1、2098計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2010.18(9 Computer Measurement &Control控制技術(shù) 中華測(cè)控網(wǎng)收稿日期:2010 03 26; 修回日期:2010 05 06。作者簡(jiǎn)介:王前程(1984 ,男,安徽人,碩士研究生,主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、汽車(chē)電子研究開(kāi)發(fā)方向的研究。黎福海(1964 ,男,廣西人,教授,主要從事信號(hào)處理和嵌入式系統(tǒng)方向的研究。文章編號(hào):1671 4598(201009 2098 03 中圖分類(lèi)號(hào):T K411文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成(EMS設(shè)計(jì)王前程,黎福海(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410082摘要:針對(duì)四缸1 6L 汽油

2、發(fā)動(dòng)機(jī),使用Fr eescale 的M PC563xM 作為主控制器,設(shè)計(jì)了自己的控制單元,并采用M atlab /Simulin k 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)控制策略進(jìn)行建模,仿真完成后,將RT W 產(chǎn)生的嵌入式代碼在自己的控制單元上運(yùn)行。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下運(yùn)行穩(wěn)定;表明采用M atlab/Sim ulink 前期進(jìn)行建模、仿真,通過(guò)RTW 產(chǎn)生的代碼進(jìn)行快速原型驗(yàn)證,對(duì)降低成本及縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期具有重要作用。關(guān)鍵詞:汽油發(fā)動(dòng)機(jī);動(dòng)力總成;引擎控制單元;M PC563xMDesign of Four -cylinder Gasoline Engine PowertrainWang

3、Qiancheng,Li Fuhai(Co llege of Elect rical and Informat ion Eng ineering ,Hunan U niv ersity ,Changsha 410082,ChinaAbstract:By u sing Frees cales M PC563xM as the main controller,th e authors design ed its own control u nit for the 1 6L Fou r-cylinder petrol engin e,u sing M atlab /Simu link engin e

4、 control s trategies related to modeling.After simulation is com pleted,th e code of th e embed ded s oftw ar e is produced through RTW.Then using the code in your ow n E CU.Th rough the engine b ench test,the engin e w orks w ell at different condition s.This s how s th at the use of M atlab /S imu

5、lin k pre-modeling,simu lation,code gen erated by RTW ,to redu ce costs,shorten product development cycle h as an im portant role.Key words :p etrol engin e;EM S;E CU;M PC563xM0 引言隨著能源的不斷消耗,世界上一些重要的國(guó)家對(duì)汽車(chē)的排放提出了越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)。其中以歐盟的標(biāo)準(zhǔn)如歐3,歐4等應(yīng)用較為廣泛。日益嚴(yán)格的法規(guī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成(EM S提出了更高的要求,增加了發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略的難度與復(fù)雜度。同時(shí)社會(huì)的進(jìn)步人們對(duì)汽

6、車(chē)的安全性能、駕駛舒適性和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通性也有了更高的要求,這些因素導(dǎo)致汽車(chē)電子的設(shè)計(jì)在整個(gè)汽車(chē)中變的越來(lái)越重要,難度也越來(lái)越大。國(guó)內(nèi)的一些高校,研究所已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成(EM S這塊做了不少工作,取得了一定的成績(jī)。開(kāi)發(fā)出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的商業(yè)化電控單元對(duì)國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。控制策略的復(fù)雜使得傳統(tǒng)的電控單元開(kāi)發(fā)方法已越來(lái)越難滿足要求,為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率及降低開(kāi)發(fā)成本,計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)在開(kāi)發(fā)工作中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用1,它可以為發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)提供仿真的環(huán)境,替代許多實(shí)機(jī)試驗(yàn),節(jié)約實(shí)機(jī)驗(yàn)證的費(fèi)用,加快電控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中,發(fā)動(dòng)機(jī)和控制策略的建模是關(guān)鍵。

