函数功能实现了发动机燃油喷射系统的控制，并实现了一台8缸增压中冷单体泵柴油机从原机发电特性到车用特性的转变。验证了系统软硬件的有效性。该产品是完全自主开发的国产汽车电控单元，其功能已经符合车用要求，为我国汽车工业技术的自主知识产权做出了贡献。

  

参考文献:

[1]. MPC563 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MPC563_1032381.html.
[2]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. 100A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/100A_1747963.html.
[4]. RS232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.
[5]. 150mm datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/150mm_2510809.html.