专利名称：基于曲轴绝对转角传感器的发动机喷射及点火控制装置的制作方法
技术领域：
基于曲轴绝对转角传感器的发动机喷射及点火控制装置，属于发动机电子控制技术领域。
背景技术：
为提高发动机效率，减少发动机燃油消耗，减少发动机有害污染物排放，发动机需要根据曲轴位置对喷油器燃油喷射(柴油发动机)或火花塞点火(汽油发动机)进行精确控制。现有传统发动机喷射、点火(其中的喷射、点火，以下简称喷射)控制系统包括曲轴信号齿及其传感器、凸轮轴信号齿及其传感器、喷油器或火花塞(其中的喷油器或火花塞，以下简称喷油器)和发动机电子控制单元，如图1所示。随曲轴飞轮旋转，曲轴信号齿(信号孔)传感器获得带缺齿的等角度脉冲信号，凸轮轴信号齿传感器获得带多齿的等角度脉冲信号。在发动机控制程序中，通过对曲轴脉冲信号进行计数，并通过瞬时转速计算插值方法获得当前曲轴转角位置。再利用凸轮轴信号确定喷射缸，完成喷射过程。
这种办法原理上是相对脉冲计数原理，受曲轴信号齿密度限制，所得到的曲轴转角位置分辨率较低(通常3~6度)。且还受齿加工精度影响，转角精度也不高(通常0.5度)，不能直接满足高精度控制需求。为了进一步提高控制精度(如0.1度)，在发动机控制中往往还需要进一步进行数据处理(如曲轴瞬时转速信号对脉冲信号进行插值估算)。这种方法不仅得到的转角位置信息不够精确，还使得喷射控制程序变得复杂，且对需要单片机的运算速度较高。
混合动力汽车技术在传统单独由发动机驱动的动力系统中加入了电机进行电力辅助驱动，从而有效的降低了车辆的燃油消耗和有害物排放。集成启动发电机(其中的集成启动发电机，简称ISG)混合动力系统是一种广泛应用于轿车、SUV等小型车辆的混合动力构型，其将发动机飞轮和电机二者合二为一，用电机转子替代了原有发动机的飞轮，电机定子替代飞轮壳，将电机集成到了发动机原有飞轮位置。由于其二者的紧密结合，又将电机和发动机统称为ISG混合动力发动机(其中的ISG混合动力发动机，简称混合动力发动机)。
混合动力发动机中的电机通常为交流永磁同步电机。由于电机需要根据转子位置对定子电流进行精确控制，因此需要精确获得转子位置信号。其控制系统主要包括ISG电机控制器和绝对转角传感器，如图2所示。其中绝对转角传感器安装于转子上，与发动机曲轴信号齿及其传感器测量的是同一个曲轴转角。绝对转角传感器通常为非接触式传感器。具有抗冲击振动性强，寿命长，信号分辨率高(如0.044度)，精度高(如0.2度)，响应快(如0.5微秒)，最大跟踪转速高(如30,000转/分钟)等特点。
在上述已经具备了绝对转角传感器的混合动力发动机控制系统中，现有发动机控制系统仍然沿用传统曲轴信号齿(信号孔)方法获得曲轴转角信号，而绝对转角传感器得到的转角位置信号只被电机控制系统所使用。处于同一个系统中的两个部件，独立使用自己的转角传感器，不仅是对传感器资源和成本的浪费，同时也没有完全发挥精度更高性能优良绝对转角传感器的优势。
对于非混合动力的传统发动机，通过安装绝对转角传感器替代现有的曲轴信号齿及其传感器，不仅可以提高发动机喷射控制精度，更可以简化喷射控制程序，同时为发动机管理系统提供了实现更多系统功能的可能。
发明内容
本发明的目的是为更精确的控制发动机喷射和点火以进一步降低发动机燃油消耗、降低有害污染物排放。
提出了一种基于曲轴绝对转角传感器的发动机喷射控制系统，包括控制电路和控制流程。
其中控制电路的特征在于，包括绝对转角传感器、凸轮轴信号齿及其传感器、D触发器、比较器、逻辑门和单片机。其中(1)绝对转角传感器数据输出与D触发器输入端相连；(2)单片机PWM输出模块与绝对转角传感器输入和D触发器时钟输入相连；(3)凸轮轴信号传感器与单片机第1数据输入端口相连；(4)D触发器输出与开始比较器输入端口P、结束比较器输入端口P和单片机第2数据输入端口相连；(5)单片机第1数据输出端口与开始比较器Q输入端口相连；(6)单片机第2数据输出端口与结束比较器Q输入端口相连；(7)开始比较器P＝Q输出端口和P＞Q输出端口与或门相连；(8)结束比较器P＝Q输出端口和P＞Q输出端口与与非门相连；(9)活门输出端口、与非门输出端口与第0与门输入端口相连；(10)第0与门输出端口与单片机外部中断输入端口、第1与门、第2与门、第3与门、第4与门输入端口相连；(11)单片机第3数据输出端口与第1与门输入端口相连；(12)单片机第4数据输出端口与第2与门输入端口相连；(13)单片机第5数据输出端口与第3与门输入端口相连；(14)单片机第6数据输出端口与第4与门输入端口相连；(15)第1与门输出端口与1缸喷油器驱动电路输入端口相连；(16)第2与门输出端口与2缸喷油器驱动电路输入端口相连；