7、據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn),發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分運(yùn)行時(shí)間里,都處于部分負(fù)荷,瞬態(tài)(加速減速以及怠速3種運(yùn)行工況,本文主要對(duì)這3種工況建立控制策略模型,并將他們結(jié)合起來(lái),在M atlab /Simulink 的環(huán)境下進(jìn)行了綜合仿真。1 汽油機(jī)動(dòng)力總成(EMS的結(jié)構(gòu)圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)的硬件框圖。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要分為下面的幾個(gè)部分:主控制單片機(jī)M P C563xM 、信號(hào)輸入處理電路、采樣傳感器、輸出驅(qū)動(dòng)電路、輸出執(zhí)行器和通信接口電路。圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成(EM S的組成1 1 MPC 563xM 處理器單元F reescale 的嵌入式處理器M PC563x M 為最新推出的針對(duì)汽車(chē)動(dòng)力總成(EM S

8、的32位Pow er PC 處理器。其最高時(shí)鐘頻率80M H z;內(nèi)部集成最大1 5M 字節(jié)的Flash 存儲(chǔ)器;96k 字節(jié)的RA M ;含有64位的浮點(diǎn)運(yùn)算單元(F PU ;兩個(gè)增強(qiáng)型CA N 通信模塊(FlexCA N ;一個(gè)增強(qiáng)型的串行通信接口(eSCI,可以工作在串口模式或LI N 模式下;一個(gè)模塊化的第9期王前程,等:四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成(EMS設(shè)計(jì) 2099中華測(cè)控網(wǎng)輸入輸出系統(tǒng)(eM IOS;兩個(gè)隊(duì)列模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,擁有最多40路A D 采樣;一個(gè)增強(qiáng)型時(shí)間處理單元(eT PU 2,擁有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,可以獨(dú)立于主CPU 進(jìn)行工作,專(zhuān)門(mén)處理與時(shí)間有關(guān)的事情,針

9、對(duì)汽油機(jī)動(dòng)力總成(EM S,主要用來(lái)處理曲軸,凸軸的輸入信號(hào),對(duì)噴油和點(diǎn)火輸出信號(hào)進(jìn)行控制;片上集成數(shù)字濾波器硬件單元,可以通過(guò)軟件設(shè)置為8階FIR 濾波器或4階IIR 濾波器,硬件濾波器單元擁有較快的處理速度,減少了主CP U 的工作量,從而提高了系統(tǒng)的整體效率2。1 2 傳感器及其接口電路傳感器的作用是采集發(fā)動(dòng)機(jī)的各種狀態(tài)信息,以得知發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況。由于許多傳感器的輸出信號(hào)不能滿足單片機(jī)輸入的要求,故在信號(hào)輸入單片機(jī)之前,需采用信號(hào)調(diào)節(jié)與變換電路,使之成為電子控制單元能夠接受和識(shí)別的電子控制信號(hào)。而且傳感器直接與現(xiàn)場(chǎng)采集對(duì)象相連,是現(xiàn)場(chǎng)干擾進(jìn)入的主要渠道,所以必須采取合適的抗干擾措施,以

10、確保電路的正常工作。根據(jù)測(cè)試對(duì)象的不同,傳感器的輸出信號(hào)可分為數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)兩種,相應(yīng)地把信號(hào)的輸入通道分為數(shù)字量輸入通道及模擬量輸入通道。對(duì)于模擬量如冷卻水溫度傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器、進(jìn)氣管壓力傳感器等也要調(diào)理電路對(duì)其濾波放大,抗干擾處理后輸入到單片機(jī)的A DC 模塊,進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。為了提高實(shí)時(shí)性利用中斷方式對(duì)模擬量進(jìn)行循環(huán)采樣。對(duì)于數(shù)字量(開(kāi)關(guān)量如點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、空調(diào)請(qǐng)求開(kāi)關(guān)等需要調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行防抖、抗干擾、穩(wěn)壓處理,再輸入到單片機(jī)的IO 圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略模型口。單片機(jī)綜合根據(jù)這些傳感器輸入的信號(hào),判斷出目前發(fā)動(dòng)機(jī)所處的工況,并根據(jù)目前的工況,按照相應(yīng)的控制策略輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。

