摩托车发动机电控单元ECU+的开发

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1、摩托车发动机电控 ECU 的开发 摩托车发动机电控单元摩托车发动机电控单元摩托车发动机电控单元摩托车发动机电控单元 ECUECUECUECU 的开发的开发的开发的开发 比赛编号 A11124 日期 2002 5 10 单位名称 清华大学汽车研究所汽油机电控组 设计者 姓名 陈 超 中文 Chen Chao 英文 姓名 杨 斌 中文 Yang Bin 英文 姓名 樊 林 中文 Fan Lin 英文 姓名 邬志国 中文 Wu Zhiguo 英文 姓名 刘飞龙 中文 Liu Feilong 英文 联络人 陈 超 职业 硕士研究生 电子邮箱 chch97 摩托车发动机电控 ECU 的开发 目 录 引言

2、 1 设计概述 1 硬件描述 3 主芯片 MC68HC908SR12 4 传感器简介 5 节气门位置传感器 5 壁面温度传感器 5 蓄电池电压 6 进气温度传感器 6 CO 调整螺钉 6 发动机转速及曲轴位置传感器 6 执行器简介 7 油泵 7 喷油器 7 点火线圈 7 软件描述 8 软件结构介绍 8 转速处理模块 9 点火控制模块 10 喷油控制模块 12 SCI 通讯模块 13 摩托车发动机电控 ECU 的开发 1 引言引言引言引言 随着国家对大气环境治理力度的加大 摩托车排放法规会逐年加严 达不到 排放法规要求的摩托车将不允许投放市场 电控燃油喷射技术以其良好的节能效 果和低排放的性能成

3、为当前摩托车环保技术中的最佳选择 摩托车发动机电控单元 ECU 是以单片机为主芯片 加上信号处理电路以及 驱动电路组成的一种发动机管理系统 其工作原理为 通过台架和整车标定试验 将发动机的各运行工况下的最佳喷油和点火参数预先存储在数据区 当发动机运 行时 电控系统根据各传感器的输入信号判断出发动机当前的运行工况 通过查 表及计算得到最佳的喷油量和点火角 并通过驱动电路来控制喷油器的喷油时间 和初级点火线圈的闭合时刻及断电时刻 来精确地控制混合气的空燃比与点火时 刻 使发动机在最优状态下运行 中国的摩托车工业经过 20 年的快速发展 年产量已经超过了 1000 万辆 生 产规模及销售量都居世界第

4、一位 预计在不久的将来 随着排放法规的加严 必 将给摩托车电控燃油喷射系统提供一个广阔的市场 国内几家大摩托车公司 都 先后开发出电控摩托车样车 有的已在市场上销售 国外的几家大汽车电子公司 也已开始进入中国电控摩托车市场 在过去的几年中 我们曾与企业合作 用 MC68HC11F1 开发了排量为 244cc 双缸摩托车和 150cc 单缸摩托车的电控燃油喷射系统 本次参赛采用摩托罗拉公司新推出的高性能价格比的 MC68HC908SR12 单 片机 对原电子控制单元 ECU 的软硬件进一步优化 降低成本 使其能够参 与激烈的市场竞争 设计概述设计概述设计概述设计概述 本次设计的目标是开发一种用于

5、摩托车发动机管理系统的 ECU 能够应用 在不同排量 不同传感器和执行器特性的摩托车单缸发动机上 用单片机精确地 控制汽油发动机在各种运行工况下的空燃比 吸入气缸内的空气和燃油的比例 摩托车发动机电控 ECU 的开发 2 简称空燃比 和点火正时 点燃混合气的准确时刻 以减少发动机排气中的有 害成分 降低燃油消耗和改善摩托车的动力性能 系统应具备以下主要功能 1 发动机空燃比控制 2 点火正时控制 3 空燃比的加速加浓控制 4 空燃比的减速减稀控制 5 目标怠速控制 6 怠速转速下 CO 调整功能 7 系统的故障诊断功能 8 在线标定监控功能 系统的组成如图 1 所示 发动机在运转时 单片机通过

