低排放发动机管理系统智能解决方案

引言
如今，美国、加拿大和欧洲的汽车排放标准越来越严格，中国也将很快推出更为严格的机动车排放标准，因此，每一辆新上市的汽油机轻骑摩托车都需要安装一个三元催化转化器（TWC）。通过与燃油喷射控制系统相配合，TWC能够降低污染物的排放量。TWC的功能就是把燃烧过程产生的有毒废气(碳化氢,一氧化碳,氮氧化物)转化成无危害的物质(水,二氧化碳,氮气)。空气燃油混合气只有接近理论配比，TWC才能发挥最大的转换效率。
为了使混合气接近理论配比，空燃比控制系统需要在排气管内安装一个氧传感器(即λ传感器)。这个传感器的功能是确定空燃比λ(表示空气与燃油的配比)是大于１还是小于１。然后，ECU（发动机控制单元）把λ传感器的信号用作反馈信号，修改燃油喷射策略，如点火正时、喷射正时和喷射时间等。
以满足欧3的排放标准为目标，基于ST10系列微控制器和功率单元，意法半导体开发出一个小排放轻骑摩托车发动机管理ECU演示板。ECU演示板的外部引脚具有接地短路/电瓶短路和电瓶极性接反保护功能。所有操作都能在5.2 V~26 V的电瓶电压下完成，并能够承受-0.3V~40V的电瓶电压。该演示板的工作温度符合汽车工业温度范围(-40°C ~150°C)。该系统解决方案具有单缸闭环燃油喷射控制功能，能将氧传感器或前馈操作用于发动机基本特性曲线。
该演示板由ST10F252微控制器、电源及信号调节芯片，以及包含驱动点火、燃油喷射、继电器灯泡等设备的功率芯片组成，如图１所示。

图１　　发动机管理ECU演示板系统框图

电源及信号调节芯片
该芯片是一个高精度（±2%）预调整5V输出的多功能稳压器，最大输出电流高达400 mA (Vdd)，其目的是给微控制器和其它芯片供电。芯片中配有一个双重保护5V、100mA电源，以驱动传感器。它还具有短路保护和热保护功能，并提供一个多功能复位标志。
芯片中的可变磁阻传感器接口可用于拾波(Pick-up)信号的预处理。此外，芯片中还提供一个全差分单端运算放大器，具有4级可编程增益和抗混淆滤波功能。电瓶极性接反保护功能由一个二极管提供，齐纳二极管也可提供40V的钳位电压保护。芯片中还包括一个双K线和一个CAN通信收发器。

智能功率驱动器
智能功率芯片是一个完整的SoC，能够驱动将在本文应用案例中出现的所有负载。它主要包括：无需外部组件的喷射驱动器、直接驱动一个具有电流控制功能的IGBT的点火驱动器、电流高达9A并具有电流检测功能的氧传感器加热器，以及继电器驱动器和电磁阀驱动器。所有的功能都通过并口和SPI串口进行控制。SPI接口还提供所有的诊断功能，特别是过流、接地短路、电瓶短路、车载诊断（OBD）开路负载。该芯片可在汽车温度范围内工作。

微控制器
本应用设计采用的是ST10F252微控制器，这是一个高性能的16位4段流水线CPU，具有DSP功能，最大工作频率40MHz。该微控制器内置一个16×16位的乘-累加单元，其中累加器为40位，支持HLL（高级语言）和操作系统，在一个指令周期内几乎可执行所有的指令。该微控制器还提供一个带擦写控制器的单电压256k片上闪存，此外还提供很多其他的外设，如通用定时器单元、ADC、同步/异步接口等。

ECU演示板的输入/输出
ECU演示板可连接一个ST10评估板或连接一个闭环功能硬件快速原型系统，该演示板提供了许多在开发原型阶段有益于监控所有功能的连接方式。跳线可保证各种连接配置，以便适合特殊的应用形式。

螺纹连接器可提供最重要的输入输出连接，如电池输入、燃油喷射器、点火、带电流检测功能的氧传感器加热器、传感器电源、拾音信号差分输入、空气温度传感器、冷却液温度传感器、进气歧管压力传感器、节气门位置、λ传感器等。
继电器、电磁阀等设备的连接都是采用板右侧的扩展连接器，左侧的34x4连接器用于连接功率板控制所需的输入输出信号。

