专利名称：汽油发动机智能电子控制单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发动机电子控制单元(ECU),特别是一种专门针对368Q三缸汽油发 动机的电子控制单元，属于汽车电子控制技术领域。 背承技术368Q发动机是一种三汽缸、点燃式、排量为O.S升的汽油发动机，在中国主要装在长 安奥拓、江南奥拓等微型轿车上，本发明目的在于提供一种具有极高可靠性同时又成本低 廉、软件智能化程度高的发动机电子控制单元。传统的368Q发动机电子控制单元中，由于采用达林顿管驱动功率执行机构(点火线 圈、步难电机、喷油嘴等)，所采用的功率驱动器件发热较大，需要特殊的散热机构把功率 器件发出的热导致铝合金外壳，这也导致功率器件受到一定应力，影响了产品的可靠性。 如果功率驱动元件正常工作时基本发热很少，且功率器件全部采用表面焊接方式，则能大 大提高电子线路的可靠性。通过发动机曲轴位置信号能获取发动机旋转速度，所以准确测 量该信号是发动机控制的基础。368Q发动机属于小排量的发动机，对于所匹配的微型轿车显得储备功率不够，为了适 应各种动态工况，软件复杂程度大大增加，需要集成人的控制经验，保证各种工况下汽车 运行良好。为了适应各种标号的汽油，提高发动机的燃油经济性，需要尽可能加大点火提前角， 为此需要检测发动机是否爆震，以优化点火提前角。综上所述，368Q发动机对其电子控制单元的要求是价格很低廉、同时产品非常可靠， 且有极强的自适应性。发明内容本发明的目的在于提供一个专门针对368Q三气缸汽油机结构简洁又有较高智能性的 发动机电子控制单元。本发明的目的通过如下技术方案实现368Q汽油发动机智能电子控制单元，包括主控高速MEGA128单片机、喷油嘴智能驱动、怠速步进电机智能驱动芯片、智能点火驱动芯片、碳罐阀智能功率驱动、数字信号处 理电路、模拟信号输入处理电路、通信电路和电源；喷油嘴智能驱动芯片、怠速步进电机 智能驱动芯片、智能点火驱动芯片、碳罐阀智能功率驱动、数字信号处理电路、模拟信号 输入处理电路、通信电路和电源分别与主控高速MEGA128单片机信号连接；该控制单元 还包括磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路和爆震模式识别单片机；所述磁阻自适应 发动机曲轴位置信号接口电路和爆震模式识别单片机与主控高速MEGA128单片机信号连 接；所述爆震模式识别单片机MEGA8高速小型单片机，与原始的爆震信号输入端连接； MEGA8髙速小型单片机内部嵌入了基于离散傅立叶变换的发动机爆震检测模式识别软件， 把发动机爆震信息经串行通信告之主控髙速MEGA128单片机。所述喷油嘴智能驱动芯片为智能功率场效应管BTS142D，与喷油嘴相连，控制喷油嘴 的喷油量。所述怠速步进电机智能驱动芯片为TLE4729G,与怠速歩进电机相连，控制步进电机 的丌启步数。所述智能点火驱动芯片为VB325SP芯片，与点火线圈相连，控制点火线圈的充电与放电。所述碳罐阀智能功率驱动与碳罐阀相连，控制碳罐阀开度。所述数字信号处理电路采用74HC240缓冲器，把输入开关信号变为数字电平信号并输 出到主控单片机；所述模拟信号处理电路采用模拟运算放大器LM2卯3构造二阶巴特沃斯滤波器，把发动机的模拟信号滤波后输出至主控单片机。所述曲轴位置信号磁阻自适应接口电路包括峰值保持电路、过零检测电路和峰值适配 电路；所述括峰值保持电路由第一比较器、三个二极管、电容和第一电阻组成，第一比较 器的输出端与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与串联连接的第二、第三二极管 连接，还与并联连接的电容和第一电阻连接；峰值适配电路由第二比较器以及第二和第三 电阻组成，第二比较器正极与第一比较器的负极及第三二极管的阴极连接，第二比较器负 极经第三电阻与其输出端相连；过零检测电路包括第三比较器和三极管，第二比较器通过 第二电阻与第三比较器的负极连接，第三比较器的输出端与三极管的基极相连，三极管的 发射极接地，集电极开路输出第三比较器的正极与第一比较器正极连接，并与电流限流 电阻连接。