小引擎（單缸）的電子控制

摘要:小引擎制造商開始面臨來自全球政府立法機(jī)構(gòu)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(dá)到法規(guī)要求，引擎控制系統(tǒng)必須從機(jī)械控制轉(zhuǎn)換成電子控制。汽車引擎在從機(jī)械控制到電子控制的轉(zhuǎn)換過程中，其中所得到的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)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”。本文將簡要介紹一些必要的轉(zhuǎn)換，以及飛思卡爾目前做了哪些工作來幫助這個(gè)轉(zhuǎn)換得以簡便、輕松和經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)。

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(jì)實(shí)惠的電子控制來替換傳統(tǒng)的機(jī)械引擎。

環(huán)境條件

市區(qū)嚴(yán)重的污染，以及摩托車和其他小引擎車輛排放的氣體導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”日益凸顯，因而也迫使很多政府開始制定更嚴(yán)格的排放法規(guī)。這些新法規(guī)專門針對(duì)小型內(nèi)燃機(jī)。如果要達(dá)到這些法規(guī)要求的尾氣排放等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，制造商需要用電子控制來替換機(jī)械引擎控制。但小引擎控制系統(tǒng)在目標(biāo)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(shè)計(jì)解決方案來實(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(wěn)定導(dǎo)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(rèn)為是無限供應(yīng)的原油，石油公司認(rèn)為有一天它也會(huì)用盡。要延長燃油供應(yīng)時(shí)間和降低引擎操作成本，意味著所有引擎(不管大小)都需要具備更高燃油效率的設(shè)計(jì)。

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(shù)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(shù)。 如果它不在本文討論的兩種引擎的優(yōu)缺點(diǎn)范圍內(nèi)，就足以說明現(xiàn)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(shè)計(jì)才能滿足該新的排放法規(guī)要求。

機(jī)械控制

尼古拉奧托于1876年發(fā)明了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，該內(nèi)燃機(jī)的操作取決于三個(gè)因素：空氣、燃油和燃燒過程。在引擎的汽缸中，精確的時(shí)控火花點(diǎn)燃?xì)?油混合物，然后通過燃燒來推動(dòng)汽缸內(nèi)活塞向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而致使引擎曲軸旋轉(zhuǎn)。小型內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械控制系統(tǒng)包括兩個(gè)機(jī)械部件和一個(gè)電子部件。第一個(gè)機(jī)械部件(即化油器)使用的是汽缸中形成的真空。因?yàn)橐孀畛跬ㄟ^起動(dòng)電機(jī)、拉繩或腳踏啟動(dòng)器轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)臅r(shí)間通過第二個(gè)機(jī)械部件(即進(jìn)氣閥)吸進(jìn)汽缸。唯一的那個(gè)電子部件即被稱作“磁電機(jī)”的器件，用來生成精確的時(shí)控火花，由附在旋轉(zhuǎn)曲軸的飛輪上兩個(gè)磁體確定位置。該機(jī)械控制系統(tǒng)基本上是一個(gè)“開環(huán)電路”的擴(kuò)展系統(tǒng)，這意味著引擎中不提供反饋信息來指示機(jī)械控制系統(tǒng)是否正常操作;如果不正常的話是否要糾正。為了提高效率和降低排放，必須提供“閉環(huán)電路”類型的控制系統(tǒng)。從理論上來說設(shè)計(jì)閉環(huán)機(jī)械反饋系統(tǒng)是可行的，但要根據(jù)目前汽車市場中采用的新微機(jī)控制電子系統(tǒng)來說則是不現(xiàn)實(shí)的。

電子控制

從機(jī)械控制系統(tǒng)到電子控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(jiān)控引擎排氣的氧傳感器反饋信號(hào)。廢氣中如果存在氧氣，那就表明汽缸燃燒反應(yīng)沒達(dá)到空氣和燃油14.7:1的正常比率，或者說由于某些原因，燃燒反應(yīng)沒有完成。

火花控制

在從機(jī)械控制到電子控制的轉(zhuǎn)換中，最大的轉(zhuǎn)變是從簡單的磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)火花生成系統(tǒng)變成微機(jī)控制火花點(diǎn)火系統(tǒng)。

