劉永春，郭慶波，王秋花，孫佳玥

（中國(guó)重汽集團(tuán)汽車研究總院，山東 濟(jì)南 250002）

1 引言

電控技術(shù)為柴油機(jī)的發(fā)展帶來(lái)了新的變革，成為柴油機(jī)新的發(fā)展方向，其燃油噴射4要素（噴射壓力、噴射油量、噴射正時(shí)和噴油規(guī)律）均通過(guò)電子控制單元ECU來(lái)實(shí)現(xiàn)，如今成熟的柴油機(jī)燃油噴射系統(tǒng)依賴于ECU的完善和可靠，因此ECU的開(kāi)發(fā)近年來(lái)始終是各個(gè)汽車廠商和研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)。由于中國(guó)開(kāi)展柴油機(jī)電控技術(shù)的研究起步較晚，較國(guó)外成熟的電控系統(tǒng)存在較大差距，國(guó)內(nèi)至今還未有比較成熟的產(chǎn)品批量投放市場(chǎng)，均以國(guó)外產(chǎn)品壟斷為主，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)在高壓共軌電控系統(tǒng)的研發(fā)上也取得了突破性進(jìn)展。柴油機(jī)高壓共軌電控系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜的控制系統(tǒng)，涉及到電子、機(jī)械、流體等方方面面的內(nèi)容，控制功能復(fù)雜，實(shí)時(shí)性要求高，因此在設(shè)計(jì)控制單元軟硬件時(shí)需要綜合考慮以下因素。

1）豐富的外設(shè)資源：發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)使用大量的傳感器和執(zhí)行器，要求ECU需要有足夠多的資源處理這些信號(hào)，采集傳感器、開(kāi)關(guān)等信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器工作，并留有一定的預(yù)備資源用于新功能擴(kuò)展。

2）系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與柴油機(jī)的工況密切相關(guān)，必須在極短的時(shí)間內(nèi)隨工況變化改變供油量、共軌壓力、噴油量和噴油規(guī)律，實(shí)時(shí)性要求較高。

3）控制系統(tǒng)滯后：燃油噴射系統(tǒng)是一個(gè)滯后的系統(tǒng)，當(dāng)前得到的工況參數(shù)基本上是上一個(gè)循環(huán)或上幾個(gè)循環(huán)的控制結(jié)果。

4）工作環(huán)境惡劣：控制單元安裝布置在發(fā)動(dòng)機(jī)本體上，必須承受各種因素引起的振動(dòng)和沖擊，另外油污、灰塵、溫度、進(jìn)水、腐蝕等環(huán)境因素都會(huì)造成絕緣性能變差、焊點(diǎn)松脫、銹蝕等損壞，出現(xiàn)接觸不良、短路、斷路等故障現(xiàn)象，要求ECU具有抗振動(dòng)沖擊、防水、防油、防塵及其它化學(xué)物質(zhì)腐蝕的能力。

5）電磁干擾嚴(yán)重：ECU內(nèi)核工作頻率較高，同時(shí)工作環(huán)境復(fù)雜，很容易受到自身和外部的電磁干擾，而系統(tǒng)中存在大量感性器件，尤其噴油驅(qū)動(dòng)模塊，其工作電流大而不穩(wěn)定，容易形成高能量高頻率的干擾發(fā)射源，其所處的外部工作環(huán)境也存在著大量的電磁干擾源。應(yīng)針對(duì)ECU的系統(tǒng)特征進(jìn)行EMC設(shè)計(jì)，使得ECU具備良好的電磁兼容性能。

6）失效保護(hù)要求：作為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，難免會(huì)出現(xiàn)故障，而柴油機(jī)經(jīng)常運(yùn)行在高速大功率下，控制失效會(huì)非常危險(xiǎn)。因此，必須設(shè)計(jì)合理的故障診斷策略和失效保護(hù)策略增強(qiáng)其可靠性。

2 柴油機(jī)電控單元基本功能

電控共軌系統(tǒng)主要由低壓系統(tǒng)、高壓系統(tǒng)、電控單元ECU、電控噴油器等組成，共軌系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖1。電控單元ECU作為電控共軌系統(tǒng)的核心，具備集高壓共軌燃油噴射控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控保護(hù)、整車功能控制、故障診斷、通信等主要功能。采用基于扭矩的柴油機(jī)控制策略，通過(guò)對(duì)供油軌壓、噴油量和噴油時(shí)刻的精確控制，使柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性達(dá)到最佳的平衡；通過(guò)對(duì)冷卻水溫、機(jī)油溫度、進(jìn)氣溫度、大氣壓力、進(jìn)氣預(yù)熱等修正脈譜的控制標(biāo)定優(yōu)化，使發(fā)動(dòng)機(jī)獲得較好的高低溫及高原地區(qū)環(huán)境適應(yīng)性；通過(guò)對(duì)巡航控制、故障診斷、PTO控制等功能的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)，可滿足整車各種功能的不同需求。

