馮 琛，吳長水，黃敏濤，汪志斌

(上海工程技術大學 汽車工程學院，上海 201620)

基于MC33810的電控ECU點火驅動設計

馮 琛，吳長水，黃敏濤，汪志斌

(上海工程技術大學 汽車工程學院，上海 201620)

針對某六缸氣體機電控系統(tǒng)，選擇Infineon XC2785芯片作為微控制器，采用MC33810作為點火預驅動芯片設計了一套點火驅動;利用曲軸和凸輪信號進行相位信號分析與判斷，以診斷得轉速傳感器工作是否正常;根據所判斷的轉速傳感器信號正?；蛉笔闆r，設計相應的點火輸出控制策略;利用曲軸和凸輪軸進行壓縮上止點相位判斷并進行點火正時控制;根據轉速的高低所帶來的不同曲軸轉角延遲，設計了數齒及計時的點火輸出策略;最終通過試驗驗證了該算法的可行性。

診斷;點火提前角;脈譜;點火延遲

0 引言

點火系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，對發(fā)動機的性能有絕對性的影響。在發(fā)動機工作時，為了精確控制噴油定時和點火時刻，ECU 需要準確的發(fā)動機轉速信號以及各缸活塞在其工作循環(huán)的位置信號[1]。曲軸凸輪軸信號作為ECU計算轉速和相位的主要輸入信號，對曲軸凸輪軸信號的控制策略研究尤為重要[2-3]。為了準確輸出點火信號首先就必須要對曲軸和凸輪信號進行處理。處理過程包括：信號診斷、判斷齒間時間的合理性、判斷數齒是否正常、分頻、計算平均轉速、給出同步信號等。診斷主要是判斷有無信號輸入MCU。本算法中使用Infineon XC2785芯片的捕獲比較模塊CCUx來處理曲軸和凸輪信號。如果信號輸入正常，在每次檢測到曲軸信號上升沿或者凸輪信號下降沿時進入捕獲中斷，如果發(fā)動機轉速不為零但單片機判斷長時間不進捕獲中斷則可斷定傳感器故障。對齒間時間合理性的判斷是為了進行濾波、轉速限制和判斷發(fā)動機是否停止。曲軸和凸輪傳感器信號輸入單片機可能會有些許干擾。這樣就導致信號上出現較多毛刺，干擾之后的轉速計算。濾波算法是指首先給出一個發(fā)動機正常運行的轉速區(qū)間，計算出相鄰兩齒間時間的范圍。如果單片機捕獲的齒間時間小于最小值則可認為是出現了毛刺或者是超出了最大轉速。對于曲軸信號來說捕獲模塊定時器溢出時間為836 ms，預分頻為12.8 us，如果信號齒間時間超出最大值甚至溢出就認為是停機。判斷數齒是否正常是指在每次捕獲到缺齒時(第一次相位不確定除外)判斷上一齒是否是57或117號齒。捕獲到多齒判斷上一齒是否是7號齒(凸輪數齒整體加一)。曲軸平均轉速是在對缺齒分頻后疊加20次齒間時間并根據曲軸所轉過的角度計算得出。凸輪平均轉速是計時一周所得。同步信號是當缺齒來臨并且靠近多齒時同步。點火信號在同步之后給出。

1 曲軸凸輪信號

本算法所使用的曲軸信號盤為通用60-2型。曲軸旋轉一周共有58個正常齒、2個缺齒。凸輪信號為通用6+1型。凸輪一周共有6個正常齒分別代表發(fā)動機6個氣缸以及1個多齒，多齒處于兩個正常齒的1/2處。曲軸凸輪信號盤如圖1所示。曲軸相鄰兩正常齒間角度為6 CA，缺齒為3倍正常齒間角度；凸輪相鄰兩正常齒間角度為60 CA，多齒位于兩正常齒中間位置。