(17)第3与门输出端口与3缸喷油器驱动电路输入端口相连；(18)第4与门输出端口与4缸喷油器驱动电路输入端口相连；其中控制流程基于硬件比较器和单片机中断触发实现了喷射信号自动发生方法，其特征在于(1)单片机PWM输出模块同时控制D触发器更新和绝对转角传感器变更抑制；(2)转角信号通过D触发器进行采样和保持；(3)喷射开始和结束转角通过开始和结束比较器自动进行比较并通过或门、与非门和与门运算得到喷射信号；(4)单片机通过数据输出端口输出选缸信号通过四个与门对四个喷油器、点火线圈驱动电路进行控制；(5)喷射结束信号自动触发单片机中断程序；(6)在中断程序中，单片机更新下一次喷射位置数据和选缸使能数据。为下一次喷射做好准备。
本发明提高了发动机喷射控制精度，简化了喷射软件程序，降低了单片机运算需求，并为发动机管理系统提供了更多功能。
图1现有传统发动机中的喷射控制系统示意图。
图2现有混合动力发动机中的发动机喷射控制系统和电机控制系统示意图。
图3为本发明结构示意图。
图4为本发明的电路结构示意图。
图5为本发明喷射控制流程示意图。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例进一步说明本发明。
图3为本发明结构示意图。如图3所示，包括绝对转角传感器、凸轮轴信号齿及其传感器、喷油器和发动机电子控制单元。其中凸轮轴信号齿及其传感器获得凸轮轴位置脉冲信号，传送给发动机电子控制单元。绝对转角传感器测量曲轴转角位置信号，传送发动机电子控制单元。发动机电子控制单元控制喷油器喷油(或火花塞点火)。其中，绝对转角传感器测量的曲轴转角位置信号在被发动机电子控制单元利用的同时还可以被其他控制系统共享，如ISG电机控制器，如图3中虚线框所示。其中本发明的电路结构示意图如图4所示。本实施例中的绝对转角传感器采用Tamagawa Seiki公司的Singlsyn旋转变压器及其Smartcoder控制电路芯片。旋转变压器共具有三种输出模式脉冲(串行数据)输出模式、独立并行输出模式和并行总线输出模式。其中只有并行独立输出模式支持数据多个控制器共享，因此应被配置工作在这个模式。在这种模式下，旋转变压器控制电路通过12条信号线(Data)并行输出12位数字信号，将12位数字信号按顺序进行组合可以得到一个0~4095的数字量。这个量就表示了测量的转角位置，其中0表示0度，4095表示179.9度。为保证12位数据的一致性，系统需要一个变更抑制输入信号(Inhibit)，当这个信号为有效电平(低电平)时，旋转变压器的12位数据输出保持不变，以供外部控制器进行采样。这些信号线被并联分别接入ISG电机控制器和发动机电子控制单元中，使得两者均可以向旋转变压器发出变更抑制输入信号，均可以得到转角位置信号。
本实施例中的发动机电子控制单元采用Freescale公司的32位单片机，其具备多个输入输出接口(I/O Port)、模块化输入/输出子系统(MIOS)、脉宽调制输出接口(PWM)和外部中断输入接口(Ext.Int)。原有的凸轮轴信号齿及其传感器产生的脉冲信号连接单片机MIOS模块，单片机通过对其计数从而确定当前喷射缸。旋转变压器数据输出接口信号首先送入一个D触发器以保证多位数据的一致性。单片机PWM模块控制旋转变压器变更抑制信号和D触发器时钟信号。D触发器输出端口Q将转角数据同时送入两个比较器的P端口。同时也送入单片机数据输入接口，以供发动机管理程序计算转速等用途使用。其中一个比较器用于比较喷射开始角度(开始比较器)，其Q端口用于存放喷射开始角度，通过单片机的I/O端口控制。其输出端口P＝Q和P＞Q通过一个或门后将得到P≥Q的逻辑运算。另一个比较器用于比较喷射结束角度(结束比较器)，其Q端口用于存放喷射结束角度，通过单片机I/O端口控制。其输出端口通过一个与非门后得到P＜Q的逻辑运算。两个逻辑运算结果再经过一个与门后即得到大于等于开始角度而小于结束角度的逻辑运算。此信号即为喷射信号，同时输入进单片机外部中断接口用于触发喷射控制程序。喷射信号通过与选缸信号进行与操作后控制喷油器驱动电路从而控制喷油器喷油。
