1、AcademicPapers l暖啜圈圜 柴油机高压共轨系统电控单元(ECU)的硬件设计 Hardware Development of Electric Control Unit(ECU)for High Pressure Common Rail System in Diesel Engine 袁道香 (东南大学自动化学院，南 京210096) 摘要：根据柴油机高压共轨系统的控制要求，开发基于C8051F040芯片的电控单元。采用模块化的设计方法开 发电控单元硬件，包括信号采集处理模块、输出与驱动模块、通信模块、显示及报警接口模块等，实现共轨压力的控 制。 关键词：柴油机 高压共轨 电控单元
2、 Abstract：For control of high pressure common rail system in diesel engine，a electric control unit(ECU)based on C805 1F040 bits series chips is developed，Using the design method of modularization，an ECU&hardware is developed including signal collection and disposal module， Output and drive module，co
3、mmunication module，display and caution interface moduleA control software is programmedand SO the common rail system&pressure is controlled Key words：diesel engine high pressure common rail ECU 0弓l 言 柴油机电控高压共轨技术作为内燃机行业公认的2O世纪 三大突破之一在实际的研究与应用中越来越显示出其独特的 技术优势和产业优势被行业内普遍认为是最具发展前途的柴 油机电控技术。作为一项传统行业的高新技术
4、柴油机电控高压 共轨技术在减轻环境污染、能源节约利用、智能化网络化等方 面有着突出的技术优势、独特的产业优势和社会效益因此越来 越多的国家和跨国公司致力于柴油机电控共轨技术的研发和 产业化以期望能在井喷式发展的汽车电喷市场占有一席之地 并获取最大的利润 柴油机电控高压共轨喷射系统的典型代表 是13本电装公司的ECDU2高压共轨喷油系统和BOSCH公司 的电控高压共轨喷射系统 国内也有一些科研机构在柴油机高 压共轨喷射系统的研究上做了很多工作并取得了一定的成果 无锡威孚有限公司开发了高压共轨系统中的关键部件高 压泵为支持国家柴油机高压共轨系统做了开端 为了分析高压泵的性能必须搭建高压共轨系统试验
5、台。 高压共轨系统一般分为三部分传感器、ECU和执行器，而 作者简介：袁道香女 大学本科，学士。 ECU的研究与设计又是难点与重点所以本文即是对柴油机高 压共轨系统试验控制器ECU进行介绍 1系统概述 高压共轨系统主要由高压泵、共轨管、限流器、喷油器、各 种传感器和电控单元(electronic control unit，ECU)等组成，整个 系统组成见图1 高压共轨系统的工作过程可描述为：燃油经过低压输油泵 后，经燃油滤清器过滤。进入高压泵柱塞腔，高压泵将燃油压缩 增压后，经过出油阀和油管，进人共轨管。在共轨管中，经限流 器流出的燃油进人喷油器由喷油器控制其喷油正时和喷油 持续时间 在共轨系
6、统中高压泵不断地将燃油送到共轨中 高压泵 凸轮每旋转一周送出的最大燃油量取决于高压泵的结构尺寸 如果高压泵输出的燃油量大于轨中流出的燃油量(喷射量、泄 漏量等)，轨压将会上升；相反，如果轨中流出的燃油量大于高 压泵输出燃油量，轨压将会下降。对于稳定控制轨压来说就是 控制轨中流出的燃油量等于高压泵输出燃油量：因为高压泵的 2001 l机电一体化81 豳髓圈圜l AcademicPapers iIi 图1高压共轨系统 几何容积固定且高压泵的转速由发动机的转速和传动比确定 不能直接通过改变高压泵的方法来改变流量而且喷射量、泄 漏量等也只能在一定条件下改变只能通过改变输入高压泵的 燃油量或轨中输出的燃
7、油量的方式来控制轨压 计量单元(metering unit。MeUn)安装在高压泵的前端，它是 一种在多种场合可以改变其开度的比例电磁阀 MeUn通过衔 铁的滑动控制油管O100最大流量使得高压泵流出燃油 量大于或小于轨中损失的燃油量 当调节通过高压泵低压一侧 的燃油量时，就可以控褂轨压。因为使用的喷油器没有泄漏燃 油泄漏量很小，因此必须采用PCV来控制轨压 两个执行器 (MeUn和PCV)都工作在闭环状态为了防止整个系统的不稳 定，两种闭环控制相互减弱。这通过MeUn控制流量PCV控制 轨压的方法来实现 2硬件设计 ECU的硬件设计遵循模块化设计原则使设计调试修改整 个过程简洁明了 ECU硬