本发明采用驱动电流大、导通电阻小的智能垂直工艺功率场效应管(POWERMOSFET) 作为功率驱动，使电磁阀、喷油嘴、点火线圏的功率驱动都无需加装散热器，且所采用功率驱动芯片还具有智能电路故障诊断功能。与电池电源相连的电压稳定调节器和功率驱动 都具有电压飞升自我保护功能。对于特殊的输入信号如测量发动机曲轴位置和转速的曲轴 位置传感器，为适应该信号是一个交流电压信号，且信号幅值随发动机转速变化而大范围 波动的特点，采用磁阻自适应电路作为接口电路处理。针对368Q发动机特点，本发明设计了系列局部智能控制算法，使整车的废气排放、 驾驶性能有明显改善。本发明与现有技术有如下优点(1) 电控单元电路无需额外散热器导热至ECU外壳，其耐受振动冲击、防水性能优 于同类产品。(2) 电压调整稳定模块和功率驱动模块都有智能自保护功能，耐受电池头瞬间松脱导 致电压突然飞升的电压冲击(Load Dump)能力优于同类产品。(4) 采用磁阻自适应电路处理发动机曲轴位置信号，而不是通过电压比较法处理该信 号，能自动适应输入信号幅值的动态变化。(5) 采用数字信号处理方法(离散付立叶变换)处理爆震信号识别发动机爆震，误识 别率低于传统模拟信号处理方法。(6) 除实现基本的发动机控制策略外，还针对368Q发动机的特点引入一系列局部智 能控制，使所匹配车的怠速排放指标、二十八工况循环排放指标、整车加速性能优于同类 产品。
图l为本发明的原理方框图。图2为点火驱动芯片电路板布局设计。图3为MEGA8单片机基于离散付立叶变换的爆震模式识别流程图。图4为磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路原理图。图5为喷油脉宽计算流程框图。图6为点火提前角控制计算流程框图。图7为怠速步进电机控制计算流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，368Q汽油发动机智能电子控制单元包括主控髙速MEGA128单片机1、 喷油嘴智能驱动4、怠速步进电机智能驱动芯片5、智能点火驱动芯片6、碳罐阀智能功率驱动7、数字信号处理电路8、模拟信号输入处理电路9、通信电路10和电源11;喷油嘴 智能驱动4、怠速歩进电机智能驱动芯片5、智能点火驱动芯片6、碳罐阀智能功率驱动7、 数字信号处理电路8、模拟信号输入处理电路9、通信电路10和电源11分别与主控高速 MEGA128单片机l信号连接;该控制单元还包括磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路 2和爆震模式识别单片机3;所述磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路2、爆震模式识 别单片机3与主控高速MEGA128单片机1信号连接。图1中各箭头表示各部分的连接关 系。磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路2把交流的位置信号变换为直流脉冲信号， 输入给主控单片机，这是整个发动机控制系统的主信号。主控髙速八位单片机1采用MEGA128单片机，为智能电子控制单元的核心，发动机 控制软件由该单片机负责执行。主控单片机把控制信号输出至各个输出芯片以驱动喷油嘴智能驱动4、怠速步进电机 智能驱动芯片5、智能点火驱动芯片6和碳罐阀智能功率驱动7，智能驱动芯片把命令执行 情况反馈回主控单片机。