小引擎（單缸）的電子控制

摘要:小引擎制造商開(kāi)始面臨來(lái)自全球政府立法機構的壓力，這些立法要求他們提高產(chǎn)品效率并降低排放。為了達到法規要求，引擎控制系統必須從機械控制轉換成電子控制。汽車(chē)引擎在從機械控制到電子控制的轉換過(guò)程中，其中所得到的一些經(jīng)驗教訓可適用于小引擎。最近電路集成領(lǐng)域所取得的進(jìn)展可以支持小引擎制造商開(kāi)發(fā)出電子控制，從而使他們的產(chǎn)品變得“更環(huán)保”。本文將簡(jiǎn)要介紹一些必要的轉換，以及飛思卡爾目前做了哪些工作來(lái)幫助這個(gè)轉換得以簡(jiǎn)便、輕松和經(jīng)濟高效地實(shí)現。

引言

最近發(fā)生的兩件事致使小引擎制造商考慮使用更新、更經(jīng)濟實(shí)惠的電子控制來(lái)替換傳統的機械引擎。

環(huán)境條件

市區嚴重的污染，以及摩托車(chē)和其他小引擎車(chē)輛排放的氣體導致“溫室效應”日益凸顯，因而也迫使很多政府開(kāi)始制定更嚴格的排放法規。這些新法規專(zhuān)門(mén)針對小型內燃機。如果要達到這些法規要求的尾氣排放等級標準，制造商需要用電子控制來(lái)替換機械引擎控制。但小引擎控制系統在目標成本和尺寸要求上十分苛刻，這需要制造商必須尋求創(chuàng )新的設計解決方案來(lái)實(shí)施這些電子控制。

燃油效率

一加侖汽油的成本從1956年的20美分提高到將近4美元，目前的最高點(diǎn)。全球原油產(chǎn)地的不穩定導致這一生活必需品的價(jià)格經(jīng)常發(fā)生變化。以前曾被認為是無(wú)限供應的原油，石油公司認為有一天它也會(huì )用盡。要延長(cháng)燃油供應時(shí)間和降低引擎操作成本，意味著(zhù)所有引擎(不管大小)都需要具備更高燃油效率的設計。

2或4個(gè)沖程引擎

某些小引擎和大引擎之間的一個(gè)主要差別就是“沖程”數量或活塞在汽缸中上下活動(dòng)完成一個(gè)循環(huán)所需的次數。 如果它不在本文討論的兩種引擎的優(yōu)缺點(diǎn)范圍內，就足以說(shuō)明現在采用的是成本低燃油使用方式，2沖程引擎必須徹底重新設計才能滿(mǎn)足該新的排放法規要求。

機械控制

尼古拉奧托于1876年發(fā)明了傳統的內燃機，該內燃機的操作取決于三個(gè)因素：空氣、燃油和燃燒過(guò)程。在引擎的汽缸中，精確的時(shí)控火花點(diǎn)燃氣/油混合物，然后通過(guò)燃燒來(lái)推動(dòng)汽缸內活塞向下運動(dòng)，進(jìn)而致使引擎曲軸旋轉。小型內燃機的機械控制系統包括兩個(gè)機械部件和一個(gè)電子部件。第一個(gè)機械部件(即化油器)使用的是汽缸中形成的真空。因為引擎最初通過(guò)起動(dòng)電機、拉繩或腳踏啟動(dòng)器轉動(dòng)曲軸，以吸收并霧化燃油，從而讓油和氣以正確的比例混合。油/氣混合物在適當的時(shí)間通過(guò)第二個(gè)機械部件(即進(jìn)氣閥)吸進(jìn)汽缸。唯一的那個(gè)電子部件即被稱(chēng)作“磁電機”的器件，用來(lái)生成精確的時(shí)控火花，由附在旋轉曲軸的飛輪上兩個(gè)磁體確定位置。該機械控制系統基本上是一個(gè)“開(kāi)環(huán)電路”的擴展系統，這意味著(zhù)引擎中不提供反饋信息來(lái)指示機械控制系統是否正常操作;如果不正常的話(huà)是否要糾正。為了提高效率和降低排放，必須提供“閉環(huán)電路”類(lèi)型的控制系統。從理論上來(lái)說(shuō)設計閉環(huán)機械反饋系統是可行的，但要根據目前汽車(chē)市場(chǎng)中采用的新微機控制電子系統來(lái)說(shuō)則是不現實(shí)的。

