摘 要： 介绍了一种基于32位微处理器PowerPC的车用多功能电子控制单元UECU32。利用PowerPC集成的时间处理单元(TPU)模块提供的各种函数功能实现了发动机燃油喷射系统的控制，并实现了一台8缸增压中冷单体泵柴油机从原机发电特性到车用特性的转变。
关键词： PowerPC 电控 发动机
随着对柴油机的动力性、经济性、排放和噪声要求的日益提高，特别是国内、外都对汽车用柴油机制定了日益严格的排放法规，使电控技术在汽车领域得到广泛应用。燃油喷射系统是柴油机电控的核心部分，对喷油量、喷油率和喷油定时的控制直接影响到柴油机性能和排放。而电控单元的选择直接决定系统的可靠性。
PowerPC是Freescale公司目前生产的单片机中一款32位产品，由于其强大的功能和优越的性能，被广泛应用在汽车电控领域。其中MPC56x系列是车用单片机目前国际上最先进的32位机系列。MPC563的结构及功能：可集成1片512KB的Flash，用于存储车用ECU的控制参数MAP图；提供2个时间处理器TPU(最多具有48个TPU通道)，可以同时控制16缸柴油机各缸的喷油动作；中断资源可扩展到48个；A/D通道32个；通用I/O口更可扩展到上百个；提供了3个高速CAN模块和1个同步、异步队列方式的串行通信模块；66MHz的主频、32/64位处理字长、RISC指令系统和流水线执行功能使其可以与工业控制计算机一较高低。基于该芯片强大功能建立的产品UECU32硬件系统其结构紧凑，资源丰富，可以提供发动机控制、车身控制和ABS控制等汽车电子控制功能。
1 硬件实现
1.1 UECU32简介
UECU32是江奎集团有限公司汽车电子产业部研制的一款多功能电子控制单元，它普遍应用于汽车产业中，为发动机等设备匹配电子控制系统。UECU32以摩托罗拉32位微控制器PowerPC 563为内核，具有强大的接口和软件支持能力；该产品成功地解决了诸如柴油机高压共轨喷油器、泵喷嘴及单体泵等高速电磁铁大电流脉冲驱动的难题，具有丰富的大电流驱动组合功能；可以提供用于12缸及12缸以下压燃式发动机或6缸及6缸以下点燃式发动机的、达到欧洲3号排放标准电控单元的高性能、低成本解决方案，也可用于双燃料及特殊用途发动机的电控解决方案；还可以提供车身控制和ABS控制等其他车用控制功能。UECU32的硬件内部结构和外观如图1所示。
UECU32功能：具有14路开关量输入检测，可实现对有源、无源传感器的信号捕捉。其中7路具有预处理能力，可以实现信号的捕捉、定时和中断；12路模拟信号输入，10位精度；1组步进电机驱动，单相最大1A的驱动能力，提供诊断功能；4路整形输入，可触发中断，具有其他预处理能力，提供诊断功能；2路氧传感器信号输入；2路爆震传感器信号输入，提供诊断功能；4路0.6A低位开关驱动；2路86V，峰值能量8焦耳，能量恢复时间约4.5ms，可支持高达110A峰值电流输出；1路电系电压高位开关PWM控制，支持0～28A持续电流和100A峰值电流输出；18路低位开关，支持28A连续电流和110A峰值电流，提供短路、开路诊断功能及短路保护功能；高达6路汽油发动机点火高压一次电流输出；12V净化电压输出，可提供2A电流；5V电压输出，可提供100ms电流；1个RS232接口，1个CAN总线接口（可根据用户需要扩展），1个BDM接口；电源电压：9～32V，适用于12V和24V车用电系。
1.2 驱动方式及控制对象
在驱动单体泵电磁阀时，用86V高压快速提升电磁阀电流后，采用24V电压的PWM控制电磁阀电流稳定在5A，并保持到喷油脉冲结束。电磁阀启动信号及电流响应如图2所示。由图可知这种驱动方式能够保证快速启动和关断电磁阀。
控制对象为一台8缸增压中冷柴油机，缸径行程130mm×150mm，排量16l，原机在额定转速为1 800rpm下输出功率为571kW，全负荷油耗212g/kW·h。燃油喷射系统采用的是电控单体泵系统。
2 软件实现