6、转速传感器和节气门 油门 位置传感器提供的信号 确定发动机的运行工况 然后从数据存储区中 查到预先标定好的 在这一工况下运行时最佳的基本喷油脉宽和点火时刻 再根 图 1 发动机电控管理系统的组成 摩托车发动机电控 ECU 的开发 3 据当时检测到的空气温度和发动机的缸壁温度对这一数值进行修正 得到最终输 出的喷油脉宽和点火时刻 单片机通过功率驱动电路 控制喷油器喷油和点火线 圈使火花塞点火 单片机根据节气门位置传感器信号变化的方向和变化的速率 确定发动机是 处于加速工况还是减速工况 控制发动机在过渡工况下运行时的喷油脉宽和点火 时刻 怠速的稳定性和排放性能都是摩托车的重要指标 需要进行良好的控

7、制 同 时 ECU 还应该具有自诊断功能 可以对传感器和执行器的状态进行检测 为了方便监控 ECU 具有通讯功能 不仅可以通过上位机开发装置进行实 时状态监控 还能进行在线的发动机数据标定 通过不同的标定数据 就可以将 此 ECU 用于不同排量 不同传感器和执行器特性摩托车发动机的控制 硬件描述硬件描述硬件描述硬件描述 电控摩托车发动机 ECU 的硬件结构框图如图 2 所示 以 MC68HC908SR12 为核心 还包括传感器信号的处理电路 执行器的驱动电路及通讯接口电路 图 2 发动机电控管理系统硬件结构框图 喷油器 喷油 驱动 电路 节气门位置TPS 模拟 信号 调整 电路 发动机转速及曲

8、 轴位置信号 ECU 主芯片 MC68HC908SR12 诊断开关 壁面温度CLT 蓄电池电压BATT 进气温度MAT CO调整螺钉 脉冲 整形 电路 开关 量调 整 点火 驱动 电路 驱动 放大 点 火 线 圈 检查发动机灯 通讯接口电路 火花塞 油泵 驱动 电路 油泵 摩托车发动机电控 ECU 的开发 4 主芯片主芯片主芯片主芯片 MC68HC908SR12 主芯片必须其满足 ECU 软件计算的要求以及硬件资源的要求 由于摩托车发动机转速高达上万转 点火提前角的计算必须在目标点火时刻 到来之前完成 这时间通常不到 0 5ms 所以需要较高的指令的执行速度 而且 执行速度越快 ECU 就可以

9、获取更新的传感器信号 计算实现更精确的控制 MC68HC908SR12 采用了 PLL 锁相环技术 因此可以在很低的晶振频率 32 768KHz 下 产生高达 8M 的总线频率 本电控系统采用的内部总线为 4 9125M 不仅满足了摩托车发动机控制的需要 还可以产生 19200 的 SCI 通讯 波特率 与原有的电控系统开发装置兼容 电控系统需要能采集 5 路 A D 并且具有 1 路输入捕捉 2 路输出比较功能 及各种 I O 口 还要具有通讯接口 MC68HC908SR12 具有 4 路输入捕捉 输出比 较 12 通道 10 位 A D 转化器和 SCI 串行通讯口 3 个 8 位 I O

10、 口和 1 个 7 位 I O 口 包括与其它功能模块复用的端口 能满足控制要求 各端口的使用状况如 下表 1 所示 表 1 MC68HC908SR12 端口定义表 端口 A 0000 端口 B 0001 端口 C 0002 端口 D 0003 BIT0 IGV 点火开关 未用 未用 未用 BIT1 FPOUT F 油泵诊断反馈信号 未用 FPOUT 可选 油泵继电器驱动 未用 BIT2 未用 TXD SCI 数据发送 FPOUT 可选 油泵继电器驱动 未用 BIT3 TPS 节气门信号输入 RXD SCI 数据接收 CO CO 调整螺钉信号输入 未用 BIT4 CLT 壁面温度信号输入 ES

11、TA 点火正时 未用 未用 BIT5 MAT 进气温度信号输入 INJ1 喷油正时 未用 未用 BIT6 34XREF 曲轴位置及转速信号 INJ F 喷油器反馈信号 NS 空档信号 未用 BIT7 34XREF 曲轴位置及转速信号 CEL 检查发动机灯 DIAGSW 诊断请求信号 摩托车发动机电控 ECU 的开发 5 MC68HC908SR12 可寻址 64KB 地址空间 主要包括 12KB 的闪速存储器 Flash 512 字节的随机存储器 RAM 48 字节的用户定义矢量区和 368 字节的监 控 ROM 存储器的具体分配情况如下表 表 2 MC68HC908SR12 存储器分配表 内容