8、件主要包括控制器硬件分为以下几个模块：电源模 块、主控制器模块、人机接口模块、通信模块、驱动模块、数据采 集模块及非易失性数据存储模块其结构见图2 丽 通信模 一 上控制模块 非易失性数 据存储模块 巨 壹墅 卜巨 f 萋|应 图2 ECU硬件功能结构示意图 21主控制器模块 主控制器模块是控制器的核心它运行控制器程序主要 完成数据运算、处理和协调、控制其他各个模块的正常工作。本 文采用新华龙公司的单片机芯片C8051F040做控制器主芯片 C805lFo40系列器件是完全集成的混合信号片上系统型 MCU具有64个数字IO引脚片内集成了一个CAN20B控 制器。它主要有以下特点： (1)高速、
9、流水线结构的8051兼容的CIP51内核(可达 25MIPS)； 82机电一体化2ct：9 (2)控制器局域网(CAN20B)控制器具有32个消息对 象，每个消息对象有其自己的标识： (3)全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)： (4)真正12位100 ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多 路开关： (5)允许高电压差分放大器输入到1210位ADC(60V峰一 峰值)，增益可编程； (6)真正8位500 ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多 路开关： (7)两个12位DAC具有可编程数据更新方式： (8)64kB可在系统编程的FLASH存储器： (9)4352(4k+256)字节的片
10、内RAM； (10)可寻址64kB地址空间的外部数据存储器接I：1： (11)硬件实现SPI、SMBusI C和两个UART串行接13： (12)5个通用的16位定时器； (1：3)有6个捕捉I：L较模块的可编程计数器，定时器阵列： (14)片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。 具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051Fo4x系列器件是真正能独立工作的片上系统 所有模拟 和数字外设均可由用户固件使能，禁止和配置 FLASH存储器 还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储并允 许现场更新8051固件 片内J IAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的 产品M
11、CU进行非侵人式(不占用片内资源)、全速、在系统调 试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器。支持断点、观 察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模 拟和数字外设都可全功能运行 每个MCU都可在工业温度范围(一45+85oC)工作工作 电压为2736V。端13 IO、RST和JTAG引脚都允许5V的 输入信号电压 22人机接口模块 在工业控制领域经常需要工作人员根据不同的状态采取 相应的措施，因此人机接El是必不可少的。PSV控制器人机交 互接口的显示部分由指示灯和液晶显示两部分组成 指示灯用 发光二极管来指示控制器工作状态，如电源 液晶显示采用点 阵LCD模块用来显示控制
12、器的工作状态及各类参数值如显 示设定通过MeUn的平均电流值、设定轨压值、传感器灵敏度、 阀的类型、电压、频率和运行模式等参数。在手动模式下，参数 的输入采用拨码盘、多档选择开关或者键盘 本设计中采用 MGIJS一240128一TA型LCD是香港精电公司推出的一款中规模 图形点阵式液晶显示模块见图3。驱动控制系统由内置控制 器T6963C及其周边电路、行驱动器组T6A40、列驱动器组 T6A39以及液晶驱动偏压电路构成 控制总线 数据总线 电源线 图3 T6963C显示模块的示意图 2_3数据采集模块 在单片机处理数据前必须首先对信号输入通道进行数据 采集。其过程见图4。 f 卜臣巫 卜 I号