11、1 3 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的功能是將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換,驅(qū)動(dòng)電磁閥或繼電器實(shí)現(xiàn)噴油、點(diǎn)火等的控制。系統(tǒng)主要以M PC563x M 的eT PU 2輸出輔以外圍芯片產(chǎn)生適合相關(guān)執(zhí)行器的信號(hào)。在系統(tǒng)用到的電磁閥、繼電器的驅(qū)動(dòng)上,可以采用大功率及高可靠性的IG PT 或M OSF ET 。1 4 通信接口通信接口的主要功能如下:(1采用歐洲與美洲廣泛使用的CAN -BU S 車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng),以CAN 的通訊方式可與自動(dòng)變速箱控制模塊(T CM 、ABS 控制模塊以及其它支持CA N 的車(chē)身控制模塊實(shí)現(xiàn)整車(chē)網(wǎng)絡(luò)通迅和數(shù)據(jù)交流,便于整車(chē)升級(jí)應(yīng)用最新的技術(shù);(2可使用故障診斷設(shè)備通過(guò)串行接

12、口讀取電噴系統(tǒng)主要參數(shù)或故障碼。目前歐3排放標(biāo)準(zhǔn)明確地規(guī)定了所有車(chē)輛必須配備OBD 診斷系統(tǒng);(3發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略標(biāo)定中,需要通過(guò)PC 機(jī)的上位機(jī)軟件對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)狀態(tài),并通過(guò)CAN 接口實(shí)時(shí)的寫(xiě)入ECU 相關(guān)參數(shù),以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最佳工作狀態(tài)。2 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)控制器模型開(kāi)發(fā)2 1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)工作原理汽油機(jī)控制系統(tǒng)主要分為噴射系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、空燃比控制系統(tǒng)、排氣再循環(huán)系統(tǒng)和怠速控制系統(tǒng)。噴射系統(tǒng)根據(jù)流入汽缸的空氣質(zhì)量,提供量和質(zhì)都與之相適應(yīng)的燃油,控制混合氣體的空燃比,滿足汽油機(jī)工況需要。點(diǎn)火系統(tǒng)調(diào)節(jié)點(diǎn)火正時(shí),保證火花塞的點(diǎn)火能量,使得燃燒可以正常進(jìn)行。排氣在循環(huán)系統(tǒng)將適量的排氣

13、送回進(jìn)氣系統(tǒng),影響混合和燃燒,目的在于減少N O x 的排放。控制空燃比是目前汽油噴射系統(tǒng)最基本的功能,系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量的進(jìn)氣壓力和溫度,根據(jù)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速,間接測(cè)量出進(jìn)入汽油機(jī)的空氣質(zhì)量流量。電控單元在根據(jù)接受空氣流量的信號(hào)后按照目前所處的工況的燃油/空氣比特征值計(jì)算出所需要的燃油量,再根據(jù)環(huán)境和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度對(duì)燃油量進(jìn)行修正,得到最終的噴油量3。2 2 采用Matlab/Simulink/Statfellw 對(duì)控制策略進(jìn)行建模和仿真基于計(jì)算機(jī)輔助工具來(lái)進(jìn)行現(xiàn)代ECU 開(kāi)發(fā),可以支持從需求定義直到最終產(chǎn)品的全過(guò)程。國(guó)外很多著名的汽車(chē)開(kāi)發(fā)商普遍采用的ECU 現(xiàn)代設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程,通常稱之為 V 型開(kāi)發(fā)

14、模式。這種新的開(kāi)發(fā)流程符合國(guó)際汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(A SA M ,可以結(jié)合現(xiàn)有的測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成從開(kāi)發(fā)到標(biāo)定統(tǒng)一的平臺(tái),已成為國(guó)際汽車(chē)電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)流程。本文所涉及的是在自己設(shè)計(jì)的ECU 硬件平臺(tái)上,進(jìn)行相關(guān)的底層軟件和控制策略程序設(shè)計(jì)。作者設(shè)計(jì)了相關(guān)的底層驅(qū)動(dòng),通過(guò)M atlab/Simulink 對(duì)控制策略進(jìn)行了建模和仿真。圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略模型的系統(tǒng)框圖,其中一些子系統(tǒng)采用Stateflow 來(lái)描述事件驅(qū)動(dòng)的邏輯行為,可以無(wú)縫嵌入到Simu link 的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真中。圖3為系統(tǒng)仿真輸出波形。從圖中可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)四缸點(diǎn)火充電時(shí)間不變,而噴油寬度隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)從大變小。2 3 自動(dòng)代碼生成利