圖1 曲軸凸輪信號盤

2 信號處理與計算

2.1 曲軸和凸輪軸信號處理

在ECU對曲軸和凸輪信號進行計算之前要先對信號進行處理。處理過程包括：信號診斷、判斷齒間時間的合理性、判斷數齒是否正常、分頻等。診斷主要是判斷有無信號輸入MCU。本算法中使用Infineon XC2785芯片的捕獲比較模塊CCUx來處理曲軸和凸輪信號。使用英飛凌開發(fā)軟件DaVE配置單片機的捕獲比較單元，使用CCU60和CCU62模塊分別捕捉曲軸信號和凸輪信號。設置捕獲定時器T12和T13加入捕獲中斷和定時器溢出中斷并使能輸入通道。如果信號輸入正常，在每次檢測到曲軸信號上升沿或者凸輪信號下降沿時進入捕獲中斷，在中斷中要區(qū)分是否是首次進入捕獲中斷，首次進入中斷對應第一齒的開始時刻。算法認為每個齒的開始計時時刻都應該為零。所以首次進入捕獲中斷時置標志位F_FirstCrkInterrupt和F_FirstCamInterrupt為零，表示已經捕獲到第一齒并清零定時器和重啟定時器。如果發(fā)動機轉速不為零而且單片機判斷長時間不進捕獲中斷則可斷定傳感器故障。對齒間時間合理性的判斷是為了進行濾波、轉速限制和判斷發(fā)動機是否停止。曲軸和凸輪傳感器信號輸入單片機可能會有些許干擾。這樣就導致信號上出現較多毛刺，干擾之后的轉速計算。濾波算法是指首先給出一個發(fā)動機正常運行的轉速區(qū)間，計算出相鄰兩齒間時間的范圍。如圖2所示。(t2,t3)為下次曲軸信號下降沿的合理性范圍。若下次的曲軸信號下降沿的位置在(t2,t3)區(qū)間內，則認為曲軸信號是合理的。若該下降沿落在區(qū)間(t1,t2)，則表明發(fā)動機加速過快在大速度區(qū)間；如果下降沿的位置位于區(qū)間(t3,+∞)，則表明減速過快在小速度區(qū)間。同時對于出現在(t1,t2)的曲軸信號下降沿，也有可能是高頻干擾導致出現了毛刺。軟件中認為如果齒間時間錯誤計數大于等于5則置標志位F_CrkSensor和F_CamSensor為0，該標志位指示曲軸和凸輪信號齒間時間是否正常。

圖2 信號合理性判斷示意圖

2.2 曲軸凸輪轉速計算

轉速計算分為瞬時轉速和平均轉速的計算。對于點火和噴油過程來說，持續(xù)時間都在幾毫秒內完成。在這么短時間內需要使用瞬時轉速計算點火和噴油脈寬。首先計算發(fā)動機的平均轉速，由于定時器溢出時間為836 ms并且對于每個齒都是從零開始計時所以不用考慮在單個齒間時定時器會溢出中斷，因此捕獲到的時間即為齒間間隔時間。設無符號整型變量i_Vary為累加次數。當本次齒間時間大于上次齒間時間的2.5倍時即捕獲到了缺齒。然后對本次齒間時間除以3進行分頻再累加，當條件i_Vary%20為零時調用曲軸平均轉速計算函數計算平均轉速。瞬時轉速則在分頻后每經過一齒便調用一次曲軸瞬時轉速計算函數計算瞬時轉速。凸輪信號由于相鄰齒間間距較大，單片機在相鄰齒間時可能會產生溢出中斷，因此，需要設置一個變量F_Caminterrupt來記錄溢出次數。這樣一來凸輪齒間計數值就可以表示成:當前計數值+65536*F_Caminterrupt，累加一周后調用凸輪平均轉速計算函數。

3 發(fā)動機相位判斷

3.1 數齒正確性判斷

在本算法中發(fā)動機要同步的首要任務是凸輪數齒正確。由于凸輪多齒在正常齒中間所以設凸輪多齒后第一齒為7號齒。如果凸輪信號正常，在缺齒來臨時若此時凸輪齒為6號齒則置曲軸齒號為0號；若此時凸輪齒為2號齒則置曲軸齒號為60號。并且同時置同步標志位F_Syn為1。當下次缺齒來臨判斷上一齒號是否為57或117號齒，如果連續(xù)三次判斷錯誤則置標志位F_CrkTeeth為0，表示數齒錯誤停止判斷。

3.2 判缸方式

根據曲軸凸輪信號正常標志位的值可以將判缸方式分為4類。若曲軸信號正常、凸輪信號正常則使用方式1；若曲軸信號不正常、凸輪信號正常則使用方式2；若曲軸信號正常、凸輪信號不正常則使用方式3；最后，若曲軸和凸輪信號均不正常則輸出判缸錯誤。如圖3是發(fā)動機真實相位圖。

圖3 發(fā)動機曲軸凸輪信號

1)曲軸凸輪聯合判缸：此模式下核心工作是準確找到缺齒后第一齒的齒號。已知真實發(fā)動機每缸所對應的壓縮上止點(4-1-5-3-6-2)為12、32、52、72、92、112。當遇到缺齒時，凸輪位置可能處于2號齒范圍和6號齒范圍。若此時凸輪齒等于6，則缺齒后第一齒為0號齒；若此時凸輪齒等于2，則缺齒后第一齒為60齒。一旦確定了缺齒后第一齒的齒號則數齒就可準確找到各缸壓縮上止點位置。