智能功率驱动，是指所采用的功率驱动芯片不仅有TE常的功率驱 动功能而且还有故障'*断和异常自保护功能，芯片能侦测到外部执行器电路是否短路、开 路等故障并反馈给单片机。喷油嘴智能驱动芯片4为智能功率场效应管BTS142D，它与喷油嘴相连，控制喷油嘴 的喷油量。怠速步进电机智能驱动芯片5釆用TLE4729G，它与怠速步进电机相连，控制 步进电机的开启步数。智能点火驱动芯片6为VB325SP，它与点火线圈相连，控制点火线 圈的充电与放电。碳罐阀智能功率驱动7与碳罐阀相连，控制碳罐阀开度。数字信号处理 电路8采用74HC240缓冲器，把输入开关信号变为数字电平信号并输出到主控单片机。模 拟信号处理电路9采用模拟运算放大器LM2903构造二阶巴特沃斯滤波器，把发动机的模 拟信号滤波后输出至主控单片机。通信电路IO实现控制单元与外界的信息交换。系统电源 ll连接电池，把波动的电池电压降为+5V稳定电压，作为工作电源供应给控制单元的各部 件。爆震模式识别单片机3选用MEGA8髙速小型单片机，与原始的爆震信号输入端连接 MEGA8髙速小型单片机内部嵌入了基于离散傅立叶变换的发动机爆震检测模式识别软件， 把发动机爆震信息经串行通信告之主控髙速MEGA128单片机1。为动态优化发动机点火控制，必须实时检测发动机爆震信号，传统是基于模拟可编程 放大器设计带通滤波器实现爆震模式识别。本发明采用数字信号处理技术实现爆震识别。如图3所示为MEGA8单片机基于离散付立叶变换的爆震模式识别流程图，首先是把原始爆震信号进行滤波放大，然后提取爆震信号的时间域振动特征，再提取爆震信号的频 率域振动特征，最后计算爆震信号的频谱能量，判断发动机是否发生爆震。算法核心是对 时变输入信号进行离散付立叶变换。提取爆震信号的频率域振动特征是基于离散付立叶变换(DFT),求得8个爆震频谱段感兴趣点的频谱能量，频谱能量由频点正弦分量幅值表示。 这8个感兴趣的频点是5KHz、 6KHz、 7KHz、 8KHz、 9KHz、 10KHz、 llKHz、 12KHz。离散付 立叶变换计算公式如式1所示
<formula>formula see original document page 8</formula> (式1)上式中^是频率索引数、n是柴样时间索引数、N是样本长度、x(n)是时域信号值、 X[k]是频域正弦分量幅值。具伴某点频率的幅值根据式2计算。<formula>formula see original document page 8</formula> (式2) 上式中，<formula>formula see original document page 8</formula>如图4所示为曲轴位置信号磁阻自适应接口电路原理图。发动机控制系统的主输入信 号是曲轴位置信号，发动机曲轴位置采用电磁感应式传感器测量。曲轴位置信号的幅值与 频率随发动机曲轴转速的变化而变化(幅值从1. 3V交流变化至36V交流，频率由十几赫兹 变化到几千赫兹)。所以处理该信号不能采用固定比较门值的电压比较法，而是采用磁阻自 适应电路处理该信号，检测由正到负过零信号，触发输出脉冲。如图4所示，曲轴位置信 号磁阻自适应接口电路2包括峰值保持电路、过零检测电路和峰值适配电路；所述括峰值 保持电路由第一比较器A1、三个二极管、电容Ce和第一电阻Rl组成，第一比较器的输 出端与第一二极管D1的阳极连接，第一二极管D1的阴极与串联连接的第二二极管D2和 第三二极管D3连接，还与并联连接的电容Ce和第一电阻Rl连接；峰值适配电路由第二 比较器A2以及第二和第三电阻R2、 R3,第二比较器A2正极与第一比较器A1的负极及 第三二极管的阴极连接，第二比较器A2负极经第三电阻R3与其输出端相连；过零检测电 路包括第三比较器A3和三极管T,第二比较器A2通过第二电阻R2与第三比较器A3的负 极连接，第三比较器A3的输出端与三极管T的基极相连，三极管的发射极接地，集电极 丌路输出；第三比较器A3的正极与第一比较器A1正极连接，并与电流限流电阻RO连接。 