圖1 電控共軌系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 控制單元的開(kāi)發(fā)流程

建模仿真、快速原型、自動(dòng)代碼生成以及硬件在環(huán)等技術(shù)的應(yīng)用改變了電控單元傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式。ECU軟件采用V型模式開(kāi)發(fā)流程，貫穿模型設(shè)計(jì)、仿真、系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)標(biāo)定及試驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。V型模式的開(kāi)發(fā)方法將ECU開(kāi)發(fā)過(guò)程分為原型開(kāi)發(fā)階段和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)階段兩個(gè)過(guò)程?？焖僭碗A段利用控制系統(tǒng)建模工具、快速原型和自動(dòng)代碼生成工具，進(jìn)行控制算法的硬件在環(huán)仿真，提前進(jìn)行控制算法的開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證；控制器硬件設(shè)計(jì)成熟后進(jìn)入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)生成目標(biāo)平臺(tái)代碼實(shí)現(xiàn)最終軟件。具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程

1）定義設(shè)計(jì)需求分析。

2）基于軟件系統(tǒng)架構(gòu)定義軟件模塊化功能。

3）設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟件層、中間層，設(shè)計(jì)測(cè)試用例并完成單元測(cè)試與集成。

4）設(shè)計(jì)功能控制策略，進(jìn)行仿真測(cè)試。

5）自動(dòng)生成代碼，集成底層軟件測(cè)試。

6）系統(tǒng)集成測(cè)試及基礎(chǔ)標(biāo)定。

7）系統(tǒng)匹配測(cè)試，設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件功能模塊設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)遵循模塊化設(shè)計(jì)原則，采用模擬仿真和匹配計(jì)算相結(jié)合的開(kāi)發(fā)方法，充分考慮電磁兼容性能和產(chǎn)品的可靠性，主要從電源模塊、中央處理模塊、信號(hào)采集模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和診斷模塊等設(shè)計(jì)。如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.1.1 電源模塊

電源模塊的設(shè)計(jì)是ECU可靠性設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一步，針對(duì)電控柴油機(jī)ECU供電環(huán)境及應(yīng)用特點(diǎn)，將電源模塊分為電源轉(zhuǎn)換電路和電源保護(hù)電路兩部分，其中電源轉(zhuǎn)換電路包括升壓電路、降壓電路，升壓電路用于驅(qū)動(dòng)噴油器，降壓電路用于為各控制部分電路和傳感器提供工作電壓，電源轉(zhuǎn)換均采用DCDC轉(zhuǎn)換模式。

4.1.2 信號(hào)處理模塊

在高壓共軌柴油機(jī)電控系統(tǒng)中，信號(hào)采集與處理模塊將柴油機(jī)運(yùn)行工況和環(huán)境信息實(shí)時(shí)地傳遞到ECU，然后ECU結(jié)合溫度、壓力等信息對(duì)噴油量、噴油正時(shí)等進(jìn)行修正。因此電控系統(tǒng)一切控制行為都是基于信號(hào)采集處理模塊獲得的，所有控制參數(shù)都建立在該模塊的基礎(chǔ)之上。

信號(hào)調(diào)理和采樣模塊的設(shè)計(jì)以信號(hào)的可靠性和準(zhǔn)確性為標(biāo)準(zhǔn)，在信號(hào)輸入部分加入阻容濾波、過(guò)壓保護(hù)等以提高電路的可靠性，并對(duì)防錯(cuò)接及大電壓或大電流的注入進(jìn)行有效地保護(hù)。輸入信號(hào)分為3種：模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和頻率信號(hào)。其中模擬信號(hào)包括溫度、電壓傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)處理電路后，送入ADC采樣模塊；數(shù)字信號(hào)包括各種開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理電路后，送入IO通道；頻率信號(hào)包括電磁式和霍爾式傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)頻率信號(hào)處理電路后，送入相應(yīng)通道。

4.1.3 中央處理模塊

ECU核心控制單元采用AURIX系列32位處理器TC275作為主芯片，該芯片是專門為滿足汽車電子控制而推出的新一代微處理器。它集成了高達(dá)4M Byte嵌入式Flash，還有64KB的數(shù)據(jù)FLASH（可用模擬EEPROM）和472KB的片內(nèi)RAM，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、時(shí)序處理和抗干擾能力，同時(shí)具備豐富的外圍資源。不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓共軌噴射系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)管理。其突出特性如下。

