电控共轨柴油机控制单元的设计研究

刘永春，郭庆波，王秋花，孙佳玥

（中国重汽集团汽车研究总院，山东 济南 250002）

1 引言

电控技术为柴油机的发展带来了新的变革，成为柴油机新的发展方向，其燃油喷射4要素（喷射压力、喷射油量、喷射正时和喷油规律）均通过电子控制单元ECU来实现，如今成熟的柴油机燃油喷射系统依赖于ECU的完善和可靠，因此ECU的开发近年来始终是各个汽车厂商和研究机构的研究重点。由于中国开展柴油机电控技术的研究起步较晚，较国外成熟的电控系统存在较大差距，国内至今还未有比较成熟的产品批量投放市场，均以国外产品垄断为主，但近年来国内在高压共轨电控系统的研发上也取得了突破性进展。柴油机高压共轨电控系统是一个庞大复杂的控制系统，涉及到电子、机械、流体等方方面面的内容，控制功能复杂，实时性要求高，因此在设计控制单元软硬件时需要综合考虑以下因素。

1）丰富的外设资源：发动机电控系统使用大量的传感器和执行器，要求ECU需要有足够多的资源处理这些信号，采集传感器、开关等信号，驱动执行器工作，并留有一定的预备资源用于新功能扩展。

2）系统的高实时性：系统的实时性与柴油机的工况密切相关，必须在极短的时间内随工况变化改变供油量、共轨压力、喷油量和喷油规律，实时性要求较高。

3）控制系统滞后：燃油喷射系统是一个滞后的系统，当前得到的工况参数基本上是上一个循环或上几个循环的控制结果。

4）工作环境恶劣：控制单元安装布置在发动机本体上，必须承受各种因素引起的振动和冲击，另外油污、灰尘、温度、进水、腐蚀等环境因素都会造成绝缘性能变差、焊点松脱、锈蚀等损坏，出现接触不良、短路、断路等故障现象，要求ECU具有抗振动冲击、防水、防油、防尘及其它化学物质腐蚀的能力。

5）电磁干扰严重：ECU内核工作频率较高，同时工作环境复杂，很容易受到自身和外部的电磁干扰，而系统中存在大量感性器件，尤其喷油驱动模块，其工作电流大而不稳定，容易形成高能量高频率的干扰发射源，其所处的外部工作环境也存在着大量的电磁干扰源。应针对ECU的系统特征进行EMC设计，使得ECU具备良好的电磁兼容性能。

6）失效保护要求：作为复杂的控制系统，难免会出现故障，而柴油机经常运行在高速大功率下，控制失效会非常危险。因此，必须设计合理的故障诊断策略和失效保护策略增强其可靠性。

2 柴油机电控单元基本功能

电控共轨系统主要由低压系统、高压系统、电控单元ECU、电控喷油器等组成，共轨系统架构见图1。电控单元ECU作为电控共轨系统的核心，具备集高压共轨燃油喷射控制、实时数据采集及发动机监控保护、整车功能控制、故障诊断、通信等主要功能。采用基于扭矩的柴油机控制策略，通过对供油轨压、喷油量和喷油时刻的精确控制，使柴油机的燃油经济性和动力性达到最佳的平衡；通过对冷却水温、机油温度、进气温度、大气压力、进气预热等修正脉谱的控制标定优化，使发动机获得较好的高低温及高原地区环境适应性；通过对巡航控制、故障诊断、PTO控制等功能的扩展开发，可满足整车各种功能的不同需求。

图1 电控共轨系统架构图

3 控制单元的开发流程

建模仿真、快速原型、自动代码生成以及硬件在环等技术的应用改变了电控单元传统开发模式。ECU软件采用V型模式开发流程，贯穿模型设计、仿真、系统测试、系统标定及试验验证整个开发过程。V型模式的开发方法将ECU开发过程分为原型开发阶段和产品实现阶段两个过程。快速原型阶段利用控制系统建模工具、快速原型和自动代码生成工具，进行控制算法的硬件在环仿真，提前进行控制算法的开发与验证；控制器硬件设计成熟后进入产品开发阶段，通过自动代码生成技术生成目标平台代码实现最终软件。具体过程如图2所示。