曲轴位置信号自电流限流电阻R0接入。该曲轴位置信号磁阻自适应接口电路设置一个随输 入信号幅值自适应变化的迟滞电路，输入信号幅值大于迟滞门限值才能触发输出脉冲信号。 图4中电容Ce起信号峰值保持作用，输入信号幅值变化则Ce上的电压随之变化。当输入 信号下降沿低于0V则触发一个输出脉冲，不是一般信号下降沿就触发一个输出脉冲。主控单片机通过计算上输出脉冲的时间间隔，就能计算出发动机旋转速度。如图2所示为无需额外散热器的智能功率驱动电路布局设计，图中点火驱动芯片 VB325SP 2-1为带恒流功能的智能垂直工艺点火驱动芯片，正常工作时微发热。该芯片是 表面焊接封装形式贴在线路板，芯片两端连接较大面积双面裸露铜箔2-2,并在双面裸露铜 箔2-2钻多个上下对流散热过孔，保证正常工作时驱动芯片温度在40"以下，使点火驱动 也无需额外加装散热器。双面裸露铜箔2-2正面外围为绝缘层2-3。针对喷油嘴、碳罐阀、 继电器组统一采用智能功率场效应管BTS142D作为驱动，对于这些负载，场效应管 BTS142D工作时不发热，无需散热处理。当电控单元电路板没有传统功率驱动电路所需的散热器，可避免功率芯片紧贴散热器 安装所产生的不必要安装应力，大大提高电路板整体耐受振动冲击的能力，使电控单元适 应汽车这种振动工作环境，另一方面没有散热器使电路板采用简单的中间安装方式，电路 板安装平面与铝合金外壳上下距离大于6毫米，保证即使万一有事故有一点水进入控制单 元仍不致被水浸没电路板，避免短路烧毁电子器件事故。本电子控制单元的控制软件是针对368Q这种三缸汽油机开发，控制软件主要由喷油 脉宽计算、点火提前角计算、怠速步进电机运行步数计算三大部分构成。图5是针对发动机燃料供给的喷油脉宽计算流程图，该软件的把发动机的运行分为启 动、怠速、行驶(油门位置离开怠速位置)三种模式，每一种模式中又分为逻辑互斥的若 干状态，如正常行驶模式中分为急加速、急减速、稳速、满负荷等状态，每一种状态有其 特有的喷油计算子程序。在启动模式，首先通过事先的实验获得基本的开环启动喷油量， 软件再通过测量发动机实际的启动负荷以修正启动喷油量，发动机启动暖机过程，则根据 发动机水温和转速修正设定的空气/燃料比。在怠速模式，采取递阶模糊控制，首先根据发 动机水温与发动机转速确定基本怠速喷油量，再根据氧传感器测量值修正怠速喷油脉宽， 同时主控单片机监视发动机有无怠速异常负荷扰动，若有则增加额外的喷油以稳定怠速。 在行驶模式，首先基于发动机转速与负荷计算出基本行驶喷油脉宽，再根据发动机所处的 具体状态，进行加速补偿、减速补偿与满负荷补偿以修正喷油脉宽。图6是点火提前角计算流程图，与喷油计算类似，也是区分发动机运行的不同模式与 状态，相应每一种特殊状态有特殊的点火提前角计算子程序。在启动模式基本是采用固定 点火提甜角，在怠速模式首先是根据发动机转速确定点火提前角，在判断发动机转速的实 际波动情况，增加或减少点火提前角以减少发动机转速波动，实现怠速稳定化。在行驶模 式，由发动机转速与负荷确定基本的点火提前角，而由爆震识别单片机获取的发动机爆震信息作为主控单片机的反馈信号，调整点火提前角，以获得最佳点火提前角。图7是怠速步进电机的运行位置计算流程图，仍然是根据发动机的运行模式，分别计 算怠速步进电机的运行位置。另外除了根据发动机负荷与冷却液温度，并区分发动机运行 状态计算怠速步进电机位置外，还特意增加油门离开与回到怠速位置的动态补偿，以改善 汽车运行的平顺性。
权利要求