凸轮信号标记8缸柴油机的1号缸发火时刻，2次凸轮信号之间即为1个发动机工作循环，同时产生72个曲轴信号。根据这2个信号来计算转速并对喷油进行精确定时，如图3所示。发动机体上还安装有水温传感器、涡后排温传感器和爆震传感器。控制装置采用的电位器为油门信号传感器，按照油门电位信号和当前喷油宽度信号计算得到目标转速，并按照全程式调速策略进行喷油量的PID控制。采用VC界面并通过串行通信口实现控制信号的实时采集显示，同时将数据保存。
2.1 转速信号的处理
转速信号经过硬件滤波、整形后输入PowerPC。PowerPC的TPU可以去除窄脉冲，进一步滤除信号中的干扰。
系统曲轴转速的最大值为2 400rpm，曲轴信号齿数Z=36，最小周期为694.4μs，曲轴信号整形后近似于占空比50%的方波，即最小脉冲宽度为347.2μs。脉宽小于6.4μs（是最小脉冲宽度的1/54）被视为干扰，尽管该滤波方法可引起6.4μs的信号滞后，但按照最高转速计算，其对应的曲轴角度也只有0.09°，在系统允许误差范围内，而且随着转速的降低，该值引起的角度滞后更低。因此瞬时转速的计算采用曲轴信号相邻齿间隔的TPU时钟计数m进行计量，发动机每转产生的曲轴信号数目为Z，基准频率为fTPU。则计算公式为：
等式右边第1项为角度误差(主要有加工误差和扭振误差，与ECU的选择无关这里不予讨论)；第2项为量化误差；第3项为触发误差，由于硬件采用的零交整形，该项为零。因为每个脉冲均有同样的滞后，因此前面所述的窄脉冲软件滤波引起的滞后不影响转速计算。
2.2 喷油定时的实现
利用PowerPC强大的时间处理(TPU)能力，可以提供复杂的输出波形组合，若配合硬件理论上可以输出任意组合的驱动波形，从而控制驱动电路驱动喷油器等执行器。利用TPU的这种功能，实际上可以将喷油定时与喷油定量结合起来实现。方法是：当曲轴转角位置到达喷油始点后，启动TPU的排队比较输出功能(QOM)，TPU会根据自己的RAM中的喷油定时微调量和喷油宽度值输出喷油信号(见图3)，再结合硬件就可以实现图2中的电磁阀驱动电流。
2.3 软件结构
软件采用外部中断响应转速信号、重要任务定时调度和一般任务在主循环中执行的策略，对所有传感器和执行器都进行故障诊断，利用串口和CAN进行通信。其中串口用来实现上位机的实时显示，每100ms更新1次，波特率为57 600bps。使用自己编写的协议对内部参数（如PI参数）进行修改，对实时数据进行显示和保存。本软件也采用了实时操作系统任务调度的思想，其软件结构如图4所示[1]。
3 试验结果
柴油机的冷启动稳定性主要受控制策略的影响[2]，但硬件系统的可靠性也是重要影响因素。本文转速控制采用闭环PI控制，控制周期与发火间隔相同，冷启动效果如图5所示。可见发动机启动迅速，怠速平稳。分析表明，瞬时转速和循环平均转速仅差2rpm，转差率只有0.6%。试验表明，即使是在最大负荷情况下稳态转差率也不超过2%。
原机是发电用柴油机，工作时转速恒定。为了将其改做车用，需要确定其动力特性。另外本文以燃油经济性为最优目标，拟作出其喷油提前角的MAP图。但是由于每个工况点的最优提前角试验的工作量大，且不同外界环境下需要改变，因此本文采用的是其原机额定功率点的提前角。根据涡后排气温度为530°的限制，在每个转速上都作出最大扭矩值，做出了一条类似于机械调速柴油机的外特性曲线，如图6所示。
图中从上到下依次为扭矩、功率和油耗。该曲线表明在UECU32控制下的柴油机能够实现的动力性能，曲线已经符合车用性能要求。
4 结束语
本文介绍了基于PowerPC的车用多功能电控单元UECU32，设计实现了8缸增压中冷单体泵柴油机的车用动力特性，验证了系统软硬件的有效性。该产品是完全自主开发的国产汽车电控单元，其功能已经符合车用要求，为我国汽车工业核心技术的自主知识产权做出了贡献。
参考文献
1 谢辉.共轨柴油机ECU的软件分层模型及实时多任务机制. 内燃机学报，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)