固件设计概述
为了在不同的负载条件下控制一个轻骑摩托车的125CC单缸四冲程发动机，意法半导体在应用中开发了一个很小的特殊固件。在发动机上安装一个有12-1齿的音轮，以及一个可变磁阻拾波传感器和一个λ传感器。没有安装凸轮轴传感器，发动机配气相位从增压传感器信号开始时计算。
发动机定位和定相
精确评估一个单缸四冲程发动机的曲轴转角和发动机配气相位，离不开拾波传感器信号和增压传感器信号。
拾波传感器安装在一个音轮的附近，该音轮有12-1齿，所以两个连续齿之间的角度是30°；当喷孔出现时，角度是60°。在喷孔之后的第一个脉冲的上升沿出现在被测试发动机下止点（BDC），可以用机械的方法将其位置固定在曲轴上，四冲程发动机的一次燃烧循环等于发动机转两周。
发动机角位计算从拾波数字信号开始。为了防止在计算时浪费时间，意法半导体开发出一个可以充分利用微控制器外设的解决方案。事实上，利用2个定时器、1个精确的时钟信号发生器、1个计数器和几个捕获比较单元，便可以实现所有的功能。
这种计算方法基于硬件锁相环（PLL）的插值概念。在数字信号上升沿，第一个定时器（叫做慢速定时器）的信号被捕获。该数值代表发动机的瞬间转速，被用于频率是慢速定时器几倍的快速定时器的阈值。计数器用于计算快速定时器达到阈值的次数，并确定发动机曲轴的位置。调整这两个频率的比值，就可以实现所需的全部精度。
该方法需要根据上止点（TDC）确定零位置。利用定相可以实现这项计算，因为通过定相能够推测气缸是否处于燃烧阶段。
定相
轻骑摩托车发动机没有汽车那种凸轮轴传感器，所以给发动机定相还须另选办法。实验固件中实现了一个创新的基于增压传感器信号的定相方法。将增压传感器安装在进气管上，当进气门关闭时，进气压力等于外界气压(1bar)；当进气门开启，活塞到达气缸底部时，增压压力降至0.2bar，所以这个气压是在0.2bar~1.0bar范围内变化。节气门传感器关闭条件下增压压力信号的典型波形如图2所示，其特性取决于发动机负载（节气门开启），而与发动机转速没有任何关系。实验证明，在发动机各条件下，该波形的最低值是在燃烧的上止点前（BTDC）约180°。
当发动机启动时，第一步必须先估计其曲轴转角，然后计算增压传感器信号最低值的位置：如果这个位置在大约-180 BTDC，则发动机相位正确（上止点燃烧）；否则，必须修改发动机配气相位（上止点排气）。若想改变发动机的相位，就必须修改微控制器上的计数器状态。
在测试整个系统时，意法半导体使用了基于Simulink原理的DSpace快速原型平台，并为每个模块生成了输入/输出测试文件，以备将来在测试实际发动机前的优化过程时使用。

图2 增压压力信号的典型波形
发动机点火喷射特性曲线及致动
对于每个循环处理音轮信号，若发动机平均转速已确定，并已得到上止点前180°位置的增压气压，即可求出致动相位。
与发动机点火/喷射相位对应的致动相位如图3所示。图示是一个发动机的典型循环过程，控制单元生成两个数字输出信号：喷射信号和点火信号，点火信号出现在喷射信号前，所以燃油在前一个周期燃烧。
为达到发动机的最佳效能，需要一个周密的校准过程。在这个阶段，利用检测台可求出最佳的数值集合，在发动机工作范围内，这个集合使发动机每个负载和每个转速都有最佳的扭矩和最低的污染，而没有爆燃现象。

图3 与发动机点火/喷射相信对应的致动相位

在样片固件中共使用了两个基本特性曲线：喷射曲线和点火正时提前曲线。每个曲线的输入相同，都是发动机转速和增压压力；输出是点火和喷射致动信号。
目标是当进气门闭合时喷射进气管内的燃油，以提高空燃混合气的浓度，所以相关范围是[-170°, 350°]。若想尽可能在进气门开启时喷射燃油，可以在350°修改喷射信号结束值，然后根据前一个发动机燃烧循环的平均转速来计算喷射信号的初始值。前一个发动机循环的平均转速可能与当前的平均转速不同，在这种情况下，喷射时间给予优先考虑。
点火提前致动范围是[-48°, -5°]，因此不能排除这两个信号在曲柄上总是重合的，点火线圈的充电时间必须为约4.0ms，为了计算火花塞信号的初始值，需要使用点火提前曲线值和前一个循环的发动机平均转速，点火提前信号的结束值由当前循环的喷射和点火曲线值确定。
对于发动机喷射和点火动作，必须通过SPI接口配置功率驱动器，特别是配置该驱动器的点火预驱动器部分。在发动机启动时，通过微控制器可以完成这项设置。如果是冷起动，则需安装一个混合气加浓装置。.
智能λ控制
为了在应用中达到欧3排放标准，除基本的前馈控制外，意法半导体还开发出一个闭环解决方案，这是一个基于模糊逻辑的空燃配比智能控制解决方案，选择这种方法的原因是该方法对于单缸发动机典型的参数波动和周期性变化具有更强的鲁棒性。通过这些方法，在致动相位上对喷射和点火特性曲线数值稍做修改，可得到单一的λ值。

结语
本文以一个轻骑摩托车专用解决方案为例介绍了意法半导体的汽车电子产品。采用意法半导体集成了预稳压器、喷射驱动器、点火预驱动器、步进电机驱动器、λ传感器加热器驱动器、增益电流检测可编程、转速计专用下桥臂驱动器、可变磁阻传感器接口、SPI控制及诊断等多功能的SoC，以及1个微控制器和1个智能功率芯片，即可实现本文所提及的全部应用。此外，意法半导体还开发出一个经济型汽车三缸或四缸发动机专用系统解决方案，该完整的发动机管理系统包括1个智能功率芯片、1个含有多个下桥臂驱动器的芯片和1个微控制器。