電子控制

從機械控制系統到電子控制系統的轉換主要包括兩方面：火花控制和燃油控制。此外，它還引入了閉環(huán)控制概念以及監控引擎排氣的氧傳感器反饋信號。廢氣中如果存在氧氣，那就表明汽缸燃燒反應沒(méi)達到空氣和燃油14.7:1的正常比率，或者說(shuō)由于某些原因，燃燒反應沒(méi)有完成。

火花控制

在從機械控制到電子控制的轉換中，最大的轉變是從簡(jiǎn)單的磁電機驅動(dòng)火花生成系統變成微機控制火花點(diǎn)火系統。

磁電機基本上是帶主電源開(kāi)關(guān)的100:1升壓器。當飛輪旋轉且第一個(gè)磁體通過(guò)磁電機磁芯時(shí)，嵌入引擎飛輪的磁體感應到主電源中產(chǎn)生的電流。第二個(gè)磁體讓主電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)。由此產(chǎn)生的磁塌縮磁場(chǎng)在主電源中生成200V脈沖。100:1升壓比的磁電機從主用到備用電源時(shí)使200伏脈沖在備用電源中上升到2萬(wàn)伏，這可導致火花塞間隙出現火花。磁電機簡(jiǎn)單、可靠，但如果不能實(shí)際移動(dòng)磁體位置或磁電機位置，就不可能及時(shí)控制火花輸出。

火花圈與磁電機相似，它也是一個(gè)升壓器，但它不是使用磁體，而是使用電池/交流發(fā)電機提供主電源電流，以創(chuàng )建可以生成高壓脈沖的磁場(chǎng)。此外，它也不使用磁觸發(fā)的主開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)一次電流和生成磁塌縮，而使用一個(gè)半導體器件，即達林頓雙極結式晶體管或最新的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

在磁電機系統中，嵌入飛輪的磁體還提供所需的定時(shí)信號，以便在引擎壓縮循環(huán)的固定時(shí)間生成火花。在基于感應線(xiàn)圈的系統中，附著(zhù)在曲軸上的多齒輪以及被稱(chēng)為“可變磁阻傳感器(VRS)”的感應線(xiàn)圈，共同為微機提供參考定時(shí)信號，該微機然后在給定的引擎速度、加載和溫度的最佳時(shí)間發(fā)出火花信號，從而最大程度提高效率并減少污染物。燃油質(zhì)量的變化可以通過(guò)改變火花定時(shí)進(jìn)行調節。存儲在微機內存中的校準表可以讓微機根據各種引擎參數監控傳感器的輸出，查找生成火花的合適時(shí)間。

燃油控制

化油器已經(jīng)有100多年的演進(jìn)歷史，因此大部分小引擎制造商不愿意替換成相對較新的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品--噴油器。小型引擎的目前趨勢是采用被稱(chēng)作“電子化油器”的混合方式。它省去了傳統化油器的幾個(gè)純機械部件，這種化油器具有電子控制的電磁線(xiàn)圈或電機。與從磁電機轉換到火花圈和微機點(diǎn)火控制不同，從化油器轉換到噴油器簡(jiǎn)化了燃油系統很多方面的設計。噴油器不是依靠引擎真空為汽缸提供油氣混合物，而是依靠來(lái)自泵的燃油壓力，通過(guò)電磁閥控制的噴油器將燃油霧化。通過(guò)按脈沖分配燃油并且由微機控制，這樣可以更準確地控制燃油數量，優(yōu)化燃油交付時(shí)間，以提高燃燒過(guò)程的效率。此外，它允許微機根據氧氣和其他引擎參數傳感器的反饋信息，調整燃油/空氣混合比例的多少。

