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。為了達到法規(guī)要求，引擎控制系統(tǒng)必須從機械控制轉(zhuǎn)換成電子控制。汽車引擎在從機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)驗教訓可適用于小引擎。最近電路集成領(lǐng)域所取得的進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轉(zhuǎn)換得以簡便、輕松和經(jīng)濟高效地實現(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)濟實惠的電子控制來替換傳統(tǒng)的機械引擎。

環(huán)境條件

市區(qū)嚴重的污染，以及摩托車和其他小引擎車輛排放的氣體導致“溫室效應”日益凸顯，因而也迫使很多政府開始制定更嚴格的排放法規(guī)。這些新法規(guī)專門針對小型內(nèi)燃機。如果要達到這些法規(guī)要求的尾氣排放等級標準，制造商需要用電子控制來替換機械引擎控制。但小引擎控制系統(tǒng)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實施這些電子控制。

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。全球原油產(chǎn)地的不穩(wěn)定導致這一生活必需品的價格經(jīng)常發(fā)生變化。以前曾被認為是無限供應的原油，石油公司認為有一天它也會用盡。要延長燃油供應時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計。

2或4個沖程引擎

某些小引擎和大引擎之間的一個主要差別就是“沖程”數(shù)量或活塞在汽缸中上下活動完成一個循環(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計才能滿足該新的排放法規(guī)要求。

機械控制

尼古拉奧托于1876年發(fā)明了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機，該內(nèi)燃機的操作取決于三個因素：空氣、燃油和燃燒過程。在引擎的汽缸中，精確的時控火花點燃氣/油混合物，然后通過燃燒來推動汽缸內(nèi)活塞向下運動，進而致使引擎曲軸旋轉(zhuǎn)。小型內(nèi)燃機的機械控制系統(tǒng)包括兩個機械部件和一個電子部件。第一個機械部件(即化油器)使用的是汽缸中形成的真空。因為引擎最初通過起動電機、拉繩或腳踏啟動器轉(zhuǎn)動曲軸，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?shù)臅r間通過第二個機械部件(即進氣閥)吸進汽缸。唯一的那個電子部件即被稱作“磁電機”的器件，用來生成精確的時控火花，由附在旋轉(zhuǎn)曲軸的飛輪上兩個磁體確定位置。該機械控制系統(tǒng)基本上是一個“開環(huán)電路”的擴展系統(tǒng)，這意味著引擎中不提供反饋信息來指示機械控制系統(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)。從理論上來說設計閉環(huán)機械反饋系統(tǒng)是可行的，但要根據(jù)目前汽車市場中采用的新微機控制電子系統(tǒng)來說則是不現(xiàn)實的。

電子控制

從機械控制系統(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。廢氣中如果存在氧氣，那就表明汽缸燃燒反應沒達到空氣和燃油14.7:1的正常比率，或者說由于某些原因，燃燒反應沒有完成。

火花控制

在從機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驅(qū)動火花生成系統(tǒng)變成微機控制火花點火系統(tǒng)。

磁電機基本上是帶主電源開關(guān)的100:1升壓器。當飛輪旋轉(zhuǎn)且第一個磁體通過磁電機磁芯時，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升壓比的磁電機從主用到備用電源時使200伏脈沖在備用電源中上升到2萬伏，這可導致火花塞間隙出現(xiàn)火花。磁電機簡單、可靠，但如果不能實際移動磁體位置或磁電機位置，就不可能及時控制火花輸出。

火花圈與磁電機相似，它也是一個升壓器，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。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，而使用一個半導體器件，即達林頓雙極結(jié)式晶體管或最新的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。

在磁電機系統(tǒng)中，嵌入飛輪的磁體還提供所需的定時信號，以便在引擎壓縮循環(huán)的固定時間生成火花。在基于感應線圈的系統(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)”的感應線圈，共同為微機提供參考定時信號，該微機然后在給定的引擎速度、加載和溫度的最佳時間發(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)量的變化可以通過改變火花定時進行調(diào)節(jié)。存儲在微機內(nèi)存中的校準表可以讓微機根據(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間。