13、轨压信号广1 传感器r，1兰竺 ：r I DSP 1+ 模数转换器_1低通滤波器卜 图4数据采集过程示意图 24驱动模块 C8051F040发出的PWM脉冲不能直接驱动电磁阀它必 须先通过驱动模块进行光电隔离、功率放大后才能驱动电磁 阀。如图5驱动模块的结构示意图所示驱动电路主要由PWM (2407A)、光电耦合器、功率驱动、电磁阀、各种供电电源 和外围的保护元件组成 驱动模块对DSP发出PWM波形处理 过程中尽量减小PWM波形的失真。 薹 匝 卜- 图5驱动模块结构示意图 25通信模块 实现ECU与上位机或诊断仪之间的通信从而能够对ECU 的工作状态进行监测，调整运行参数，下载程序，故障诊断
14、等。与 故障诊断仪(或微机)间的通信采用CAN总线接口CAN总线具 有传输速率高、抗干扰能力强、通信节点多、纠错性能好等优点。 26硬件抗干扰措施 硬件抗干扰是整个单片机在抑制干扰中首选的抗干扰措 施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。在硬件设计中采 用了如下措施： (1)减小来自电源的噪声 电源在向系统提供能源的同 时，也将其噪声加到所供电的电源上。电路中微控制器的复位 线、中断线以及其他一些控制线最容易受外界噪声的干扰。电 网上的强干扰通过电源进入电路。即使电池供电的系统电池 本身也有高频噪声 模拟电路中的模拟信号更经受不住来自电 源的干扰 (2)元件布置分区合理元件在印刷线路板上排列
15、的位置 要充分考虑抗电磁干扰问题原则之一是各部件之间的引线要 AcademicPapers I瞄 圜圜 尽量短 在布局上要把模拟信号部分、高速数字电路部分、噪 声源部分(如继电器，大电流开关等)这三部分合理地分开，使 相互间的信号耦合为最小。 (3)地线处理印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服 电磁干扰最主要的手段就是接地。对于双面板，地线布置特别 讲究通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印 刷线路板上来的电源一个接点，地一个接点。印刷线路板上， 要有多个返回地线这些都会聚到回电源的那个接点上，就是 所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分，是指 布线分开而最后都汇集到这
16、个接地点上来。与印刷线路板以 外的信号相连时。通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号屏 蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为 好。对噪声、干扰非常敏感的电路和高频噪声特别严重的电路 应该用金属罩屏蔽起来 (4 去耦电容好的高频去耦电容可以去除高到1GHz的 高频成分。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计 印刷线路板时每个集成电路的电源地之间都要加一个去耦电 容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容提 供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能：另一方面旁路 掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为01la,F的 去耦电容有5nH分布电感它的并行共振频率大
17、约在7MHz左 右也就是说对于1OMHz以下的噪声有较好的去耦作用对 40MHz以上的噪声几乎不起作用。l“F，101xF电容并行共振频 率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进 入印刷板的地方和一个1 F或10p,F的去高频电容往往是有 利的即使是用电池供电的系统也需要这种电容。每10片左右 的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小 可选lO 。尽量不用电解电容，电解电容是两层溥膜卷起来的， 这种卷起来的结构在高频时表现为电感最好使用钽电容 去 耦电容值的选取并不严格，可按C=l 计算，即10MHz取 01lxF，对微控制器构成的系统取01 00l F都可以。 3结束语 成功设计了基于单片机C8051FD4O开发柴油高压共轨控 制系统的电控单元(ECU)。利用了内部丰富的资源模块。节约 了外部的扩展电路，增加了系统的可靠性：系统硬件的设计采 用模块化的设计方法，使设计、调试和修改都变得简单有条理， 同时减少了开发的时问和成本 参考文献 1RALFSENBURGBOSCH开发的柴油机用共轨式电控喷油系统 J内燃机燃油喷射和控制，2OOO(1)：610 2王军，张幽彤柴油机高压共轨电控单元的开发J小型内燃机 与摩托车，2006(1)：l720 20091I机电一体化83
