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小引擎（单缸）的电子控制 |
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作者：飞思卡尔半导体 Ralph C.J. Ferrara |
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摘要：小引擎制造商开始面临来自全球政府立法机构的压力，这些立法要求他们提高产品效率并降低排放。为了达到法规要求，引擎控制系统必须从机械控制转换成电子控制。汽车引擎在从机械控制到电子控制的转换过程中，其中所得到的一些经验教训可适用于小引擎。最近电路集成领域所取得的进展可以支持小引擎制造商开发出电子控制，从而使他们的产品变得“更环保”。本文将简要介绍一些必要的转换，以及飞思卡尔目前做了哪些工作来帮助这个转换得以简便、轻松和经济高效地实现。
引言
最近发生的两件事致使小引擎制造商考虑使用更新、更经济实惠的电子控制来替换传统的机械引擎。
环境条件
市区严重的污染，以及摩托车和其他小引擎车辆排放的气体导致“温室效应”日益凸显，因而也迫使很多政府开始制定更严格的排放法规。这些新法规专门针对小型内燃机。如果要达到这些法规要求的尾气排放等级标准，制造商需要用电子控制来替换机械引擎控制。但小引擎控制系统在目标成本和尺寸要求上十分苛刻，这需要制造商必须寻求创新的设计解决方案来实施这些电子控制。
燃油效率
一加仑汽油的成本从1956年的20美分提高到将近4美元，目前的最高点。全球原油产地的不稳定导致这一生活必需品的价格经常发生变化。以前曾被认为是无限供应的原油，石油公司认为有一天它也会用尽。要延长燃油供应时间和降低引擎操作成本，意味着所有引擎（不管大小）都需要具备更高燃油效率的设计。
2或4个冲程引擎
某些小引擎和大引擎之间的一个主要差别就是“冲程”数量或活塞在汽缸中上下活动完成一个循环所需的次数。 如果它不在本文讨论的两种引擎的优缺点范围内，就足以说明现在采用的是成本低燃油使用方式，2冲程引擎必须彻底重新设计才能满足该新的排放法规要求。
机械控制
尼古拉奥托于1876年发明了传统的内燃机，该内燃机的操作取决于三个因素：空气、燃油和燃烧过程。在引擎的汽缸中，精确的时控火花点燃气/油混合物，然后通过燃烧来推动汽缸内活塞向下运动，进而致使引擎曲轴旋转。小型内燃机的机械控制系统包括两个机械部件和一个电子部件。第一个机械部件（即化油器）使用的是汽缸中形成的真空。因为引擎最初通过起动电机、拉绳或脚踏启动器转动曲轴，以吸收并雾化燃油，从而让油和气以正确的比例混合。油/气混合物在适当的时间通过第二个机械部件（即进气阀）吸进汽缸。唯一的那个电子部件即被称作“磁电机”的器件，用来生成精确的时控火花，由附在旋转曲轴的飞轮上两个磁体确定位置。该机械控制系统基本上是一个“开环电路”的扩展系统，这意味着引擎中不提供反馈信息来指示机械控制系统是否正常操作；如果不正常的话是否要纠正。为了提高效率和降低排放，必须提供“闭环电路”类型的控制系统。从理论上来说设计闭环机械反馈系统是可行的，但要根据目前汽车市场中采用的新微机控制电子系统来说则是不现实的。
电子控制
从机械控制系统到电子控制系统的转换主要包括两方面：火花控制和燃油控制。此外，它还引入了闭环控制概念以及监控引擎排气的氧传感器反馈信号。废气中如果存在氧气，那就表明汽缸燃烧反应没达到空气和燃油14.7:1的正常比率，或者说由于某些原因，燃烧反应没有完成。
火花控制
在从机械控制到电子控制的转换中，最大的转变是从简单的磁电机驱动火花生成系统变成微机控制火花点火系统。
磁电机基本上是带主电源开关的100:1升压器。当飞轮旋转且第一个磁体通过磁电机磁芯时，嵌入引擎飞轮的磁体感应到主电源中产生的电流。第二个磁体让主电源开关打开。由此产生的磁塌缩磁场在主电源中生成200V脉冲。100:1升压比的磁电机从主用到备用电源时使200伏脉冲在备用电源中上升到2万伏，这可导致火花塞间隙出现火花。磁电机简单、可靠，但如果不能实际移动磁体位置或磁电机位置，就不可能及时控制火花输出。
火花圈与磁电机相似，它也是一个升压器，但它不是使用磁体，而是使用电池/交流发电机提供主电源电流，以创建可以生成高压脉冲的磁场。此外，它也不使用磁触发的主开关来断开一次电流和生成磁塌缩，而使用一个半导体器件，即达林顿双极结式晶体管或最新的绝缘栅双极晶体管（IGBT）。
在磁电机系统中，嵌入飞轮的磁体还提供所需的定时信号，以便在引擎压缩循环的固定时间生成火花。在基于感应线圈的系统中，附着在曲轴上的多齿轮以及被称为“可变磁阻传感器（VRS）”的感应线圈，共同为微机提供参考定时信号，该微机然后在给定的引擎速度、加载和温度的最佳时间发出火花信号，从而最大程度提高效率并减少污染物。燃油质量的变化可以通过改变火花定时进行调节。存储在微机内存中的校准表可以让微机根据各种引擎参数监控传感器的输出，查找生成火花的合适时间。
