基于CAN總線的汽車發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)自主知識產(chǎn)權(quán)，均屬于引進(jìn)國外電噴發(fā)動機(jī)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(diǎn)火MAP、控制算法和程序是完全保密的。同時，進(jìn)口國別多、品種規(guī)格雜，一些企業(yè)缺乏選擇論證，引進(jìn)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(shí)驗(yàn)。
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(jìn)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(jì)效益與社會效益，將促進(jìn)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(diǎn)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。
?。?）進(jìn)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(jī)的輸出扭矩和動力。
?。?）增壓控制，ECU根據(jù)進(jìn)氣壓力傳感器檢測的進(jìn)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(jìn)入工作或停止?fàn)顟B(tài)。
?。?）電子點(diǎn)火控制ESI（Electrical Spark Ignite），點(diǎn)火裝置的控制主要包括點(diǎn)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(jī)在汽車運(yùn)轉(zhuǎn)、空調(diào)壓縮機(jī)工作、變速器掛入檔位、發(fā)電機(jī)負(fù)荷加大等不同怠速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下，由ECU控制怠速控制閥，使發(fā)動機(jī)都能處在最佳怠速轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。
?。?）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。
?。?）傳感器故障預(yù)診參考系統(tǒng)（失效保護(hù)），當(dāng)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(jī)仍能保持運(yùn)轉(zhuǎn)，但性能將有所下降。
（9）主ECU故障備用冗余系統(tǒng)，當(dāng)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(jī)轉(zhuǎn)入強(qiáng)制運(yùn)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(jī)都有的電源、沖電裝置、點(diǎn)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
Fig.3-1 the basic composition of electronic injection system
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(jìn)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(diǎn)火分配器；15.怠速執(zhí)行器；16.電池；17.點(diǎn)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(jī)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
Fig.3-2 the relation for parts of electronic injection system
執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括噴油器，點(diǎn)火線圈及火花塞、怠速器。采集的信號有：節(jié)氣門開度、進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)速、爆震信號、機(jī)體冷卻水溫、尾氣氧濃度、進(jìn)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(jī)構(gòu)的控制信號。
ECU的控制精準(zhǔn)度除了要求采集的信號必須實(shí)時及準(zhǔn)確外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(shí)現(xiàn)更高的控制精度，還可以補(bǔ)償一些由信號采集的非實(shí)時及執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)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(jī)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)。
圖4-1電噴系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
Fig.4-1 the control structure of electronic injection system
ECU的CPU采用具有浮點(diǎn)運(yùn)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(dú)立單片機(jī)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(diǎn)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(dāng)發(fā)動機(jī)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(diǎn)火提前角;當(dāng)發(fā)動機(jī)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(diǎn)火提前角;當(dāng)發(fā)動機(jī)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(jìn)行遞階調(diào)節(jié)，以獲得最優(yōu)的點(diǎn)火提前角。圖4-2是點(diǎn)火提前角的控制程序流程圖。
圖4-2 點(diǎn)火提前角控制程序流程圖
Fig.4-2 the control procedure flow chart of ignition angle
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(jī)智能電子控制器的設(shè)計方案，且需進(jìn)一步的進(jìn)行各種參數(shù)的模擬臺架實(shí)驗(yàn)，最終給出各種工況的智能MAP和控制程序。
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