電子引擎控制單元

電子引擎控制單元(或ECU)是由微機(MCU)和實(shí)施引擎控制策略所需的全部模數接口電路組成的模塊。常見(jiàn)的單缸ECU框圖如下所示：

圖1 小引擎ECU框圖

MCU通常是 CMOS 8或16位器件，它可以輕松處理規定的算術(shù)和邏輯功能。由于MCU輸出的電壓/電流驅動(dòng)限制和輸入的敏感度問(wèn)題，在引擎的各種傳感器、機電致動(dòng)器和MCU的I/O引腳之間接口上，必須提供模擬電路。此外，MCU電源調節和規定的復位信號也需要模擬電路。

小引擎ECU設計者面臨的難題是如何減小ECU的尺寸，以便它能安裝在小引擎上。對于大型摩托車(chē)或工業(yè)發(fā)生器這當然不是問(wèn)題，但對于小型手持電動(dòng)工具，如除草機和葉式鼓風(fēng)機，ECU的大小和重量是整個(gè)工具的一部分。為了減少尺寸和重量，必須將ECU各種部件的數量降到最低。由于ECU的數字部件--MCU在整體尺寸和重量中占很小的部分，因此其它模擬部件必須進(jìn)行類(lèi)似的集成才能減少尺寸和重量。

單缸引擎ASSP

飛思卡爾半導體針對這一目標最近推出一款ASSP(首個(gè)具體應用標準產(chǎn)品)IC，以便把小引擎的多個(gè)模擬功能集成到一個(gè)芯片上。該IC的零件號為MCZ33812，主要針對小型單缸或雙缸引擎。它集成了單個(gè)IC、MCU電源穩壓器，復位和看門(mén)狗功能，用于診斷通信的串行IS09141接口，一個(gè)點(diǎn)火預驅動(dòng)裝置，一個(gè)噴油器驅動(dòng)裝置，可用來(lái)驅動(dòng)繼電器或備用噴油器的兩個(gè)低邊驅動(dòng)裝置，以及一個(gè)顯示功能異常的指示燈。它是一個(gè)非?；镜墓δ芗?，但正是由于這個(gè)原因，它可以用于大批量生產(chǎn)的單缸小引擎ECU。

圖2 MCZ33812框圖

MCZ33812詳細介紹

MCZ33812將多個(gè)模擬功能集成到一個(gè)小型的32引腳的封裝里。MCU和該IC間的接口要通過(guò)10個(gè)并行的5V邏輯電平線(xiàn)路。之所以選擇簡(jiǎn)單的并行接口，是為了保證即使從只擁有機械設計背景轉過(guò)來(lái)電子設計新手也能輕松了解該電路。該電路設計從標準的12伏電池運行，但可以最高承受36V的電壓，并且所有外部輸出都可防止電池短路，過(guò)電流、溫度過(guò)高和ESD問(wèn)題。下文簡(jiǎn)要介紹包含的功能特性：

電源

該模塊是一個(gè)線(xiàn)性穩壓器預驅動(dòng)裝置，可提供穩定的5V電源，為MCU提供動(dòng)力。它的設計可以在 *V到36V的輸出電壓中提供穩定的5V電壓，并且跟蹤從*V降為4.5V的輸入電壓電源。作為預驅動(dòng)裝置，它驅動(dòng)外部PNP晶體管的基極，在集電極處生成浮動(dòng)范圍為+/-2%的5V電壓。VCCSENS輸入引腳與PNP集電極相連，該集電極監控提供反饋的輸出電壓并讓集電極穩壓在5V。

