基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器研究

1 引言

　　目前，我國生產(chǎn)的中高檔轎車的發(fā)動機雖然基本上都采用了燃油電噴技術(shù)，并對電噴系統(tǒng)的元器件已基本具備了配套研發(fā)能力和生產(chǎn)能力，但卻沒有電噴發(fā)動機自主知識產(chǎn)權(quán)，均屬于引進國外電噴發(fā)動機生產(chǎn)線或電噴系統(tǒng)。特別是作為核心部件的ECU（電控單元）卻被外商掌握，ECU中的噴油和點火MAP、控制算法和程序是完全保密的。同時，進口國別多、品種規(guī)格雜，一些企業(yè)缺乏選擇論證，引進的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，不少缺乏充分的匹配實驗。

　　本研究項目正是一個將人、車與環(huán)境作為綜合系統(tǒng)，對各種因素進行綜合協(xié)調(diào)，使汽車的控制性能趨于最優(yōu)的ECU。因此，具有較高的經(jīng)濟效益與社會效益，將促進工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)及嵌入式控制系統(tǒng)在汽車工業(yè)的應(yīng)用，使汽車更加智能化、人性化。

　　2 研究內(nèi)容

　　本項目研究的主要控制對象是燃油噴射和點火裝置。同時還具有一些相關(guān)的輔助控制功能。主要包括：

　?。?）智能燃油噴射控制IIC（Intelligent Injection Control），主要包括噴油量、噴射定時、燃油停供及油泵的控制。由于采用了智能設(shè)計，解決固定控制算法的不足，可有效的節(jié)約燃油，有助于整體性能的提高。

　　（2）進氣控制，主要包括動力閥和渦流閥控制，可有效改善和提高發(fā)動機的輸出扭矩和動力。

　?。?）增壓控制，ECU根據(jù)進氣壓力傳感器檢測的進氣壓力信號去控制釋壓電磁閥，以控制排氣通路切換閥，改變排氣通路的走向，從而控制廢氣渦輪增壓器進入工作或停止狀態(tài)。

　?。?）電子點火控制ESI（Electrical Spark Ignite），點火裝置的控制主要包括點火提前角控制、通電時間（閉合角）與恒流控制、爆震控制等方面。

　?。?）怠速控制ISC（Idle Speed Control），發(fā)動機在汽車運轉(zhuǎn)、空調(diào)壓縮機工作、變速器掛入檔位、發(fā)電機負荷加大等不同怠速運轉(zhuǎn)工況下，由ECU控制怠速控制閥，使發(fā)動機都能處在最佳怠速轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。

　　（6）排放控制，控制項目主要有：排氣再循環(huán)控制EGR（Exhaust Gas Recirculation Control）、氧傳感器及三元催化開環(huán)和閉環(huán)控制、二次空氣噴射控制、活性炭罐電磁閥控制等。

　?。?）警告與提示，ECU控制各種提示和警告裝置，顯示有關(guān)控制系統(tǒng)的工作狀況，若控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時發(fā)出警告信號。

　　（8）傳感器故障預(yù)診參考系統(tǒng)（失效保護），當主ECU檢測到傳感器或線路故障時，即會按主ECU預(yù)先程序提供的設(shè)定值，以便發(fā)動機仍能保持運轉(zhuǎn)，但性能將有所下降。

　?。?）主ECU故障備用冗余系統(tǒng)，當主ECU發(fā)生故障時，則會自動啟動備用冗余系統(tǒng)，使發(fā)動機轉(zhuǎn)入強制運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以便駕駛員將其開去修理。

　　3 電噴系統(tǒng)的組成

　　電噴系統(tǒng)除了一般化油器發(fā)動機都有的電源、沖電裝置、點火裝置及起動裝置外，還有電子燃料噴射控制裝置、怠速控制裝置、電控單元ECU及各種信號采集裝置（傳感器）。圖3-1所示就是一種電噴射系統(tǒng)的組成。

圖3-1 電噴系統(tǒng)的基本組成
1. 油箱；2.電控油泵；3.燃油濾清器；4.ECU；5.燃油噴射閥；6.燃油控制閥及油壓調(diào)節(jié)器；7.進氣歧管；8.冷啟動閥；9.節(jié)氣門位置傳感器；10.空氣傳感器；11.氧濃度傳感器；12.熱定時開關(guān)；13.水溫傳感器；14.點火分配器；15.怠速執(zhí)行器；16.電池；17.點火及啟動開關(guān)

　　可以把圖3-1所示的電噴系統(tǒng)分為執(zhí)行機構(gòu)、信號采集裝置、信號處理控制裝置三個部分，它們之間的相互關(guān)系如圖3-2所示。

圖3-2電噴系統(tǒng)各部分間關(guān)系

　　執(zhí)行機構(gòu)包括噴油器，點火線圈及火花塞、怠速器。采集的信號有：節(jié)氣門開度、進氣歧管內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)速、爆震信號、機體冷卻水溫、尾氣氧濃度、進氣溫度。ECU作為信號處理控制裝置，將信號經(jīng)過一系列的處理，轉(zhuǎn)化為可識別的值再經(jīng)過計算處理得到輸出執(zhí)行機構(gòu)的控制信號。

　　ECU的控制精準度除了要求采集的信號必須實時及準確外，執(zhí)行機構(gòu)的運動也要精確。而在ECU控制程序中采用一些的算法則不僅可以實現(xiàn)更高的控制精度，還可以補償一些由信號采集的非實時及執(zhí)行機構(gòu)運動精度不高帶來的誤差。

　　4 ECU

　　通過對電噴系統(tǒng)的組成分析，我們可明顯的ECU作為控制核心的重要地位。由于控制對象的時變性和非線性，采用ECU的發(fā)動機控制系統(tǒng)已向集中控制系統(tǒng)方向發(fā)展：在控制結(jié)構(gòu)上，以ECU為核心，通過CAN總線與I/O設(shè)備建立通信;在控制算法上，用模糊控制理論、PID調(diào)節(jié)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，構(gòu)造穩(wěn)態(tài)控制的MAP和怠速控制的模型。圖4-1給出了電噴系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。

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圖4-1電噴系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

?　　ECU的CPU采用具有浮點運算能力的DSP芯片，而各檢測信號和驅(qū)動控制電路可采用具有A/D、開關(guān)量轉(zhuǎn)換的獨立單片機或CAN總線接口。其結(jié)構(gòu)確定后，ECU的控制能力就在于控制程序的開發(fā)。由于控制狀態(tài)和策略復(fù)雜，下面以ESI為例說明。

　　ESI的控制核心問題是點火提前角的控制。而在不同的工況下其控制的策略是完全不同：當發(fā)動機處于啟動工況時，由于啟動速度波動大且快，不可能根據(jù) MAP圖確定點火提前角;當發(fā)動機處于暫態(tài)工況時，由于是開環(huán)控制，可直接用插值方法計算點火提前角;當發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)工況時，要判斷是否爆振，并據(jù)此采用閉環(huán)控制，即對上次的MAP圖值進行遞階調(diào)節(jié)，以獲得最優(yōu)的點火提前角。圖4-2是點火提前角的控制程序流程圖。

圖4-2 點火提前角控制程序流程圖

　　5 結(jié)論

　　本文是在對現(xiàn)有系統(tǒng)以及國內(nèi)外的相關(guān)研究最新科研成果的分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出基于CAN總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器的設(shè)計方案，且需進一步的進行各種參數(shù)的模擬臺架實驗，最終給出各種工況的智能MAP和控制程序。