燃油控制
化油器已经有100多年的演进历史，因此大部分小引擎制造商不愿意替换成相对较新的开发产品--喷油器。小型引擎的目前趋势是采用被称作“电子化油器”的混合方式。它省去了传统化油器的几个纯机械部件，这种化油器具有电子控制的电磁线圈或电机。与从磁电机转换到火花圈和微机点火控制不同，从化油器转换到喷油器简化了燃油系统很多方面的设计。喷油器不是依靠引擎真空为汽缸提供油气混合物，而是依靠来自泵的燃油压力，通过电磁阀控制的喷油器将燃油雾化。通过按脉冲分配燃油并且由微机控制，这样可以更准确地控制燃油数量，优化燃油交付时间，以提高燃烧过程的效率。此外，它允许微机根据氧气和其他引擎参数传感器的反馈信息，调整燃油/空气混合比例的多少。
电子引擎控制单元
电子引擎控制单元（或ECU）是由微机（MCU）和实施引擎控制策略所需的全部模数接口电路组成的模块。常见的单缸ECU框图如下所示：
图1 小引擎ECU框图
MCU通常是 CMOS 8或16位器件，它可以轻松处理规定的算术和逻辑功能。由于MCU输出的电压/电流驱动限制和输入的敏感度问题，在引擎的各种传感器、机电致动器和MCU的I/O引脚之间接口上，必须提供模拟电路。此外，MCU电源调节和规定的复位信号也需要模拟电路。
小引擎ECU设计者面临的难题是如何减小ECU的尺寸，以便它能安装在小引擎上。对于大型摩托车或工业发生器这当然不是问题，但对于小型手持电动工具，如除草机和叶式鼓风机，ECU的大小和重量是整个工具的一部分。为了减少尺寸和重量，必须将ECU各种部件的数量降到最低。由于ECU的数字部件--MCU在整体尺寸和重量中占很小的部分，因此其它模拟部件必须进行类似的集成才能减少尺寸和重量。
单缸引擎ASSP
飞思卡尔半导体针对这一目标最近推出一款ASSP(首个具体应用标准产品)IC，以便把小引擎的多个模拟功能集成到一个芯片上。该IC的零件号为MCZ33812，主要针对小型单缸或双缸引擎。它集成了单个IC、MCU电源稳压器，复位和看门狗功能，用于诊断通信的串行IS09141接口，一个点火预驱动装置，一个喷油器驱动装置，可用来驱动继电器或备用喷油器的两个低边驱动装置，以及一个显示功能异常的指示灯。它是一个非常基本的功能集，但正是由于这个原因，它可以用于大批量生产的单缸小引擎ECU。
图2 MCZ33812框图
MCZ33812详细介绍
MCZ33812将多个模拟功能集成到一个小型的32引脚的封装里。MCU和该IC间的接口要通过10个并行的5V逻辑电平线路。之所以选择简单的并行接口，是为了保证即使从只拥有机械设计背景转过来电子设计新手也能轻松了解该电路。该电路设计从标准的12伏电池运行，但可以最高承受36V的电压，并且所有外部输出都可防止电池短路，过电流、温度过高和ESD问题。下文简要介绍包含的功能特性：
电源
该模块是一个线性稳压器预驱动装置，可提供稳定的5V电源，为MCU提供动力。它的设计可以在 6.4V到36V的输出电压中提供稳定的5V电压，并且跟踪从6.4V降为4.5V的输入电压电源。作为预驱动装置，它驱动外部PNP晶体管的基极，在集电极处生成浮动范围为+/-2%的5V电压。VCCSENS输入引脚与PNP集电极相连，该集电极监控提供反馈的输出电压并让集电极稳压在5V。
复位和安全功能
要保证MCU的功能正常，该IC必须具备某些安全功能。第一个带输出引脚RESETB的复位电路，它能驱动MCU的复位输入引脚。总共有三种不同的事件可能导致复位信号发生。复位模块包含三个输入引脚：一个是VCCSENS，用来感应外部5V电压；一个是WDRFSH，用来定期提供MCU到看门狗定时器的刷新信号；最后一个是WD_INH，用来选择是启用还是禁用看门狗功能。可能驱动复位信号的第一个事件是上电复位。当器件首先上电时，RESETB 信号置于低，以确保MCU保持在复位状态，直到电源电压达到最低工作值。当5V电压超过最低电平时，RESETB信号可以在低的位置再保持128 微秒，从而让MCU的内部逻辑时间趋于稳定。过了128微秒后，RESETB信号置于高，MCU开始执行程序。发生RESETB信号的第二种情况是欠压复位，5V电压低于MCU的最小工作值时发生。这样能确保MCU超过推荐的工作电压范围后不会运行。生成RESETB信号的最后一种情况是看门狗电路超时复位。当看门狗电路启用后，WDRFSH引脚会定期提供来自MCU的刷新信号。如果MCU不能提供定期刷新信号，就表明程序指令流出现错误或MCU“挂断”了。发生RESETB状况后，看门狗最大时长由WDRFSH引脚上MCU提供第一个脉冲的时长来确定。