1、368Q汽油发动机智能电子控制单元，包括主控高速MEGA128单片机、喷油嘴智能驱动、怠速步进电机智能驱动芯片、智能点火驱动芯片、碳罐阀智能功率驱动、数字信号处理电路、模拟信号输入处理电路、通信电路和电源；喷油嘴智能驱动芯片、怠速步进电机智能驱动芯片、智能点火驱动芯片、碳罐阀智能功率驱动、数字信号处理电路、模拟信号输入处理电路、通信电路和电源分别与主控高速MEGA128单片机信号连接；其特征在于，该控制单元还包括磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路和爆震模式识别单片机；所述磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路和爆震模式识别单片机与主控高速MEGA128单片机信号连接；所述爆震模式识别单片机MEGA8高速小型单片机，与原始的爆震信号输入端连接；MEGA8高速小型单片机内部嵌入了基于离散傅立叶变换的发动机爆震检测模式识别软件，把发动机爆震信息经串行通信告之主控高速MEGA128单片机。
2、 根据权利要求1所述的368Q汽油发动机智能电子控制单元，其特征在于，所述喷 油嘴智能驱动芯片为智能功率场效应管BTS142D，与喷油嘴相连，控制喷油嘴的喷油量。
3、 根据权利要求1所述的368Q汽油发动机智能电子控制单元，其特征在于，所述怠 速步进电机智能驱动芯片为TLE4729G，与怠速步进电机相连，控制步进电机的开启歩数。
4、 根据权利要求1所述的368Q汽油发动机智能电子控制单元，其特征在于，所述智 能点火驱动芯片为VB325SP芯片，与点火线圈相连，控制点火线圈的充电与放电。
5、 根据权利要求1所述的368Q汽油发动机智能电子控制单元，其特征在于，所述碳 罐阀智能功率驱动与碳罐阀相连，控制碳罐阀开度。
6、 根据权利要求1所述的368Q汽油发动机智能电子控制单元，其特征在于，所述数 字信号处理电路采用74HC240缓冲器，把输入开关信号变为数字电平信号并输出到主控单 片机；所述模拟信号处理电路采用模拟运算放大器LM2903构造二阶巴特沃斯滤波器，把 发动机的模拟信号滤波后输出至主控单片机。
7、 根据权利要求1所述的368Q汽油发动机智能电子控制单元，其特征在于，所述曲 轴位置信号磁阻自适应接口电路包括峰值保持电路、过零检测电路和峰值适配电路；所述 括峰值保持电路由第一比较器、三个二极管、电容和第一电阻组成，第一比较器的输出端 与第一二极管的阳极连接，第一二极管的阴极与串联连接的第二、第三二极管连接，还与 并联连接的电容和第一电阻连接；峰值适配电路由第二比较器以及第二和第三电阻组成， 第二比较器正极与第一比较器的负极及第三二极管的阴极连接，第二比较器负极经第三电阻与其输出端相连；过零检测电路包括第三比较器和三极管，第二比较器通过第二电阻与 第三比较器的负极连接，第三比较器的输出端与三极管的基极相连，三极管的发射极接地， 集电极开路输出第三比较器的正极与第一比较器正极连接，并与电流限流电阻连接。
全文摘要
本发明公开了368Q汽油发动机智能电子控制单元，该控制单元磁阻自适应发动机曲轴位置信号接口电路和爆震模式识别单片机与主控高速MEGA128单片机信号连接；爆震模式识别单片机MEGA8高速小型单片机，与原始的爆震信号输入端连接；MEGA8高速小型单片机内部嵌入了基于离散傅立叶变换的发动机爆震检测模式识别软件，把发动机爆震信息经串行通信告之主控高速MEGA128单片机。该控制单元专门针对368Q发动机的特殊性，设计了智能控制软件，保证良好的启动性、加速性，并使发动机综合油耗最低，该无需额外加装散热器散热的功率驱动电路结构。
文档编号F02D43/00GK101225775SQ200710032530
公开日2008年7月23日 申请日期2007年12月14日 优先权日2007年12月14日
发明者李树英, 兵 肖 申请人:华南理工大学