磁電機(jī)基本上是帶主電源開關(guān)的100:1升壓器。當(dāng)飛輪旋轉(zhuǎn)且第一個(gè)磁體通過磁電機(jī)磁芯時(shí)，嵌入引擎飛輪的磁體感應(yīng)到主電源中產(chǎn)生的電流。第二個(gè)磁體讓主電源開關(guān)打開。由此產(chǎn)生的磁塌縮磁場在主電源中生成200V脈沖。100:1升壓比的磁電機(jī)從主用到備用電源時(shí)使200伏脈沖在備用電源中上升到2萬伏，這可導(dǎo)致火花塞間隙出現(xiàn)火花。磁電機(jī)簡單、可靠，但如果不能實(shí)際移動(dòng)磁體位置或磁電機(jī)位置，就不可能及時(shí)控制火花輸出。

火花圈與磁電機(jī)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(jī)提供主電源電流，以創(chuàng)建可以生成高壓脈沖的磁場。此外，它也不使用磁觸發(fā)的主開關(guān)來斷開一次電流和生成磁塌縮，而使用一個(gè)半導(dǎo)體器件，即達(dá)林頓雙極結(jié)式晶體管或最新的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

在磁電機(jī)系統(tǒng)中，嵌入飛輪的磁體還提供所需的定時(shí)信號(hào)，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(yīng)線圈的系統(tǒng)中，附著在曲軸上的多齒輪以及被稱為“可變磁阻傳感器(VRS)”的感應(yīng)線圈，共同為微機(jī)提供參考定時(shí)信號(hào)，該微機(jī)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(hào)，從而最大程度提高效率并減少污染物。燃油質(zhì)量的變化可以通過改變火花定時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。存儲(chǔ)在微機(jī)內(nèi)存中的校準(zhǔn)表可以讓微機(jī)根據(jù)各種引擎參數(shù)監(jiān)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(duì)較新的開發(fā)產(chǎn)品--噴油器。小型引擎的目前趨勢是采用被稱作“電子化油器”的混合方式。它省去了傳統(tǒng)化油器的幾個(gè)純機(jī)械部件，這種化油器具有電子控制的電磁線圈或電機(jī)。與從磁電機(jī)轉(zhuǎn)換到火花圈和微機(jī)點(diǎn)火控制不同，從化油器轉(zhuǎn)換到噴油器簡化了燃油系統(tǒng)很多方面的設(shè)計(jì)。噴油器不是依靠引擎真空為汽缸提供油氣混合物，而是依靠來自泵的燃油壓力，通過電磁閥控制的噴油器將燃油霧化。通過按脈沖分配燃油并且由微機(jī)控制，這樣可以更準(zhǔn)確地控制燃油數(shù)量，優(yōu)化燃油交付時(shí)間，以提高燃燒過程的效率。此外，它允許微機(jī)根據(jù)氧氣和其他引擎參數(shù)傳感器的反饋信息，調(diào)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(jī)(MCU)和實(shí)施引擎控制策略所需的全部模數(shù)接口電路組成的模塊。常見的單缸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(guī)定的算術(shù)和邏輯功能。由于MCU輸出的電壓/電流驅(qū)動(dòng)限制和輸入的敏感度問題，在引擎的各種傳感器、機(jī)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(diào)節(jié)和規(guī)定的復(fù)位信號(hào)也需要模擬電路。

小引擎ECU設(shè)計(jì)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(duì)于大型摩托車或工業(yè)發(fā)生器這當(dāng)然不是問題，但對(duì)于小型手持電動(dòng)工具，如除草機(jī)和葉式鼓風(fēng)機(jī)，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(shù)量降到最低。由于ECU的數(shù)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)行類似的集成才能減少尺寸和重量。