復位和安全功能

要保證MCU的功能正常，該IC必須具備某些安全功能。第一個(gè)帶輸出引腳RESETB的復位電路，它能驅動(dòng)MCU的復位輸入引腳?？偣灿腥N不同的事件可能導致復位信號發(fā)生。復位模塊包含三個(gè)輸入引腳：一個(gè)是VCCSENS，用來(lái)感應外部5V電壓;一個(gè)是WDRFSH，用來(lái)定期提供MCU到看門(mén)狗定時(shí)器的刷新信號;最后一個(gè)是WD_INH，用來(lái)選擇是啟用還是禁用看門(mén)狗功能?？赡茯寗?dòng)復位信號的第一個(gè)事件是上電復位。當器件首先上電時(shí)，RESETB 信號置于低，以確保MCU保持在復位狀態(tài)，直到電源電壓達到最低工作值。當5V電壓超過(guò)最低電平時(shí)，RESETB信號可以在低的位置再保持128 微秒，從而讓MCU的內部邏輯時(shí)間趨于穩定。過(guò)了128微秒后，RESETB信號置于高，MCU開(kāi)始執行程序。發(fā)生RESETB信號的第二種情況是欠壓復位，5V電壓低于MCU的最小工作值時(shí)發(fā)生。這樣能確保MCU超過(guò)推薦的工作電壓范圍后不會(huì )運行。生成RESETB信號的最后一種情況是看門(mén)狗電路超時(shí)復位。當看門(mén)狗電路啟用后，WDRFSH引腳會(huì )定期提供來(lái)自MCU的刷新信號。如果MCU不能提供定期刷新信號，就表明程序指令流出現錯誤或MCU“掛斷”了。發(fā)生RESETB狀況后，看門(mén)狗最大時(shí)長(cháng)由WDRFSH引腳上MCU提供第一個(gè)脈沖的時(shí)長(cháng)來(lái)確定。

圖3 MCZ33812復位電路框圖

點(diǎn)火預驅動(dòng)裝置

點(diǎn)火預驅動(dòng)裝置可以驅動(dòng)IGBT或達林頓晶體管。它有兩個(gè)輸出線(xiàn)路，即IGNOUTH和IGNOUTL線(xiàn)路，由單個(gè)并行輸入引腳IGNIN控制。選擇使用的晶體管類(lèi)型時(shí)，可以由連接的IGNSUP引腳決定：可以選擇達林頓晶體管提供5V電壓或者選擇IGBT提供12V電壓。大部分新汽車(chē)設計師選擇使用IGBT，但一些小引擎ECU設計師仍然選用達林頓晶體管，因為以前的CDI ECU設計使用達林頓晶體管。點(diǎn)火預驅動(dòng)裝置檢測到開(kāi)路故障或電池短路后，將故障指示信號IGNFLT發(fā)送給MCU。

低邊驅動(dòng)裝置

它有三個(gè)低邊驅動(dòng)裝置，全部使用相關(guān)的并行輸入引腳來(lái)控制。它們分別設計來(lái)驅動(dòng)噴油器、繼電器(或備用噴油器)以及報警燈或其他負載。

低邊驅動(dòng)裝置在過(guò)壓或欠壓事件中都會(huì )關(guān)閉，它們都可以防止過(guò)電流、電池短路和溫度過(guò)高狀況。對于噴油器和繼電器驅動(dòng)裝置，可以檢測空載或電池短路故障。噴油器和繼電器驅動(dòng)裝置向MCU提供故障報告信號。

繼電器驅動(dòng)裝置擁有與噴油器驅動(dòng)裝置相同的電子特征，因此它也能用來(lái)驅動(dòng)其他電流更高的器件，如燃油泵。

指示燈驅動(dòng)器沒(méi)有故障指示信號，但它可以防止過(guò)電流、過(guò)壓、溫度過(guò)高和電池短路。因為它沒(méi)有引腳為微控制器提供故障信息，檢測到故障條件時(shí)，驅動(dòng)器關(guān)閉;當故障條件消失后，它再次打開(kāi)。但它被設計來(lái)驅動(dòng)白熾燈，因為它的最大電流限額為3 安，但另外兩個(gè)驅動(dòng)器的限額為6 安。