1）采用多核架構(gòu)，其突出特點(diǎn)在于低功耗和強(qiáng)大的處理能力，被大量應(yīng)用于汽車的動(dòng)力管理、高級(jí)安全系統(tǒng)中。

2）擁有GTM定時(shí)器序列模塊，極大增強(qiáng)了單片機(jī)對(duì)傳感器數(shù)字信號(hào)處理及各類數(shù)字控制信號(hào)輸出的能力，特別適用于處理曲軸、凸輪軸等復(fù)雜的信號(hào)，噴油時(shí)刻和脈寬的定時(shí)，噴油電磁閥復(fù)雜調(diào)制波形的產(chǎn)生等。

3）工作頻率高達(dá)200MHz，能滿足ECU處理多任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。

4）擁有豐富的外圍資源，不僅能滿足現(xiàn)有ECU硬件的需求，還留有功能擴(kuò)展的余地。

5）滿足汽車最高安全等級(jí)ASIL D功能安全要求。針對(duì)ISO 26262融合了眾多安全機(jī)制，具備全面的安全診斷功能。校驗(yàn)核（checker core）或鎖步核（lockstep core）機(jī)構(gòu)與SMU（Safety Management Unit）機(jī)制的融合，HSM（Hardware Security Module）、ECC（Error Checking and Correcting）校驗(yàn)等措施，保證程序執(zhí)行的安全可靠。

4.1.4 功率驅(qū)動(dòng)模塊

單片機(jī)輸出的TTL電平信號(hào)其驅(qū)動(dòng)能力有限，功率驅(qū)動(dòng)模塊的作用將控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)噴油器、進(jìn)油計(jì)量閥等執(zhí)行器工作。

為滿足噴油器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，要求在工作過(guò)程中電磁閥高速開(kāi)閉，噴油驅(qū)動(dòng)電路采用Peak&Hold驅(qū)動(dòng)方式。噴油器開(kāi)啟階段采用較高的驅(qū)動(dòng)電壓使電磁線圈有較大的電流通過(guò)，從而產(chǎn)生較大的電磁力保證電磁閥快速開(kāi)啟；當(dāng)噴油器電磁閥完全打開(kāi)后，較小的電流就能維持打開(kāi)狀態(tài)，過(guò)高的電流會(huì)導(dǎo)致噴油器發(fā)熱并燒壞噴油器；在關(guān)閉階段，電磁閥內(nèi)電流下降越快越好，以保證電磁閥迅速關(guān)閉，提高噴油器控制精度。噴油驅(qū)動(dòng)電路采用低功耗MOSFET和集成式智能噴油控制芯片驅(qū)動(dòng)，可精確控制噴油時(shí)刻和噴油量，并支持單缸每循環(huán)多達(dá)5次的噴射控制。

電磁閥、繼電器的驅(qū)動(dòng)選用集成式汽車級(jí)智能功率驅(qū)動(dòng)模塊。模塊內(nèi)部集成了MOSFET以及預(yù)驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，并具備過(guò)壓欠壓、過(guò)熱保護(hù)、開(kāi)路短路檢測(cè)和SPI故障信息反饋等功能，保證ECU和執(zhí)行器的安全。

4.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

4.2.1 軟件模塊設(shè)計(jì)

以微控制器TC275為運(yùn)行平臺(tái)，按照模塊化和層次化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了面向該微控制器的底層軟件和應(yīng)用層軟件。系統(tǒng)軟件由啟動(dòng)引導(dǎo)程序BootLoader和發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序組成。啟動(dòng)引導(dǎo)程序BootLoader是系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一個(gè)程序，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序的刷寫及判斷是否跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)所在空間，啟動(dòng)操作系統(tǒng)運(yùn)行。產(chǎn)品級(jí)ECU不再具備程序調(diào)試端口，必須使用專門的設(shè)備完成ECU應(yīng)用程序的下載更新，以滿足軟件工程師頻繁更改ECU應(yīng)用程序代碼和數(shù)據(jù)的需求。BootLoader對(duì)CPU進(jìn)行必要的初始化后，會(huì)對(duì)啟動(dòng)模式進(jìn)行檢查，如果檢測(cè)到合法有效的發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序，會(huì)將ECU引導(dǎo)至發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序，否則ECU運(yùn)行停留在BootLoader中。

發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序由一系列具有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的軟件功能模塊構(gòu)成，總體架構(gòu)見(jiàn)圖4。發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟件運(yùn)行后，在進(jìn)行必要的初始化后，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，在操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性的實(shí)時(shí)多任務(wù)機(jī)制的合理調(diào)度下，控制軟件的各層之間相互配合，應(yīng)用程序中的燃油噴射控制、軌壓控制、扭矩控制、通信控制等任務(wù)線程得到及時(shí)執(zhí)行。

