基于CAN總線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器研究

基于CAN總線的汽車發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，均屬于引進(jìn)國外電噴發(fā)動(dòng)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(shí)，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(xiàng)目正是一個(gè)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(huì)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(xiàng)目研究的主要控制對象是燃油噴射和點(diǎn)火裝置。同時(shí)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(shí)、燃油停供及油泵的控制。由于采用了智能設(shè)計(jì)，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(dòng)力閥和渦流閥控制，可有效改善和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩和動(dòng)力。

　　（3）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(hào)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(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)都能處在最佳怠速轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　（6）排放控制，控制項(xiàng)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(shí)發(fā)出警告信號(hào)。

　　（8）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(shí)，即會(huì)按主ECU預(yù)先程序提供的設(shè)定值，以便發(fā)動(dòng)機(jī)仍能保持運(yùn)轉(zhuǎn)，但性能將有所下降。

　?。?）主ECU故障備用冗余系統(tǒng)，當(dāng)主ECU發(fā)生故障時(shí)，則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)備用冗余系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)都有的電源、沖電裝置、點(diǎn)火裝置及起動(dòng)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(hào)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
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(dòng)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(shí)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(dòng)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(hào)采集裝置、信號(hào)處理控制裝置三個(gè)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

　　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(hào)有：節(jié)氣門開度、進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力、轉(zhuǎn)速、爆震信號(hào)、機(jī)體冷卻水溫、尾氣氧濃度、進(jìn)氣溫度。ECU作為信號(hào)處理控制裝置，將信號(hào)經(jīng)過一系列的處理，轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的值再經(jīng)過計(jì)算處理得到輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)。

　　ECU的控制精準(zhǔn)度除了要求采集的信號(hào)必須實(shí)時(shí)及準(zhǔn)確外，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(hào)采集的非實(shí)時(shí)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(shí)變性和非線性，采用ECU的發(fā)動(dòng)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)。

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圖4-1電噴系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

?　　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(hào)和驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)處于啟動(dòng)工況時(shí)，由于啟動(dòng)速度波動(dòng)大且快，不可能根據(jù) MAP圖確定點(diǎn)火提前角;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于暫態(tài)工況時(shí)，由于是開環(huán)控制，可直接用插值方法計(jì)算點(diǎn)火提前角;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工況時(shí)，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

　　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(dòng)機(jī)智能電子控制器的設(shè)計(jì)方案，且需進(jìn)一步的進(jìn)行各種參數(shù)的模擬臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，最終給出各種工況的智能MAP和控制程序。