图2 模型设计与实现流程

1）定义设计需求分析。

2）基于软件系统架构定义软件模块化功能。

3）设计基础软件层、中间层，设计测试用例并完成单元测试与集成。

4）设计功能控制策略，进行仿真测试。

5）自动生成代码，集成底层软件测试。

6）系统集成测试及基础标定。

7）系统匹配测试，设计优化。

4 发动机控制单元的软硬件设计

4.1 硬件功能模块设计

硬件电路设计遵循模块化设计原则，采用模拟仿真和匹配计算相结合的开发方法，充分考虑电磁兼容性能和产品的可靠性，主要从电源模块、中央处理模块、信号采集模块、输出驱动模块、通信模块和诊断模块等设计。如图3所示。

图3 硬件系统架构图

4.1.1 电源模块

电源模块的设计是ECU可靠性设计中至关重要的一步，针对电控柴油机ECU供电环境及应用特点，将电源模块分为电源转换电路和电源保护电路两部分，其中电源转换电路包括升压电路、降压电路，升压电路用于驱动喷油器，降压电路用于为各控制部分电路和传感器提供工作电压，电源转换均采用DCDC转换模式。

4.1.2 信号处理模块

在高压共轨柴油机电控系统中，信号采集与处理模块将柴油机运行工况和环境信息实时地传递到ECU，然后ECU结合温度、压力等信息对喷油量、喷油正时等进行修正。因此电控系统一切控制行为都是基于信号采集处理模块获得的，所有控制参数都建立在该模块的基础之上。

信号调理和采样模块的设计以信号的可靠性和准确性为标准，在信号输入部分加入阻容滤波、过压保护等以提高电路的可靠性，并对防错接及大电压或大电流的注入进行有效地保护。输入信号分为3种：模拟信号、数字信号和频率信号。其中模拟信号包括温度、电压传感器的输出信号，经过模拟信号处理电路后，送入ADC采样模块；数字信号包括各种开关信号，经过数字信号处理电路后，送入IO通道；频率信号包括电磁式和霍尔式传感器的输出信号，经过频率信号处理电路后，送入相应通道。

4.1.3 中央处理模块

ECU核心控制单元采用AURIX系列32位处理器TC275作为主芯片，该芯片是专门为满足汽车电子控制而推出的新一代微处理器。它集成了高达4M Byte嵌入式Flash，还有64KB的数据FLASH（可用模拟EEPROM）和472KB的片内RAM，具有强大的数据处理、时序处理和抗干扰能力，同时具备丰富的外围资源。不仅能实现对高压共轨喷射系统的实时控制，还能实现对柴油机系统参数的实时管理。其突出特性如下。

1）采用多核架构，其突出特点在于低功耗和强大的处理能力，被大量应用于汽车的动力管理、高级安全系统中。

2）拥有GTM定时器序列模块，极大增强了单片机对传感器数字信号处理及各类数字控制信号输出的能力，特别适用于处理曲轴、凸轮轴等复杂的信号，喷油时刻和脉宽的定时，喷油电磁阀复杂调制波形的产生等。

3）工作频率高达200MHz，能满足ECU处理多任务的实时性要求。

4）拥有丰富的外围资源，不仅能满足现有ECU硬件的需求，还留有功能扩展的余地。

5）满足汽车最高安全等级ASIL D功能安全要求。针对ISO 26262融合了众多安全机制，具备全面的安全诊断功能。校验核（checker core）或锁步核（lockstep core）机构与SMU（Safety Management Unit）机制的融合，HSM（Hardware Security Module）、ECC（Error Checking and Correcting）校验等措施，保证程序执行的安全可靠。

4.1.4 功率驱动模块

单片机输出的TTL电平信号其驱动能力有限，功率驱动模块的作用将控制信号进行功率放大，以驱动喷油器、进油计量阀等执行器工作。

为满足喷油器的动态响应特性，要求在工作过程中电磁阀高速开闭，喷油驱动电路采用Peak&Hold驱动方式。喷油器开启阶段采用较高的驱动电压使电磁线圈有较大的电流通过，从而产生较大的电磁力保证电磁阀快速开启；当喷油器电磁阀完全打开后，较小的电流就能维持打开状态，过高的电流会导致喷油器发热并烧坏喷油器；在关闭阶段，电磁阀内电流下降越快越好，以保证电磁阀迅速关闭，提高喷油器控制精度。喷油驱动电路采用低功耗MOSFET和集成式智能喷油控制芯片驱动，可精确控制喷油时刻和喷油量，并支持单缸每循环多达5次的喷射控制。