12、 地址范围 字节数 I O 寄存器 0000 005F 96 RAM 0060 025F 512 Flash 寄存器 C000 EFFF 12K 监控 ROM FE10 FF7F 368 Flash 矢量区 FFD0 FFFF 48 其12KB的Flash ROM和512Byte的RAM都基本上能满足系统的使用要求 而且 SR12 的价格也比较便宜 传感器简介传感器简介传感器简介传感器简介 各传感器的采集周期各不相同 变化快并且重要的信号就需要很高的采集频 率 变化慢不太重要的信号的采集频率就可以降低 并且采集方式也有同步与异 步之分 影响发动机实时工作状态的模拟量采集方式就应该是同步的 否则

13、可以 为异步的 节气门位置传感器节气门位置传感器节气门位置传感器节气门位置传感器 节气门由驾驶员操纵 反映驾驶员的控制意图 因此是判断发动机工况的重 要信号 节气门位置传感器安装在节气门轴的尾端 常采用滑线变阻器的型式 节气门完全关闭时 传感器输出电压大于 0V 节气门完全打开时 输出电压小 于 5V 当节气门不断开大时 其输出电压随之线形增加 TPS 信号从整体上说具有较高要求 不仅对节气门位置传感器硬件要求较 高 而且还需要在电控软件中对其信号进行相应的滤波处理 壁面温度传感器壁面温度传感器壁面温度传感器壁面温度传感器 壁面温度传感器是负温度系数的电阻型测温传感器 其电阻随着温度增加而 摩

14、托车发动机电控 ECU 的开发 6 降低 温度与电压的对应关系在电控软件中通过查表完成 壁面温度传感器用来精确地指示发动机的工作温度 对应不同的发动机温度 范围 电控单元应该对发动机的工作特性进行相应修正和补偿 比如 冷起动时 需要比热机时更多的燃油 蓄电池电压蓄电池电压蓄电池电压蓄电池电压 蓄电池电压信号直接从蓄电池的接线柱处取得 此信号对于电控单元来说非 常重要 油泵 喷油器和点火线圈的工作都受到蓄电池电压的影响 因此必须根 据蓄电池电压信号对喷油脉宽和点火线圈闭合时间进行修正补偿 拖动期间 发动机转速周期性变化 蓄电池电压的瞬时值也随之周期性波动 ECU 采用同步方式采集 进入运行点火工

15、况后 采用定周期方式采集 进气温度传感器进气温度传感器进气温度传感器进气温度传感器 进气温度传感器与壁面温度传感器一样 也是负温度系数的电阻型测温传感 器 安装在进气管中测量进入发动机的空气的温度 进气温度影响进气密度 因 此将影响进气质量 从而改变所需的燃油量 故在电控软件中需要根据进气温度 进行进一步的修正补偿 CO 调整螺钉调整螺钉调整螺钉调整螺钉 这个电位计也安装在电控单元内 但可以用一个小的平头改锥从外面进行调 节 这种调整结果被用来在电控软件中对基本的负荷计算进行偏移 从而改变发 动机运转的实际空燃比 加装此 CO 调整螺钉的目的就是调整发动机怠速运转时 的排放状况 发动机转速及曲

16、轴位置传感器发动机转速及曲轴位置传感器发动机转速及曲轴位置传感器发动机转速及曲轴位置传感器 发动机转速及曲轴位置传感器是所有传感器中最为重要的 本电控系统中使 用的是磁电式传感器 经过电控单元的脉冲整形电路处理之后 由主芯片的输入 捕捉口进行脉冲捕捉 电控系统不仅要根据此信号找到齿缺位置 从而与曲轴同 步 并且还要根据转速的变化进行判缸 根据转速的不同进行不同的点火和喷油 控制 如果此信号有误 发动机将无法正常工作 摩托车发动机电控 ECU 的开发 7 执行器简介执行器简介执行器简介执行器简介 当电控系统通过上述各传感器获得了发动机当前运转的状态及工况需求后 需要通过驱动电路去驱动相应的执行器 通过其动作来实现点火和喷油 从而满 足工况的需要 点火控制是同步工作方式 但喷油控制的工作方式可根据实际要 求分为同步工作和异步工作 油泵油泵油泵油泵 油泵为发动机提供充足的燃油量 并且保持足够的油压 使得在所有的工况 下喷油器都能够进行有效的燃油喷射 调压器保持油管内的常压 这样就可以通 过改变喷油器的开启和结束时间来精确计量燃油量 点火钥匙接通电源时 电控 系统就开启油泵 提供第一次喷射所需