圖4 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

底層基礎(chǔ)軟件通過(guò)手寫代碼實(shí)現(xiàn)，中間層接口通過(guò)手寫代碼實(shí)現(xiàn)并轉(zhuǎn)換為模型形式的系統(tǒng)函數(shù)，以供應(yīng)用層調(diào)用，應(yīng)用層基于模型開(kāi)發(fā)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。分層的模塊化體系結(jié)構(gòu)使ECU軟件的維護(hù)、擴(kuò)展、移植等性能得到提高。各層的軟件模塊采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，其編寫和測(cè)試均可以獨(dú)立進(jìn)行，因此有效改善了系統(tǒng)的可靠性。軟件分層為基礎(chǔ)軟件層、中間接口層、應(yīng)用軟件層。應(yīng)用軟件層AppL通過(guò)中間接口層調(diào)用基礎(chǔ)軟件BSW服務(wù)函數(shù)。

1）基礎(chǔ)軟件層包含用于管理任務(wù)調(diào)度的系統(tǒng)服務(wù)子系統(tǒng)、用于標(biāo)定監(jiān)控的通信子系統(tǒng)、用于微控制器各模塊驅(qū)動(dòng)的MCU驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、復(fù)雜驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，方便剪裁配置，并且封裝成庫(kù)。

2）中間接口層為應(yīng)用層提供接口，但必須通過(guò)基礎(chǔ)軟件層才能訪問(wèn)硬件，中間接口層的存在使得應(yīng)用層與基層軟件層獨(dú)立和維護(hù)成為可能。

3）應(yīng)用層基于模型設(shè)計(jì)、自動(dòng)集成測(cè)試并自動(dòng)生成代碼。應(yīng)用軟件主要完成高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)控制、怠速控制、轉(zhuǎn)速控制、軌壓控制、噴油控制、排氣制動(dòng)控制等功能。

4.2.2 基于扭矩需求的控制架構(gòu)

扭矩結(jié)構(gòu)的首要任務(wù)是將駕駛員指令反映到發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩輸出上，駕駛員所做出的命令與汽車的牽引力直接相關(guān)且體現(xiàn)在加速踏板的開(kāi)度上。ECU認(rèn)為當(dāng)前加速踏板位置傳感器的測(cè)量值對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定的輸出扭矩，為了獲得這個(gè)對(duì)應(yīng)的扭矩，ECU在采集各類發(fā)動(dòng)機(jī)工況參數(shù)和車輛運(yùn)行參數(shù)的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)各個(gè)輸出控制信號(hào)，如：軌壓、噴油脈寬、噴油正時(shí)等，以達(dá)到需求的輸出扭矩，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)的變化情況。

發(fā)動(dòng)機(jī)基于扭矩的算法分為兩個(gè)部分，一是指示扭矩計(jì)算，另外一部分是指示扭矩的輸出，即扭矩油量轉(zhuǎn)化。指示扭矩是發(fā)動(dòng)機(jī)所需提供的總扭矩，而扭矩油量轉(zhuǎn)化是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)所處的工況將指示扭矩轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的噴油量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的準(zhǔn)確輸出?；谂ぞ剡@一算法的出現(xiàn)，及時(shí)滿足了要有一種算法來(lái)達(dá)到以需求扭矩作為發(fā)動(dòng)機(jī)與外部裝置間的唯一接口的這一要求，大大提高了現(xiàn)在汽車控制網(wǎng)絡(luò)中控制節(jié)點(diǎn)的可擴(kuò)展性。圖5給出了基于扭矩的控制功能系統(tǒng)圖，通過(guò)對(duì)邏輯層次劃分使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為清晰，便于對(duì)控制策略進(jìn)行層次劃分和設(shè)計(jì)。

圖5 基于扭矩的控制功能系統(tǒng)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

采用匹配計(jì)算和仿真模擬相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了高壓共軌控制單元硬件電路的設(shè)計(jì)。采用V型開(kāi)發(fā)流程實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，采用Simulink對(duì)基于扭矩的高壓共軌控制策略建模仿真，并進(jìn)行控制算法的硬件在環(huán)驗(yàn)證，使控制單元的軟硬件開(kāi)發(fā)高效完成。該控制單元經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)和整車標(biāo)定等試驗(yàn)驗(yàn)證具有較好的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，可以較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)高壓共軌燃油系統(tǒng)精確可靠的控制，可廣泛應(yīng)用于電控共軌柴油機(jī)燃油噴射控制系統(tǒng)。