單缸引擎ASSP

飛思卡爾半導(dǎo)體針對(duì)這一目標(biāo)最近推出一款A(yù)SSP(首個(gè)具體應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)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(hào)為MCZ33812，主要針對(duì)小型單缸或雙缸引擎。它集成了單個(gè)IC、MCU電源穩(wěn)壓器，復(fù)位和看門狗功能，用于診斷通信的串行IS09141接口，一個(gè)點(diǎn)火預(yù)驅(qū)動(dòng)裝置，一個(gè)噴油器驅(qū)動(dòng)裝置，可用來驅(qū)動(dòng)繼電器或備用噴油器的兩個(gè)低邊驅(qū)動(dòng)裝置，以及一個(gè)顯示功能異常的指示燈。它是一個(gè)非常基本的功能集，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(xì)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10個(gè)并行的5V邏輯電平線路。之所以選擇簡單的并行接口，是為了保證即使從只擁有機(jī)械設(shè)計(jì)背景轉(zhuǎn)過來電子設(shè)計(jì)新手也能輕松了解該電路。該電路設(shè)計(jì)從標(biāo)準(zhǔn)的12伏電池運(yùn)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，過電流、溫度過高和ESD問題。下文簡要介紹包含的功能特性：

電源

該模塊是一個(gè)線性穩(wěn)壓器預(yù)驅(qū)動(dòng)裝置，可提供穩(wěn)定的5V電源，為MCU提供動(dòng)力。它的設(shè)計(jì)可以在 *V到36V的輸出電壓中提供穩(wěn)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(yù)驅(qū)動(dòng)裝置，它驅(qū)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(jiān)控提供反饋的輸出電壓并讓集電極穩(wěn)壓在5V。

復(fù)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(fù)位電路，它能驅(qū)動(dòng)MCU的復(fù)位輸入引腳?？偣灿腥N不同的事件可能導(dǎo)致復(fù)位信號(hào)發(fā)生。復(fù)位模塊包含三個(gè)輸入引腳：一個(gè)是VCCSENS，用來感應(yīng)外部5V電壓;一個(gè)是WDRFSH，用來定期提供MCU到看門狗定時(shí)器的刷新信號(hào);最后一個(gè)是WD_INH，用來選擇是啟用還是禁用看門狗功能?？赡茯?qū)動(dòng)復(fù)位信號(hào)的第一個(gè)事件是上電復(fù)位。當(dāng)器件首先上電時(shí)，RESETB 信號(hào)置于低，以確保MCU保持在復(fù)位狀態(tài)，直到電源電壓達(dá)到最低工作值。當(dāng)5V電壓超過最低電平時(shí)，RESETB信號(hào)可以在低的位置再保持128 微秒，從而讓MCU的內(nèi)部邏輯時(shí)間趨于穩(wěn)定。過了128微秒后，RESETB信號(hào)置于高，MCU開始執(zhí)行程序。發(fā)生RESETB信號(hào)的第二種情況是欠壓復(fù)位，5V電壓低于MCU的最小工作值時(shí)發(fā)生。這樣能確保MCU超過推薦的工作電壓范圍后不會(huì)運(yùn)行。生成RESETB信號(hào)的最后一種情況是看門狗電路超時(shí)復(fù)位。當(dāng)看門狗電路啟用后，WDRFSH引腳會(huì)定期提供來自MCU的刷新信號(hào)。如果MCU不能提供定期刷新信號(hào)，就表明程序指令流出現(xiàn)錯(cuò)誤或MCU“掛斷”了。發(fā)生RESETB狀況后，看門狗最大時(shí)長由WDRFSH引腳上MCU提供第一個(gè)脈沖的時(shí)長來確定。

圖3 MCZ33812復(fù)位電路框圖

點(diǎn)火預(yù)驅(qū)動(dòng)裝置

點(diǎn)火預(yù)驅(qū)動(dòng)裝置可以驅(qū)動(dòng)IGBT或達(dá)林頓晶體管。它有兩個(gè)輸出線路，即IGNOUTH和IGNOUTL線路，由單個(gè)并行輸入引腳IGNIN控制。選擇使用的晶體管類型時(shí)，可以由連接的IGNSUP引腳決定：可以選擇達(dá)林頓晶體管提供5V電壓或者選擇IGBT提供12V電壓。大部分新汽車設(shè)計(jì)師選擇使用IGBT，但一些小引擎ECU設(shè)計(jì)師仍然選用達(dá)林頓晶體管，因?yàn)橐郧暗腃DI ECU設(shè)計(jì)使用達(dá)林頓晶體管。點(diǎn)火預(yù)驅(qū)動(dòng)裝置檢測到開路故障或電池短路后，將故障指示信號(hào)IGNFLT發(fā)送給MCU。