基于上述喷射电路的喷射控制流程如图5所示。图5为本发明喷射控制流程示意图。单片机PWM首先输出周期为4微秒(通过计算在发动机3600转/分钟转速下保证0.1度转角精度)的PWM波，其中低电平用于抑制旋转变压器数据变更，上升沿用于D触发器更新数据。D触发器将旋变数据每4微秒更新一次后锁定，传送给开始和结束比较器进行比较。当转角值大于等于开始比较器时，比较器P＝Q端口P＞Q端口为高电平，通过或运算当P≥Q时得到高电平。结束比较器通过将P＝Q端口P＞Q端口进行与非运算后当P＜Q时得到高电平。两个信号进行与操作后得到具备上升和下降沿的喷射信号，并送入单片机中断。配合选缸使能信号，驱动喷油器喷油。当喷射信号下降沿时，单片机进入中断。在中断内单片机更新比较器的开始和结束喷射角度，并根据凸轮轴信号确定下次喷射缸使能信号，然后退出中断。
上述比较过程每4微秒发生一次，保证了在发动机3600转/分钟下喷射信号精度为0.1度曲轴转角，而不需要单片机干预。喷射完成后，通过外部中断触发单片机进入中断处理程序。程序中只需要按照当前喷射需求给出下次喷射位置信息和缸使能信号就可以了。这样，整个喷射过程基本由控制电路硬件实现，把单片机的计算量需求降到了最低程度。不许按照现有的计算转速、数据插值和转角预估的办法进行喷射控制，大大简化了喷射控制算法，降低了处理器运算速度的要求。
本发明除简化喷射控制外，通过利用更精确的和采样率更高的转角位置信息，发动机管理系统可以通过求导计算得到精确且更高带宽的发动机瞬时转速信号。进一步进行曲轴瞬时转速分析，就可以得知发动机缸内燃烧情况，从而实现失火检测、在线故障诊断(OBD)和多缸平衡等更先进的发动机管理功能。
权利要求
1.基于曲轴绝对转角传感器的发动机喷射及点火控制装置，其特征在于，该发动机喷射及点火控制装置包括绝对转角传感器、凸轮轴信号传感器、D触发器、比较器、逻辑门和单片机；绝对转角传感器数据输出端与D触发器输入端相连；单片机PWM输出模块与绝对转角传感器输入端和D触发器时钟输入端相连；凸轮轴信号传感器与单片机第1数据输入端口相连；D触发器输出端与开始比较器输入端口P、结束比较器输入端口P和单片机第2数据输入端口相连；单片机第1数据输出端口与开始比较器Q输入端口相连；单片机第2数据输出端口与结束比较器Q输入端口相连；开始比较器P＝Q输出端口和P＞Q输出端口与或门相连；结束比较器P＝Q输出端口和P＞Q输出端口与与非门相连；活门输出端口、与非门输出端口与第0与门输入端口相连；第0与门输出端口与单片机外部中断输入端口、第1与门、第2与门、第3与门、第4与门输入端口相连；单片机第3数据输出端口与第1与门输入端口相连；单片机第4数据输出端口与第2与门输入端口相连；单片机第5数据输出端口与第3与门输入端口相连；单片机第6数据输出端口与第4与门输入端口相连；第1与门输出端口与1缸喷油器驱动电路输入端口相连；第2与门输出端口与2缸喷油器驱动电路输入端口相连；第3与门输出端口与3缸喷油器驱动电路输入端口相连；第4与门输出端口与4缸喷油器驱动电路输入端口相连。
2.基于曲轴绝对转角传感器的发动机喷射及点火控制装置的喷射信号自动发生方法，其特征在于该喷射信号自动发生方法包括以下步骤(1)单片机PWM输出模块同时控制D触发器更新和绝对转角传感器变更抑制；(2)转角信号通过D触发器进行采样和保持；(3)喷射开始和结束转角通过开始和结束比较器自动进行比较并通过或门、与非门和与门运算得到喷射信号；(4)单片机通过数据输出端口输出选缸信号通过四个与门对四个喷油器、点火线圈驱动电路进行控制；(5)喷射结束信号自动触发单片机中断程序；(6)在中断程序中，单片机更新下一次喷射位置数据和选缸使能数据，为下一次喷射做好准备。
全文摘要
基于曲轴绝对转角传感器的发动机喷射及点火控制装置，属于发动机电子控制技术领域。包括绝对转角传感器、凸轮轴信号传感器、D触发器、比较器、逻辑门和单片机；绝对转角传感器数据输出端与D触发器输入端相连；单片机PWM输出模块与绝对转角传感器输入端和D触发器时钟输入相连；凸轮轴信号传感器与单片机第1数据输入端口相连；D触发器输出端与开始比较器输入端口P、结束比较器输入端口P和单片机第2数据输入端口相连；活门输出端口、与非门输出端口与第0与门输入端口相连；第1与门输出端口与1缸喷油器驱动电路输入端口相连。本发明提高了发动机喷射控制精度，简化了喷射程序，降低了单片机运算需求，为发动机管理系统提供了更多功能。
文档编号F02D41/26GK101070793SQ20071011896
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月15日 优先权日2007年6月15日
发明者田硕, 李立国, 欧阳明高 申请人:清华大学