基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器研究

摘 要：ECU作为汽车发动机控制系统的核心，对其进行自主知识产权的智能研究是十分必要的。结合国内实际和总结分析现有系统，采用世界先进技术和综合设计思想，给出了基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器的设计方案，包括系统硬件控制结构和软件控制算法，这是进一步设计整体控制系统的前期基础工作。关键词：发动机;电控单元;CAN总线;智能电子控制器1 引言　　目前，我国生产的中高档轿车的发动机虽然基本上都采用了燃油电喷技术，并对电喷系统的元器件已基本具备了配套研发能力和生产能力，但却没有电喷发动机自主知识产权，均属于引进国外电喷发动机生产线或电喷系统。特别是作为核心部件的ECU（电控单元）却被外商掌握，ECU中的喷油和点火MAP、控制算法和程序是完全保密的。同时，进口国别多、品种规格杂，一些企业缺乏选择论证，引进的技术水平和产品质量参差不齐，不少缺乏充分的匹配实验。　　本研究项目正是一个将人、车与环境作为综合系统，对各种因素进行综合协调，使汽车的控制性能趋于最优的ECU。因此，具有较高的经济效益与社会效益，将促进工业控制网络及嵌入式控制系统在汽车工业的应用，使汽车更加智能化、人性化。2 研究内容　　本项目研究的主要控制对象是燃油喷射和点火装置。同时还具有一些相关的辅助控制功能。主要包括：　　（1）智能燃油喷射控制IIC（Intelligent Injection Control），主要包括喷油量、喷射定时、燃油停供及油泵的控制。由于采用了智能设计，解决固定控制算法的不足，可有效的节约燃油，有助于整体性能的提高。　　（2）进气控制，主要包括动力阀和涡流阀控制，可有效改善和提高发动机的输出扭矩和动力。　　（3）增压控制，ECU根据进气压力传感器检测的进气压力信号去控制释压电磁阀，以控制排气通路切换阀，改变排气通路的走向，从而控制废气涡轮增压器进入工作或停止状态。　　（4）电子点火控制ESI（Electrical Spark Ignite），点火装置的控制主要包括点火提前角控制、通电时间（闭合角）与恒流控制、爆震控制等方面。　　（5）怠速控制ISC（Idle Speed Control），发动机在汽车运转、空调压缩机工作、变速器挂入档位、发电机负荷加大等不同怠速运转工况下，由ECU控制怠速控制阀，使发动机都能处在最佳怠速转速下运转。　　（6）排放控制，控制项目主要有：排气再循环控制EGR（Exhaust Gas Recirculation Control）、氧传感器及三元催化开环和闭环控制、二次空气喷射控制、活性炭罐电磁阀控制等。　　（7）警告与提示，ECU控制各种提示和警告装置，显示有关控制系统的工作状况，若控制系统出现故障时发出警告信号。　　（8）传感器故障预诊参考系统（失效保护），当主ECU检测到传感器或线路故障时，即会按主ECU预先程序提供的设定值，以便发动机仍能保持运转，但性能将有所下降。　　（9）主ECU故障备用冗余系统，当主ECU发生故障时，则会自动启动备用冗余系统，使发动机转入强制运转状态，以便驾驶员将其开去修理。3 电喷系统的组成　　电喷系统除了一般化油器发动机都有的电源、冲电装置、点火装置及起动装置外，还有电子燃料喷射控制装置、怠速控制装置、电控单元ECU及各种信号采集装置（传感器）。图3-1所示就是一种电喷射系统的组成。[align=center]图3-1 电喷系统的基本组成Fig.3-1 the basic composition of electronic injection system1.油箱；2.电控油泵；3.燃油滤清器；4.ECU；5.燃油喷射阀；6.燃油控制阀及油压调节器；7.进气歧管；8.冷启动阀；9.节气门位置传感器；10.空气传感器；11.氧浓度传感器；12.热定时开关；13.水温传感器；14.点火分配器；15.怠速执行器；16.电池；17.点火及启动开关[/align]　　可以把图3-1所示的电喷系统分为执行机构、信号采集装置、信号处理控制装置三个部分，它们之间的相互关系如图3-2所示。[align=center]图3-2电喷系统各部分间关系Fig.3-2 the relation for parts of electronic injection system[/align]　　执行机构包括喷油器，点火线圈及火花塞、怠速器。采集的信号有：节气门开度、进气歧管内压力、转速、爆震信号、机体冷却水温、尾气氧浓度、进气温度。ECU作为信号处理控制装置，将信号经过一系列的处理，转化为可识别的值再经过计算处理得到输出执行机构的控制信号。　　ECU的控制精准度除了要求采集的信号必须实时及准确外，执行机构的运动也要精确。而在ECU控制程序中采用一些的算法则不仅可以实现更高的控制精度，还可以补偿一些由信号采集的非实时及执行机构运动精度不高带来的误差。4 ECU　　通过对电喷系统的组成分析，我们可明显的ECU作为控制核心的重要地位。由于控制对象的时变性和非线性，采用ECU的发动机控制系统已向集中控制系统方向发展：在控制结构上，以ECU为核心，通过CAN总线与I/O设备建立通信;在控制算法上，用模糊控制理论、PID调节、BP神经网络相结合的方法，构造稳态控制的MAP和怠速控制的模型。图4-1给出了电喷系统的控制结构。[align=center]图4-1电喷系统控制结构Fig.4-1 the control structure of electronic injection system[/align]　　ECU的CPU采用具有浮点运算能力的DSP芯片，而各检测信号和驱动控制电路可采用具有A/D、开关量转换的独立单片机或CAN总线接口。其结构确定后，ECU的控制能力就在于控制程序的开发。由于控制状态和策略复杂，下面以ESI为例说明。　　ESI的控制核心问题是点火提前角的控制。而在不同的工况下其控制的策略是完全不同：当发动机处于启动工况时，由于启动速度波动大且快，不可能根据MAP图确定点火提前角;当发动机处于暂态工况时，由于是开环控制，可直接用插值方法计算点火提前角;当发动机处于稳态工况时，要判断是否爆振，并据此采用闭环控制，即对上次的MAP图值进行递阶调节，以获得最优的点火提前角。图4-2是点火提前角的控制程序流程图。[align=center]图4-2 点火提前角控制程序流程图Fig.4-2 the control procedure flow chart of ignition angle[/align]5 结论　　本文是在对现有系统以及国内外的相关研究最新科研成果的分析和总结的基础上，提出基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器的设计方案，且需进一步的进行各种参数的模拟台架实验，最终给出各种工况的智能MAP和控制程序。参考文献　　[1] 刘建辉等.基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器.项目研究报告,2003　　[2] 阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999　　[3] 陈华.发动机燃油单点喷射电子控制系统研究[D].成都:四川大学,2001