GDI發(fā)動機ECU中幾個功能模塊的控制軟件設(shè)計.pdf

1、隨著汽車排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格和油耗法規(guī)的實施，對發(fā)動機的排放和經(jīng)濟性要求越來越高。作為內(nèi)燃機行業(yè)中解決能源和環(huán)境問題的重要方向之一，汽油直噴(Gasoline Direct Injection，GDI)發(fā)動機以其熱效率高、油耗低、冷啟動性能好和排放低等一系列優(yōu)勢而成為當(dāng)今的研究熱點，作為GDI發(fā)動機技術(shù)的一個重要部分，GDI發(fā)動機電控單元(ECU)的開發(fā)也成為研究的重點之一。
　　ECU中的軟件是GDI發(fā)動機電控技術(shù)開發(fā)中的重點和難

2、點。按照層模型結(jié)構(gòu)，發(fā)動機ECU軟件分為應(yīng)用軟件層、運行時間環(huán)境(Run Time Environment，RTE)層和基礎(chǔ)軟件層，涉及到功能、策略、算法、監(jiān)控、診斷、通信和IO控制等?；A(chǔ)軟件層包括實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System，RTOS)、IO硬件抽象層、微控制器抽象層和復(fù)雜驅(qū)動層。其中，IO硬件抽象層和復(fù)雜驅(qū)動層與硬件相關(guān)，需要在基礎(chǔ)軟件層配置階段，根據(jù)應(yīng)用軟件層要求的接口以及ECU提供的硬件資

3、源來實現(xiàn)。
　　在前期的研究中，初步完成了臺架實驗用GDI發(fā)動機ECU的總體設(shè)計，硬件部分包括傳感器信號處理電路、爆震信號檢測電路、噴油器驅(qū)動電路、點火驅(qū)動電路、VVT機油壓力控制電磁閥驅(qū)動電路和ETC模塊驅(qū)動電路等。在軟件方面，進(jìn)行了電控系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和后臺標(biāo)定軟件的設(shè)計。本文在此基礎(chǔ)上，在ECU中增加了寬域排氣氧(Universal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)傳感器的硬件接口電路，設(shè)計了幾個重要功

4、能模塊與硬件相關(guān)的驅(qū)動層軟件和一部分控制算法，主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)點火控制模塊程序設(shè)計
　　點火控制模塊由點火提前角控制和爆震檢測模塊組成。點火提前角控制包括閉合角控制和點火提前角控制，閉合角和點火提前角可以由用戶設(shè)置。程序根據(jù)曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號判別將要點火的氣缸和氣缸壓縮上止點，再根據(jù)設(shè)定的閉合角和點火提前角以及當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，計算閉合角對應(yīng)的通電時間。然后，根據(jù)曲軸位置傳感器齒隙脈沖間隔計算

5、斷電時刻，輸出缸序控制和點火正時信號。
　　閉環(huán)控制時，點火提前角依據(jù)爆震強度來調(diào)節(jié)。微控制器通過串行外設(shè)接口(SPI)與爆震信號專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)HIP9011通訊，設(shè)置爆震芯片的工作模式和工作參數(shù)，參數(shù)包括積分時間常數(shù)、放大倍數(shù)、帶通濾波器頻率等。爆震檢測程序根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)定的爆震檢測窗口起始位置和寬度以及爆震判定閾值，由獲取的檢測窗口內(nèi)的

6、爆震信號積分值和閾值，判別爆震并計算爆震強度。根據(jù)計算或查表得到的點火提前角修正值，調(diào)節(jié)點火正時。利用信號發(fā)生器模擬爆震信號，對爆震檢測程序進(jìn)行了初步檢驗。結(jié)果表明，程序能夠有效提取不同幅值爆震所對應(yīng)的信號處理值。
　　(2)燃油控制模塊程序設(shè)計
　　燃油控制模塊南燃油軌壓控制模塊和燃油噴射控制模塊組成。南于GDI發(fā)動機的燃油直接噴入到氣缸內(nèi)，為了提高燃油霧化程度，噴油壓力可達(dá)5～20MPa，因此，燃油噴射壓力控制的穩(wěn)定性直