2)凸輪單獨判缸:當曲軸信號失效時，要求發(fā)動機能由凸輪信號單獨判缸成功。此為“跛車回家”模式，定義在每檢測到一個凸輪齒后，在此凸輪齒之后72 CA處為相應氣缸壓縮上止點。如檢測到凸輪齒1號齒，在此位置根據轉速定時可輸出1號缸壓縮上止點；同理2號齒來臨，則72 CA之后輸出5號缸壓縮上止點。

3)曲軸猜缸:當凸輪信號失效時，要求發(fā)動機能在曲軸信號單獨作用下判缸成功。這種方法為“猜缸”模式。當缺齒來臨時后一齒可能為0號齒或60號齒。首次猜缸時假設為0號齒則數齒12次后為4缸壓縮上止點。如果一系列猜缸動作正確的話轉速會上升，否則轉速就下降。轉速上升則程序認為猜缸正確，在齒號為12、32、52、72、92、112時輸出4-1-5-3-6-2點火時序；如果轉速下降則缺齒后第一齒為60號齒，然后在72、92、112、12、32、52輸出3-6-2-4-1-5時序。連續(xù)猜缸三次不對就停止猜缸。

4)判缸錯誤:當曲軸和凸輪軸信號均失效時，判缸模式錯誤不進行判缸。

4 點火驅動設計

利用Infineon XC2785作為主芯片來驅動MC33810。MC33810作為Freescale新一代點火/噴油驅動芯片，具有響應速度快、耗能低等優(yōu)點[4-5]。廣泛應用于汽油機和氣體機ECU中。MC33810通過SPI總線與主芯片進行同步串口通訊。本算法中MC33810的門控預驅動采用并行控制，即主芯片通過定時器輸出高電平脈寬到MC33810的門控輸入端GINx，相應的在門控預驅動GDx端口處輸出相同脈寬波形來驅動火花塞點火。

4.1 點火提前角計算

點火模塊在發(fā)動機相位確定后輸出點火信息。要想在正確的時刻點火首先要計算出準確的點火提前角。為了使發(fā)動機動力性和經濟性達到最佳，需要制定合理可靠的點火正時控制策略，點火時刻直接影響發(fā)動機的性能和燃料經濟性，點火過早會導致爆燃，延遲點火能有效降低HC排放，減少爆燃。從而提高氣體機的性能，達到環(huán)保的效果。但過遲點火又會降低發(fā)動機功率。點火提前角計算主要分為啟動工況、怠速工況及正常運行工況。

1)起動工況點火提前角根據發(fā)動機轉速和進氣歧管絕對壓力，查詢起動工況的脈譜圖獲得起動條件的點火提前角。

2)怠速工況的基本點火提前角的確定是根據是否接通空調使能開關，用相應的代替值來作為點火提前角。

3)在發(fā)動機的正常運轉中，實際點火提前角等于基本點火提前角和修正后的點火提前角之和。

電控發(fā)動機中點火提前角由一系列復雜的控制邏輯得出，其中核心是通過查轉速和進氣歧管壓力的二維脈譜表得出基本點火提前角，然后再經過其他控制算法進行實時修正得到該工況下精確的點火提前角[6]。點火驅動中提前角大概在7～24 CA之間。

4.2 點火時間確定

點火能量是指發(fā)動機點火時火花塞兩級之間跳火所釋放的能量，是點火系統(tǒng)中重要的指標。確定點火能量水平的高低是由點火線圈初級繞組電流和初級繞組電流的通電時間決定，時間越長，在次級繞組的感應電動勢就更高。但另一方面，確保初級線圈可以提供足夠高的電流產生足夠高的次級電壓，但也要防止通電過長導致點火線圈過熱。氣體機所需要的點火能量一般比汽油機要大。為了確保不失火，點火能量一般在50～80 mJ范圍內。所以程序中設置點火脈寬為3 ms。

4.3 點火驅動程序設計

在發(fā)動機電控中，點火提前角是從點火脈沖下降沿開始算起。點火脈沖結束，次級線圈開始觸發(fā)點火。程序中在得到點火提前角之后還應計算出總提前角，其包含點火持續(xù)期內曲軸轉過的角度加上在該工況下經點火控制策略得出的點火提前角。在算法中設變量IGN_Adv_total為總提前角，IGN_Adv為點火提前角，上止點齒號為TDC_Next，點火齒為IGN_Teeth，點火持續(xù)期為T_ms。則IGN_Adv_total=IGN_Adv+(6.0f*T_ms*CrkAvrgSpeed)/1000，公式后半部是將此轉速下的點火脈寬轉化成曲軸轉角，CrkAvrgSpeed是平均轉速，然后再計算IGN_Adv_total/6的值。若為整數則表示在上止點前提前整數個曲軸齒，此時不需要定時器輸出延遲，點火齒IGN_Teeth=TDC_Next-IGN_Adv_total/6。點火齒來臨即輸出點火時刻，否則不為整數則表示在上止點前提前的曲軸齒數不為整數，此時需要定時器輸出延遲，點火齒IGN_Teeth=TDC_Next- IGN_Adv_total /6-1，定時延遲結束輸出點火時刻。點火算法流程如圖4所示。