低邊驅(qū)動(dòng)裝置

它有三個(gè)低邊驅(qū)動(dòng)裝置，全部使用相關(guān)的并行輸入引腳來控制。它們分別設(shè)計(jì)來驅(qū)動(dòng)噴油器、繼電器(或備用噴油器)以及報(bào)警燈或其他負(fù)載。

低邊驅(qū)動(dòng)裝置在過壓或欠壓事件中都會(huì)關(guān)閉，它們都可以防止過電流、電池短路和溫度過高狀況。對(duì)于噴油器和繼電器驅(qū)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(qū)動(dòng)裝置向MCU提供故障報(bào)告信號(hào)。

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

指示燈驅(qū)動(dòng)器沒有故障指示信號(hào)，但它可以防止過電流、過壓、溫度過高和電池短路。因?yàn)樗鼪]有引腳為微控制器提供故障信息，檢測到故障條件時(shí)，驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉;當(dāng)故障條件消失后，它再次打開。但它被設(shè)計(jì)來驅(qū)動(dòng)白熾燈，因?yàn)樗淖畲箅娏飨揞~為3 安，但另外兩個(gè)驅(qū)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(shè)計(jì)

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

圖6 MCZ33812參考設(shè)計(jì)板

它基于MCZ33812和MC9S12P128 16位MCU，擁有128 Kb閃存。它是完整的ECU，其設(shè)計(jì)代表MCZ33812在單缸、4沖程引擎實(shí)際應(yīng)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(dú)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(jī)驅(qū)動(dòng)器，一個(gè)VRS空調(diào)電路和一個(gè)氧傳感加熱驅(qū)動(dòng)器。借助該硬件，還可以提供部分軟件代碼和器件驅(qū)動(dòng)器的示例。

圖5 MCZ33812參考設(shè)計(jì)框圖

參考設(shè)計(jì)連接器提供下列信號(hào)：

輸入信號(hào)：

1. VSRP - 可變磁阻傳感器(正)

2. VRSN - 可變磁阻傳感器(負(fù))

3. MAP - 進(jìn)氣歧管氣壓傳感器

4. TPS - 油門位置傳感器

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(jī)斷開開關(guān)

10. TILTSW - 指示引擎在運(yùn)行的安全方向上的信號(hào)

輸出信號(hào)：

1. TPMD - 油門位置步進(jìn)電機(jī)輸出 D

2. TPMC - 油門位置步進(jìn)電機(jī)輸出 C

3. TPMB - 油門位置步進(jìn)電機(jī)輸出 B

4. TPMA - 油門位置步進(jìn)電機(jī)輸出 A

5. INJOUT - 噴油器 LS 驅(qū)動(dòng)輸出

6. COIL - 點(diǎn)火線圈 LS 驅(qū)動(dòng)輸出

7. +5V - 電源輸出電壓

8. LAMPOUT - 故障指示燈 LS 驅(qū)動(dòng)輸出

9. ROUT1 - 繼電器 LS 驅(qū)動(dòng)輸出 1

10. ROUT2 - 繼電器 LS 驅(qū)動(dòng)輸出 2

11. O2HOUT - 氧傳感加熱器 LS 驅(qū)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(fù)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(shè)計(jì)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(可用來運(yùn)行小引擎)。參考設(shè)計(jì)還包括實(shí)際運(yùn)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(zhǔn)”表時(shí)所需的其他一切內(nèi)容。

小結(jié)

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

為了減小ECU尺寸和縮減成本，必須將大部分獨(dú)立的組件集成起來。飛思卡爾推出首款A(yù)SSP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。此外，它還提供參考設(shè)計(jì)，為ECU設(shè)計(jì)員提供學(xué)習(xí)曲線中關(guān)鍵的第一步，幫助他們滿足法規(guī)新要求，并讓小型汽油引擎變得更加“環(huán)保”。