7、接影響到燃油計量的精確性。燃油軌壓控制模塊根據(jù)燃油壓力傳感器的反饋信號，通過控制高壓油泵內(nèi)燃油壓力調(diào)節(jié)閥的開啟時刻來控制燃油軌壓。本文根據(jù)對高壓油泵的壓油特性，確定了燃油軌壓的控制方法。以壓油凸輪軸型線上升階段下止點與上止點之間的某個時刻為供油起始時刻，型線的上止點為供油結(jié)束時刻。根據(jù)壓油凸輪軸與曲軸信號的相位關(guān)系，在合適的時刻輸出供油信號。設(shè)計了燃油軌壓控制邏輯，將軌壓控制分為啟動和啟動后兩個階段，啟動階段采用查表控制，啟動后采用預(yù)控

8、制和PID反饋控制相結(jié)合的控制方法。在燃油系統(tǒng)實驗臺上進(jìn)行了燃油軌壓控制實驗，結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)軌壓為10MPa，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為503r/min、噴油脈寬為3ms時，軌壓的波動范圍小于0.04MPa。
　　噴油量控制和噴油正時控制是燃油噴射控制模塊的基本任務(wù)，噴油驅(qū)動程序可以實現(xiàn)兩次噴射的功能，一次在吸氣沖程，另一次在壓縮沖程。噴射脈寬由給定的噴油量和燃油軌壓查表確定，根據(jù)曲軸位置傳感器和凸輪軸位置傳感器信號判別將要噴油的氣缸和氣缸排

9、氣上止點，再根據(jù)設(shè)定的噴油提前角和曲軸位置傳感器齒隙脈沖間隔以及當(dāng)前的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，確定噴油時刻，輸出噴油信號。
　　(3)電子節(jié)氣門控制(Electric Throttle Control，ETC)模塊程序設(shè)計
　　ETC模塊通過輸出PWM脈沖控制直流伺服電機來改變節(jié)氣門開度，并根據(jù)節(jié)氣門位置傳感器的反饋信息進(jìn)行閉環(huán)控制。其主要作用是控制進(jìn)氣量，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)動機的扭矩，并且在巡航控制模式下控制發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。通過改進(jìn)節(jié)氣門控制算

10、法，采用閉環(huán)控制策略與非線性補償相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了電子節(jié)氣門快速、穩(wěn)定控制，減小了控制時出現(xiàn)的超調(diào)。
　　(4)進(jìn)氣可變氣門正時(VVT)控制模塊程序設(shè)計
　　可變氣門正時(Variable Valve Timing，VVT)控制模塊控制通過液壓控制電磁閥供油和泄油通路來改變凸輪軸相位，調(diào)節(jié)氣門正時，優(yōu)化發(fā)動機的吸氣和排氣過程，提高充氣效率，改善動力輸出、燃油經(jīng)濟性和怠速穩(wěn)定性，并通過內(nèi)部EGR降低NOx排放。本文設(shè)計了進(jìn)

11、氣可變氣門正時(VVT)的控制算法，根據(jù)曲軸與凸輪軸信號相對位置關(guān)系的變化來判別VVT相位，分別采用增量式分段PID控制和模糊控制算法控制進(jìn)氣門相位，在VVT試驗臺上進(jìn)行了控制試驗。結(jié)果表明，兩種算法都能將誤差控制在±1°范圍內(nèi)，但是模糊控制的控制速度更快，超調(diào)量較小。
　　(5)寬域廢氣氧傳感器接口控制單元硬、軟件設(shè)計
　　嚴(yán)格的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)和稀薄燃燒技術(shù)的應(yīng)用，要求在一定范圍內(nèi)精確控制空燃比，由于寬域廢氣氧(Univ

12、ersal Exhaust Gas Oxygen，UEGO)傳感器具有較寬的測量范圍，已成為發(fā)動機空燃比控制系統(tǒng)的重要部件。但是，這種傳感器的可靠工作與測量精度在很大程度上依賴于傳感器接口控制單元。為此，基于CJ125接口芯片設(shè)計了UEGO傳感器LSU4.2/LSU4.9的控制電路，基于PI控制算法設(shè)計了UEGO傳感器加熱控制程序。加熱控制實驗結(jié)果表明，采用這種PI控制算法，控制過程平穩(wěn)、控制精度較高，13s內(nèi)便可達(dá)到750℃的傳感器目