圖4 點火程序流程圖

5 試驗與結果

對所設計的點火驅動進行試驗測試，首先以點火芯片和IGBT為測量目標，測得點火芯片MC33810的GINx端輸入信號和IGBT基極信號，如圖5所示。圖中上半部波形為GINx端輸入信號，下半部波形為IGBT基極信號。此時，MC33810芯片接收來自主芯片的控制信號，輸出相應的控制邏輯。脈沖波形穩(wěn)定無其他波形干擾。

圖5 點火脈寬3 ms時波形

再以點火線圈為測試目標，通過電流卡鉗和示波器測得點火線圈電流和輸入信號,如圖6所示。圖6上半部分為點火輸入GINx信號，下半部分為線圈電流信號。點火線圈電流在3 ms點火脈寬高電平結束時電流立刻降到零，從而激發(fā)次級線圈產生高壓，火花塞跳火。圖中電流波形在點火信號高電平來臨之后逐漸上升，如果DAC值或采樣點阻值設置不當，波形后半部分會有下降趨勢，原因則是MC33810芯片中電流DAC值與硬件電路上采樣電阻未完全匹配，點火芯片在電流上升到DAC值之后進行了過流保護。

圖6 輸入信號和初級線圈電流波形

選擇Infienon XC2785芯片作為微控制器，采用MC33810作為點火驅動芯片設計了設計了該點火算法。利用曲軸和凸輪信號進行相位信號分析與判斷，以診斷得轉速傳感器工作是否正常。根據所判斷的轉速傳感器信號正常或缺失情況，設計相應的點火輸出控制策略。利用曲軸和凸輪軸進行壓縮上止點相位判斷并進行點火正時控制。通過試驗表明，該算法可以很好地實現點火線圈的驅動，并且具有代碼量小、執(zhí)行效率高等優(yōu)點。具有一定的應用意義。

6 結束語

選擇Freescale MC33810與Infineon XC2785搭配作為點火系統(tǒng)硬件電路核心。能實現如下功能：

1) 以MC33810為核心的點火芯片可以直接驅動點火線圈，省去了復雜的驅動電路，減輕了CPU的任務負擔；

2) MC33810具有門控驅動和低邊驅動兩類輸出口。兩類驅動輸出均可由SPI串口控制，或由GINx和DINx并口單獨輸入控制。驅動方式靈活；

3)MC33810通過內部DAC設置電流比較閾值能夠實時監(jiān)測外部點火線圈電流。并可以通過IO口向XC2785發(fā)出點火驅動電流的反饋監(jiān)控信號，保護點火線圈；

4)MC33810 能夠實時監(jiān)測點火電壓、點火電流、線圈溫度等，并可以診斷驅動電路是否出現短路或線圈開路等。通過試驗表明，該算法可以較好地實現點火線圈的驅動，并且軟件架構簡單、代碼執(zhí)行效率高。具有一定的工程應用性。

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Design of Ignition Driven Based on MC33810 for ECU

Feng Chen，Wu Changshui，Huang Mintao，Wang Zhibin

(College of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620,China)

In view of the electrical control system of a 6 cylinder gas machine,we selected Infineon XC2785 as the micro control union and designed a set of ignition driven based on MC33810.Through the analysis and diagnosis of crankshaft and camshaft signal,ECU could judge the state of speed sensor. According to the judgment of normal or missing state of speed sensor signal,we designed the corresponding output ignition control strategy.ECU used the crankshaft and camshaft signals to judge the compression TDC and controlled the ignition timing.According to the different crankshaft rotation delay on account of different rotating speed,the ignition output strategy of counting teeth and timing was designed.Finally the feasibility of the algorithm was verified by experiment.

diagnosis;spark advance angle;MAP;ignition delay

2017-04-02；

2017-06-07。

上海市科委“創(chuàng)新行動計劃”項目(17030501300)。

馮 琛(1991-)，男，河南周口人，碩士研究生，主要從事發(fā)動機電控方向的研究。

1671-4598(2017)12-0146-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.038

TP273

A