摘 要： 介紹了一種基于32位微處理器PowerPC的車用多功能電子控制單元UECU32。利用PowerPC集成的時間處理單元(TPU)模塊提供的各種函數功能實現了發動機燃油噴射系統的控制，并實現了一臺8缸增壓中冷單體泵柴油機從原機發電特性到車用特性的轉變。
關鍵詞： PowerPC 電控 發動機
隨著對柴油機的動力性、經濟性、排放和噪聲要求的日益提高，特別是國內、外都對汽車用柴油機制定了日益嚴格的排放法規，使電控技術在汽車領域得到廣泛應用。燃油噴射系統是柴油機電控的核心部分，對噴油量、噴油率和噴油定時的控制直接影響到柴油機性能和排放。而電控單元的選擇直接決定系統的可靠性。
PowerPC是Freescale公司目前生產的單片機中一款32位產品，由于其強大的功能和優越的性能，被廣泛應用在汽車電控領域。其中MPC56x系列是車用單片機目前國際上最先進的32位機系列。MPC563的結構及功能：可集成1片512KB的Flash，用于存儲車用ECU的控制參數MAP圖；提供2個時間處理器TPU(最多具有48個TPU通道)，可以同時控制16缸柴油機各缸的噴油動作；中斷資源可擴展到48個；A/D通道32個；通用I/O口更可擴展到上百個；提供了3個高速CAN模塊和1個同步、異步隊列方式的串行通信模塊；66MHz的主頻、32/64位處理字長、RISC指令系統和流水線執行功能使其可以與工業控制計算機一較高低。基于該芯片強大功能建立的產品UECU32硬件系統其結構緊湊，資源豐富，可以提供發動機控制、車身控制和ABS控制等汽車電子控制功能。
1 硬件實現
1.1 UECU32簡介
UECU32是江奎集團有限公司汽車電子產業部研制的一款多功能電子控制單元，它普遍應用于汽車產業中，為發動機等設備匹配電子控制系統。UECU32以摩托羅拉32位微控制器PowerPC 563為內核，具有強大的接口和軟件支持能力；該產品成功地解決了諸如柴油機高壓共軌噴油器、泵噴嘴及單體泵等高速電磁鐵大電流脈沖驅動的難題，具有豐富的大電流驅動組合功能；可以提供用于12缸及12缸以下壓燃式發動機或6缸及6缸以下點燃式發動機的、達到歐洲3號排放標準電控單元的高性能、低成本解決方案，也可用于雙燃料及特殊用途發動機的電控解決方案；還可以提供車身控制和ABS控制等其他車用控制功能。UECU32的硬件內部結構和外觀如圖1所示。
UECU32功能：具有14路開關量輸入檢測，可實現對有源、無源傳感器的信號捕捉。其中7路具有預處理能力，可以實現信號的捕捉、定時和中斷；12路模擬信號輸入，10位精度；1組步進電機驅動，單相最大1A的驅動能力，提供診斷功能；4路整形輸入，可觸發中斷，具有其他預處理能力，提供診斷功能；2路氧傳感器信號輸入；2路爆震傳感器信號輸入，提供診斷功能；4路0.6A低位開關驅動；2路86V，峰值能量8焦耳，能量恢復時間約4.5ms，可支持高達110A峰值電流輸出；1路電系電壓高位開關PWM控制，支持0～28A持續電流和100A峰值電流輸出；18路低位開關，支持28A連續電流和110A峰值電流，提供短路、開路診斷功能及短路保護功能；高達6路汽油發動機點火高壓一次電流輸出；12V凈化電壓輸出，可提供2A電流；5V電壓輸出，可提供100ms電流；1個RS232接口，1個CAN總線接口（可根據用戶需要擴展），1個BDM接口；電源電壓：9～32V，適用于12V和24V車用電系。
1.2 驅動方式及控制對象
在驅動單體泵電磁閥時，用86V高壓快速提升電磁閥電流后，采用24V電壓的PWM控制電磁閥電流穩定在5A，并保持到噴油脈沖結束。電磁閥啟動信號及電流響應如圖2所示。由圖可知這種驅動方式能夠保證快速啟動和關斷電磁閥。
控制對象為一臺8缸增壓中冷柴油機，缸徑行程130mm×150mm，排量16l，原機在額定轉速為1 800rpm下輸出功率為571kW，全負荷油耗212g/kW·h。燃油噴射系統采用的是電控單體泵系統。
2 軟件實現