图3 MCZ33812复位电路框图
点火预驱动装置
点火预驱动装置可以驱动IGBT或达林顿晶体管。它有两个输出线路，即IGNOUTH和IGNOUTL线路，由单个并行输入引脚IGNIN控制。选择使用的晶体管类型时，可以由连接的IGNSUP引脚决定：可以选择达林顿晶体管提供5V电压或者选择IGBT提供12V电压。大部分新汽车设计师选择使用IGBT，但一些小引擎ECU设计师仍然选用达林顿晶体管，因为以前的CDI ECU设计使用达林顿晶体管。点火预驱动装置检测到开路故障或电池短路后，将故障指示信号IGNFLT发送给MCU。
低边驱动装置
它有三个低边驱动装置，全部使用相关的并行输入引脚来控制。它们分别设计来驱动喷油器、继电器（或备用喷油器）以及报警灯或其他负载。
低边驱动装置在过压或欠压事件中都会关闭，它们都可以防止过电流、电池短路和温度过高状况。对于喷油器和继电器驱动装置，可以检测空载或电池短路故障。喷油器和继电器驱动装置向MCU提供故障报告信号。
继电器驱动装置拥有与喷油器驱动装置相同的电子特征，因此它也能用来驱动其他电流更高的器件，如燃油泵。
指示灯驱动器没有故障指示信号，但它可以防止过电流、过压、温度过高和电池短路。因为它没有引脚为微控制器提供故障信息，检测到故障条件时，驱动器关闭；当故障条件消失后，它再次打开。但它被设计来驱动白炽灯，因为它的最大电流限额为3 安，但另外两个驱动器的限额为6 安。
ISO-9141 通信接口
提供ISO-9141串行接口，允许MCU收发进出外部测试终端的诊断信息。
MCZ33812 参考设计
为演示用于小引擎ECU的第一款模拟IC的功能，ECU参考设计由此产生。
图4 MCZ33812参考设计板
它基于MCZ33812和MC9S12P128 16位MCU，拥有128 Kb闪存。它是完整的ECU，其设计代表MCZ33812在单缸、4冲程引擎实际应用中的用例；由于MCZ33812的基本功能集，一些其他模拟功能也使用独立组件进行实施。该板卡还安装了一个用于怠速管理的步进电机驱动器，一个VRS空调电路和一个氧传感加热驱动器。借助该硬件，还可以提供部分软件代码和器件驱动器的示例。
图5 MCZ33812参考设计框图
参考设计连接器提供下列信号：
输入信号：
1. VSRP – 可变磁阻传感器（正）
2. VRSN – 可变磁阻传感器（负）
3. MAP – 进气歧管气压传感器
4. TPS – 油门位置传感器
5. ATEMP – 外部气温传感器
6. ETEMP – 引擎温度传感器
7. O2IN - 氧传感器
8. OPSR – 油压传感器
9. ENGSTOP – 发动机断开开关
10. TILTSW – 指示引擎在运行的安全方向上的信号
输出信号：
1. TPMD – 油门位置步进电机输出 D
2. TPMC – 油门位置步进电机输出 C
3. TPMB – 油门位置步进电机输出 B
4. TPMA – 油门位置步进电机输出 A
5. INJOUT - 喷油器 LS 驱动输出
6. COIL – 点火线圈 LS 驱动输出
7. +5V – 电源输出电压
8. LAMPOUT – 故障指示灯 LS 驱动输出
9. ROUT1 – 继电器 LS 驱动输出 1
10. ROUT2 – 继电器 LS 驱动输出 2
11. O2HOUT – 氧传感加热器 LS 驱动输出
其余连接包括：
1. VBAT - 12 V电池正极输入
2. GND - 12 V电池负极输入
3. ISO9141 – 诊断输入/输出
4. GND – 4个其他接地连接
参考设计工具箱所包含的是带电缆和接头的电路板，包括BDM编程模块、带Code warrior 开发软件的DVD、带完整源代码和文档资料的实际工作软件示例（可用来运行小引擎）。参考设计还包括实际运行单缸或双缸引擎，以及制定提高效率、降低排放的引擎“校准”表时所需的其他一切内容。
小结
小型汽油引擎从机械控制转换到电子控制的时代已经到来。有关降低污染和提高功效的立法在各国已经开始实行。
为了减小ECU尺寸和缩减成本，必须将大部分独立的组件集成起来。飞思卡尔推出首款ASSP产品，将大量模拟功能集成到单一芯片上，从而再次领先市场。此外，它还提供参考设计，为ECU设计员提供学习曲线中关键的第一步，帮助他们满足法规新要求，并让小型汽油引擎变得更加“环保”。
目前，飞思卡尔针对小引擎ECU提供的首款集成模拟功能的IC已经开始供货。(end)
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(6/9/2010) |
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