15、用M A T L AB 提供的新成員Real-T ime W orkshop (簡(jiǎn)稱RT W可以自動(dòng)的生成C 語(yǔ)言代碼。有了自動(dòng)代碼生成工具就可以將用框圖描述的設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)移到不同的嵌入式平臺(tái)或P C 機(jī)上運(yùn)行,因此極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。自動(dòng)代碼生成具有代碼安全、無(wú)冗余、便于維護(hù)和開(kāi)發(fā)周期短的特點(diǎn)。并且進(jìn)一步利用Embedded T arg et for O SEK /AutoSA R 可以將我們的2100 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制第18卷 中華測(cè)控網(wǎng)圖3 控制策略模型仿真生成的四缸點(diǎn)火和噴油信號(hào)控制策略移植到了包含有O SEK 操作系統(tǒng)或A utoSA R 的平臺(tái)上4 5,這樣我們的發(fā)動(dòng)機(jī)控制程序不僅

16、可以在多個(gè)不同的硬件平臺(tái)上面運(yùn)行,而且得到了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持,在RT W 的幫助下完成了系統(tǒng)的升級(jí)。由于目前版本的R T W 尚不支持Fr eescale 最新的處理器M PC563x M ,所以產(chǎn)生的為針對(duì)Fr eescale M PC555的代碼。產(chǎn)生的代碼可以很容易移植到其它相似型號(hào)的處理器平臺(tái)上來(lái)。移植的代碼在Coderw arr ior Fo r M P C56x x 上調(diào)試通過(guò)后,圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程相關(guān)信號(hào)波形在自己的ECU 上運(yùn)行。3 試驗(yàn)研究本研究在長(zhǎng)豐4G 161 6L 四缸四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了驗(yàn)證。圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到暖機(jī)再到穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的相關(guān)信號(hào)波形,試驗(yàn)采用

17、泰克DPO 3000,100M H Z,4通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行波形存儲(chǔ)。由于示波器通道的限制,圖中只抓取部分關(guān)鍵信號(hào)的波形。其中通道1為1缸點(diǎn)火線圈充電信號(hào),通道2為3缸點(diǎn)火線圈充電信號(hào),通道3為1缸噴油輸出信號(hào),通道4為磁電式曲軸傳感器輸入到ECU 的信號(hào)。通過(guò)圖中預(yù)覽窗口可以看到發(fā)動(dòng)啟動(dòng),暖機(jī)的過(guò)程噴油量較大,隨著時(shí)間的增加、轉(zhuǎn)速的提高,噴油時(shí)間快速衰減,當(dāng)達(dá)到600RPM (每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)后,進(jìn)入怠速工況,此時(shí)噴油量變化較小,其變化主要由相關(guān)補(bǔ)償參數(shù)決定。其它缸的噴油信號(hào)變化規(guī)律與1缸相同,只是其噴油結(jié)束角度不同。從圖中可以看出4個(gè)缸的點(diǎn)火充時(shí)間基本不變,其值分別約為4ms,點(diǎn)火充電時(shí)間主

18、要由蓄電池電壓決定。4 結(jié)論通過(guò)上述研究和開(kāi)發(fā),在基于M PC563x M 平臺(tái)上設(shè)計(jì)出ECU 硬件單元,采用M at lab/Simulink 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略進(jìn)行建模,將模型生成的C 代碼加入到ECU 軟件當(dāng)中。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上試驗(yàn)后,發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng),怠速,一般工況下運(yùn)行穩(wěn)定,排放良好。所開(kāi)發(fā)的動(dòng)力總成(EM S控制單元樣機(jī)取得預(yù)期效果,表明采用M at lab/Simulink/Stateflo w 前期進(jìn)行建模仿真,通過(guò)RT W 產(chǎn)生的代碼進(jìn)行原型驗(yàn)證,對(duì)降低成本及縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期具有重要作用。參考文獻(xiàn):1陳 超,王紹光,康曉敦.基于M atlab/Sim ulink 的汽油機(jī)電控系統(tǒng)仿真J.內(nèi)燃機(jī)工程,2004,(5:23 27.2Frees cale.M PC5634M M icrocon tr ollerReference M anualRev.2E B/OL.2009.3張宗杰.動(dòng)力機(jī)械電子控制M .武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.4張勇博,沈 永.基于Sim ulink 的OSEK 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)方法J.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009,(5:21 24.5Au toS AR GbR.Applying S imulin k to AutoSAR V1 0 5