电磁阀、继电器的驱动选用集成式汽车级智能功率驱动模块。模块内部集成了MOSFET以及预驱动电路和保护电路，并具备过压欠压、过热保护、开路短路检测和SPI故障信息反馈等功能，保证ECU和执行器的安全。

4.2 软件模块设计

4.2.1 软件模块设计

以微控制器TC275为运行平台，按照模块化和层次化的设计思想，设计并实现了面向该微控制器的底层软件和应用层软件。系统软件由启动引导程序BootLoader和发动机控制程序组成。启动引导程序BootLoader是系统上电后执行的第一个程序，负责发动机控制程序的刷写及判断是否跳转到操作系统所在空间，启动操作系统运行。产品级ECU不再具备程序调试端口，必须使用专门的设备完成ECU应用程序的下载更新，以满足软件工程师频繁更改ECU应用程序代码和数据的需求。BootLoader对CPU进行必要的初始化后，会对启动模式进行检查，如果检测到合法有效的发动机控制程序，会将ECU引导至发动机控制程序，否则ECU运行停留在BootLoader中。

发动机控制程序由一系列具有标准结构的软件功能模块构成，总体架构见图4。发动机控制软件运行后，在进行必要的初始化后，实时操作系统启动运行，在操作系统实时性、可靠性和灵活性的实时多任务机制的合理调度下，控制软件的各层之间相互配合，应用程序中的燃油喷射控制、轨压控制、扭矩控制、通信控制等任务线程得到及时执行。

图4 软件系统架构

底层基础软件通过手写代码实现，中间层接口通过手写代码实现并转换为模型形式的系统函数，以供应用层调用，应用层基于模型开发技术进行设计实现。分层的模块化体系结构使ECU软件的维护、扩展、移植等性能得到提高。各层的软件模块采用标准结构，其编写和测试均可以独立进行，因此有效改善了系统的可靠性。软件分层为基础软件层、中间接口层、应用软件层。应用软件层AppL通过中间接口层调用基础软件BSW服务函数。

1）基础软件层包含用于管理任务调度的系统服务子系统、用于标定监控的通信子系统、用于微控制器各模块驱动的MCU驱动子系统、复杂驱动子系统，各子系统之间相互独立，方便剪裁配置，并且封装成库。

2）中间接口层为应用层提供接口，但必须通过基础软件层才能访问硬件，中间接口层的存在使得应用层与基层软件层独立和维护成为可能。

3）应用层基于模型设计、自动集成测试并自动生成代码。应用软件主要完成高压共轨发动机控制策略，实现起动控制、怠速控制、转速控制、轨压控制、喷油控制、排气制动控制等功能。

4.2.2 基于扭矩需求的控制架构

扭矩结构的首要任务是将驾驶员指令反映到发动机的功率和扭矩输出上，驾驶员所做出的命令与汽车的牵引力直接相关且体现在加速踏板的开度上。ECU认为当前加速踏板位置传感器的测量值对应着一个特定的输出扭矩，为了获得这个对应的扭矩，ECU在采集各类发动机工况参数和车辆运行参数的基础上，协调各个输出控制信号，如：轨压、喷油脉宽、喷油正时等，以达到需求的输出扭矩，同时系统监测当前运行参数的变化情况。

发动机基于扭矩的算法分为两个部分，一是指示扭矩计算，另外一部分是指示扭矩的输出，即扭矩油量转化。指示扭矩是发动机所需提供的总扭矩，而扭矩油量转化是根据发动机所处的工况将指示扭矩转化为相应的喷油量，以保证发动机扭矩的准确输出。基于扭矩这一算法的出现，及时满足了要有一种算法来达到以需求扭矩作为发动机与外部装置间的唯一接口的这一要求，大大提高了现在汽车控制网络中控制节点的可扩展性。图5给出了基于扭矩的控制功能系统图，通过对逻辑层次划分使得控制系统的结构较为清晰，便于对控制策略进行层次划分和设计。

图5 基于扭矩的控制功能系统图

5 结束语

采用匹配计算和仿真模拟相结合的方法，实现了高压共轨控制单元硬件电路的设计。采用V型开发流程实现了软件设计开发，采用Simulink对基于扭矩的高压共轨控制策略建模仿真，并进行控制算法的硬件在环验证，使控制单元的软硬件开发高效完成。该控制单元经台架试验和整车标定等试验验证具有较好的稳定性和响应性，可以较好地实现对柴油机高压共轨燃油系统精确可靠的控制，可广泛应用于电控共轨柴油机燃油喷射控制系统。