基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器研究

1 引言

　　目前，我國生產的中高檔轎車的發動機雖然基本上都采用了燃油電噴技術，并對電噴系統的元器件已基本具備了配套研發能力和生產能力，但卻沒有電噴發動機自主知識產權，均屬于引進國外電噴發動機生產線或電噴系統。特別是作為核心部件的ECU（電控單元）卻被外商掌握，ECU中的噴油和點火MAP、控制算法和程序是完全保密的。同時，進口國別多、品種規格雜，一些企業缺乏選擇論證，引進的技術水平和產品質量參差不齊，不少缺乏充分的匹配實驗。

　　本研究項目正是一個將人、車與環境作為綜合系統，對各種因素進行綜合協調，使汽車的控制性能趨于最優的ECU。因此，具有較高的經濟效益與社會效益，將促進工業控制網絡及嵌入式控制系統在汽車工業的應用，使汽車更加智能化、人性化。

　　2 研究內容

　　本項目研究的主要控制對象是燃油噴射和點火裝置。同時還具有一些相關的輔助控制功能。主要包括：

　　（1）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。由于采用了智能設計，解決固定控制算法的不足，可有效的節約燃油，有助于整體性能的提高。

　　（2）進氣控制，主要包括動力閥和渦流閥控制，可有效改善和提高發動機的輸出扭矩和動力。

　　（3）增壓控制，ECU根據進氣壓力傳感器檢測的進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入工作或停止狀態。

　　（4）電子點火控制ESI（Electrical Spark Ignite），點火裝置的控制主要包括點火提前角控制、通電時間（閉合角）與恒流控制、爆震控制等方面。

　　（5）怠速控制ISC（Idle Speed Control），發動機在汽車運轉、空調壓縮機工作、變速器掛入檔位、發電機負荷加大等不同怠速運轉工況下，由ECU控制怠速控制閥，使發動機都能處在最佳怠速轉速下運轉。

　　（6）排放控制，控制項目主要有：排氣再循環控制EGR（Exhaust Gas Recirculation Control）、氧傳感器及三元催化開環和閉環控制、二次空氣噴射控制、活性炭罐電磁閥控制等。

　　（7）警告與提示，ECU控制各種提示和警告裝置，顯示有關控制系統的工作狀況，若控制系統出現故障時發出警告信號。

　　（8）傳感器故障預診參考系統（失效保護），當主ECU檢測到傳感器或線路故障時，即會按主ECU預先程序提供的設定值，以便發動機仍能保持運轉，但性能將有所下降。

　　（9）主ECU故障備用冗余系統，當主ECU發生故障時，則會自動啟動備用冗余系統，使發動機轉入強制運轉狀態，以便駕駛員將其開去修理。

　　3 電噴系統的組成

　　電噴系統除了一般化油器發動機都有的電源、沖電裝置、點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的組成。

圖3-1 電噴系統的基本組成
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節器；7.進氣歧管；8.冷啟動閥；9.節氣門位置傳感器；10.空氣傳感器；11.氧濃度傳感器；12.熱定時開關；13.水溫傳感器；14.點火分配器；15.怠速執行器；16.電池；17.點火及啟動開關

　　可以把圖3-1所示的電噴系統分為執行機構、信號采集裝置、信號處理控制裝置三個部分，它們之間的相互關系如圖3-2所示。

圖3-2電噴系統各部分間關系

　　執行機構包括噴油器，點火線圈及火花塞、怠速器。采集的信號有：節氣門開度、進氣歧管內壓力、轉速、爆震信號、機體冷卻水溫、尾氣氧濃度、進氣溫度。ECU作為信號處理控制裝置，將信號經過一系列的處理，轉化為可識別的值再經過計算處理得到輸出執行機構的控制信號。

　　ECU的控制精準度除了要求采集的信號必須實時及準確外，執行機構的運動也要精確。而在ECU控制程序中采用一些的算法則不僅可以實現更高的控制精度，還可以補償一些由信號采集的非實時及執行機構運動精度不高帶來的誤差。

　　4 ECU

　　通過對電噴系統的組成分析，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的發動機控制系統已向集中控制系統方向發展：在控制結構上，以ECU為核心，通過CAN總線與I/O設備建立通信;在控制算法上，用模糊控制理論、PID調節、BP神經網絡相結合的方法，構造穩態控制的MAP和怠速控制的模型。圖4-1給出了電噴系統的控制結構。

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圖4-1電噴系統控制結構

?　　ECU的CPU采用具有浮點運算能力的DSP芯片，而各檢測信號和驅動控制電路可采用具有A/D、開關量轉換的獨立單片機或CAN總線接口。其結構確定后，ECU的控制能力就在于控制程序的開發。由于控制狀態和策略復雜，下面以ESI為例說明。

　　ESI的控制核心問題是點火提前角的控制。而在不同的工況下其控制的策略是完全不同：當發動機處于啟動工況時，由于啟動速度波動大且快，不可能根據 MAP圖確定點火提前角;當發動機處于暫態工況時，由于是開環控制，可直接用插值方法計算點火提前角;當發動機處于穩態工況時，要判斷是否爆振，并據此采用閉環控制，即對上次的MAP圖值進行遞階調節，以獲得最優的點火提前角。圖4-2是點火提前角的控制程序流程圖。

圖4-2 點火提前角控制程序流程圖

　　5 結論

　　本文是在對現有系統以及國內外的相關研究最新科研成果的分析和總結的基礎上，提出基于CAN總線的汽車發動機智能電子控制器的設計方案，且需進一步的進行各種參數的模擬臺架實驗，最終給出各種工況的智能MAP和控制程序。