ISO-9141 通信接口

提供ISO-9141串行接口，允許MCU收發(fā)進(jìn)出外部測試終端的診斷信息。

MCZ33812 參考設計

為演示用于小引擎ECU的第一款模擬IC的功能，ECU參考設計由此產(chǎn)生。

圖6 MCZ33812參考設計板

它基于MCZ33812和MC9S12P128 16位MCU，擁有128 Kb閃存。它是完整的ECU，其設計代表MCZ33812在單缸、4沖程引擎實(shí)際應用中的用例;由于MCZ33812的基本功能集，一些其他模擬功能也使用獨立組件進(jìn)行實(shí)施。該板卡還安裝了一個(gè)用于怠速管理的步進(jìn)電機驅動(dòng)器，一個(gè)VRS空調電路和一個(gè)氧傳感加熱驅動(dòng)器。借助該硬件，還可以提供部分軟件代碼和器件驅動(dòng)器的示例。

圖5 MCZ33812參考設計框圖

參考設計連接器提供下列信號：

輸入信號：

1. VSRP - 可變磁阻傳感器(正)

2. VRSN - 可變磁阻傳感器(負)

3. MAP - 進(jìn)氣歧管氣壓傳感器

4. TPS - 油門(mén)位置傳感器

5. ATEMP - 外部氣溫傳感器

6. ETEMP - 引擎溫度傳感器

7. O2IN - 氧傳感器

8. OPSR - 油壓傳感器

9. ENGSTOP - 發(fā)動(dòng)機斷開(kāi)開(kāi)關(guān)

10. TILTSW - 指示引擎在運行的安全方向上的信號

輸出信號：

1. TPMD - 油門(mén)位置步進(jìn)電機輸出 D

2. TPMC - 油門(mén)位置步進(jìn)電機輸出 C

3. TPMB - 油門(mén)位置步進(jìn)電機輸出 B

4. TPMA - 油門(mén)位置步進(jìn)電機輸出 A

5. INJOUT - 噴油器 LS 驅動(dòng)輸出

6. COIL - 點(diǎn)火線(xiàn)圈 LS 驅動(dòng)輸出

7. +5V - 電源輸出電壓

8. LAMPOUT - 故障指示燈 LS 驅動(dòng)輸出

9. ROUT1 - 繼電器 LS 驅動(dòng)輸出 1

10. ROUT2 - 繼電器 LS 驅動(dòng)輸出 2

11. O2HOUT - 氧傳感加熱器 LS 驅動(dòng)輸出

其余連接包括：

1. VBAT - 12 V電池正極輸入

2. GND - 12 V電池負極輸入

3. ISO9141 - 診斷輸入/輸出

4. GND - 4個(gè)其他接地連接

參考設計工具箱所包含的是帶電纜和接頭的電路板，包括BDM編程模塊、帶Code warrior 開(kāi)發(fā)軟件的DVD、帶完整源代碼和文檔資料的實(shí)際工作軟件示例(可用來(lái)運行小引擎)。參考設計還包括實(shí)際運行單缸或雙缸引擎，以及制定提高效率、降低排放的引擎“校準”表時(shí)所需的其他一切內容。

小結

小型汽油引擎從機械控制轉換到電子控制的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。有關(guān)降低污染和提高功效的立法在各國已經(jīng)開(kāi)始實(shí)行。

為了減小ECU尺寸和縮減成本，必須將大部分獨立的組件集成起來(lái)。飛思卡爾推出首款ASSP產(chǎn)品，將大量模擬功能集成到單一芯片上，從而再次領(lǐng)先市場(chǎng)。此外，它還提供參考設計，為ECU設計員提供學(xué)習曲線(xiàn)中關(guān)鍵的第一步，幫助他們滿(mǎn)足法規新要求，并讓小型汽油引擎變得更加“環(huán)保”。