凸輪信號標記8缸柴油機的1號缸發火時刻，2次凸輪信號之間即為1個發動機工作循環，同時產生72個曲軸信號。根據這2個信號來計算轉速并對噴油進行精確定時，如圖3所示。發動機體上還安裝有水溫傳感器、渦后排溫傳感器和爆震傳感器。控制裝置采用的電位器為油門信號傳感器，按照油門電位信號和當前噴油寬度信號計算得到目標轉速，并按照全程式調速策略進行噴油量的PID控制。采用VC界面并通過串行通信口實現控制信號的實時采集顯示，同時將數據保存。
2.1 轉速信號的處理
轉速信號經過硬件濾波、整形后輸入PowerPC。PowerPC的TPU可以去除窄脈沖，進一步濾除信號中的干擾。
系統曲軸轉速的最大值為2 400rpm，曲軸信號齒數Z=36，最小周期為694.4μs，曲軸信號整形后近似于占空比50%的方波，即最小脈沖寬度為347.2μs。脈寬小于6.4μs（是最小脈沖寬度的1/54）被視為干擾，盡管該濾波方法可引起6.4μs的信號滯后，但按照最高轉速計算，其對應的曲軸角度也只有0.09°，在系統允許誤差范圍內，而且隨著轉速的降低，該值引起的角度滯后更低。因此瞬時轉速的計算采用曲軸信號相鄰齒間隔的TPU時鐘計數m進行計量，發動機每轉產生的曲軸信號數目為Z，基準頻率為fTPU。則計算公式為：
等式右邊第1項為角度誤差(主要有加工誤差和扭振誤差，與ECU的選擇無關這里不予討論)；第2項為量化誤差；第3項為觸發誤差，由于硬件采用的零交整形，該項為零。因為每個脈沖均有同樣的滯后，因此前面所述的窄脈沖軟件濾波引起的滯后不影響轉速計算。
2.2 噴油定時的實現
利用PowerPC強大的時間處理(TPU)能力，可以提供復雜的輸出波形組合，若配合硬件理論上可以輸出任意組合的驅動波形，從而控制驅動電路驅動噴油器等執行器。利用TPU的這種功能，實際上可以將噴油定時與噴油定量結合起來實現。方法是：當曲軸轉角位置到達噴油始點后，啟動TPU的排隊比較輸出功能(QOM)，TPU會根據自己的RAM中的噴油定時微調量和噴油寬度值輸出噴油信號(見圖3)，再結合硬件就可以實現圖2中的電磁閥驅動電流。
2.3 軟件結構
軟件采用外部中斷響應轉速信號、重要任務定時調度和一般任務在主循環中執行的策略，對所有傳感器和執行器都進行故障診斷，利用串口和CAN進行通信。其中串口用來實現上位機的實時顯示，每100ms更新1次，波特率為57 600bps。使用自己編寫的協議對內部參數（如PI參數）進行修改，對實時數據進行顯示和保存。本軟件也采用了實時操作系統任務調度的思想，其軟件結構如圖4所示[1]。
3 試驗結果
柴油機的冷啟動穩定性主要受控制策略的影響[2]，但硬件系統的可靠性也是重要影響因素。本文轉速控制采用閉環PI控制，控制周期與發火間隔相同，冷啟動效果如圖5所示。可見發動機啟動迅速，怠速平穩。分析表明，瞬時轉速和循環平均轉速僅差2rpm，轉差率只有0.6%。試驗表明，即使是在最大負荷情況下穩態轉差率也不超過2%。
原機是發電用柴油機，工作時轉速恒定。為了將其改做車用，需要確定其動力特性。另外本文以燃油經濟性為最優目標，擬作出其噴油提前角的MAP圖。但是由于每個工況點的最優提前角試驗的工作量大，且不同外界環境下需要改變，因此本文采用的是其原機額定功率點的提前角。根據渦后排氣溫度為530°的限制，在每個轉速上都作出最大扭矩值，做出了一條類似于機械調速柴油機的外特性曲線，如圖6所示。
圖中從上到下依次為扭矩、功率和油耗。該曲線表明在UECU32控制下的柴油機能夠實現的動力性能，曲線已經符合車用性能要求。
4 結束語
本文介紹了基于PowerPC的車用多功能電控單元UECU32，設計實現了8缸增壓中冷單體泵柴油機的車用動力特性，驗證了系統軟硬件的有效性。該產品是完全自主開發的國產汽車電控單元，其功能已經符合車用要求，為我國汽車工業核心技術的自主知識產權做出了貢獻。
參考文獻
1 謝輝.共軌柴油機ECU的軟件分層模型及實時多任務機制. 內燃機學報，2002；(1)
2 Han Z P，Henein N，Nitu B et al.Diesel Engine Cold Start Combustion Instability and Control Strategy.SAE Paper， 2001；1(1237)