燃油控制

化油器已經(jīng)有100多年的演進歷史，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)化油器的幾個純機械部件，這種化油器具有電子控制的電磁線圈或電機。與從磁電機轉(zhuǎn)換到火花圈和微機點火控制不同，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控制，這樣可以更準確地控制燃油數(shù)量，優(yōu)化燃油交付時間，以提高燃燒過程的效率。此外，它允許微機根據(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(MCU)和實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)動限制和輸入的敏感度問題，在引擎的各種傳感器、機電致動器和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。對于大型摩托車或工業(yè)發(fā)生器這當然不是問題，但對于小型手持電動工具，如除草機和葉式鼓風機，ECU的大小和重量是整個工具的一部分。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

飛思卡爾半導體針對這一目標最近推出一款ASSP(首個具體應用標準產(chǎn)品)IC，以便把小引擎的多個模擬功能集成到一個芯片上。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IC、MCU電源穩(wěn)壓器，復位和看門狗功能，用于診斷通信的串行IS09141接口，一個點火預驅(qū)動裝置，一個噴油器驅(qū)動裝置，可用來驅(qū)動繼電器或備用噴油器的兩個低邊驅(qū)動裝置，以及一個顯示功能異常的指示燈。它是一個非?；镜墓δ芗怯捎谶@個原因，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將多個模擬功能集成到一個小型的32引腳的封裝里。MCU和該IC間的接口要通過10個并行的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械設計背景轉(zhuǎn)過來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

該模塊是一個線性穩(wěn)壓器預驅(qū)動裝置，可提供穩(wěn)定的5V電源，為MCU提供動力。它的設計可以在 *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。作為預驅(qū)動裝置，它驅(qū)動外部PNP晶體管的基極，在集電極處生成浮動范圍為+/-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。第一個帶輸出引腳RESETB的復位電路，它能驅(qū)動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。復位模塊包含三個輸入引腳：一個是VCCSENS，用來感應外部5V電壓;一個是WDRFSH，用來定期提供MCU到看門狗定時器的刷新信號;最后一個是WD_INH，用來選擇是啟用還是禁用看門狗功能?？赡茯?qū)動復位信號的第一個事件是上電復位。當器件首先上電時，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電壓超過最低電平時，RESETB信號可以在低的位置再保持128 微秒，從而讓MCU的內(nèi)部邏輯時間趨于穩(wěn)定。過了128微秒后，RESETB信號置于高，MCU開始執(zhí)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的最小工作值時發(fā)生。這樣能確保MCU超過推薦的工作電壓范圍后不會運行。生成RESETB信號的最后一種情況是看門狗電路超時復位。當看門狗電路啟用后，WDRFSH引腳會定期提供來自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(xiàn)錯誤或MCU“掛斷”了。發(fā)生RESETB狀況后，看門狗最大時長由WDRFSH引腳上MCU提供第一個脈沖的時長來確定。

圖3 MCZ33812復位電路框圖

點火預驅(qū)動裝置

點火預驅(qū)動裝置可以驅(qū)動IGBT或達林頓晶體管。它有兩個輸出線路，即IGNOUTH和IGNOUTL線路，由單個并行輸入引腳IGNIN控制。選擇使用的晶體管類型時，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。點火預驅(qū)動裝置檢測到開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(qū)動裝置

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

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

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

指示燈驅(qū)動器沒有故障指示信號，但它可以防止過電流、過壓、溫度過高和電池短路。因為它沒有引腳為微控制器提供故障信息，檢測到故障條件時，驅(qū)動器關(guān)閉;當故障條件消失后，它再次打開。但它被設計來驅(qū)動白熾燈，因為它的最大電流限額為3 安，但另外兩個驅(qū)動器的限額為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行實施。該板卡還安裝了一個用于怠速管理的步進電機驅(qū)動器，一個VRS空調(diào)電路和一個氧傳感加熱驅(qū)動器。借助該硬件，還可以提供部分軟件代碼和器件驅(qū)動器的示例。

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)動機斷開開關(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 - 油門位置步進電機輸出 D

2. TPMC - 油門位置步進電機輸出 C

3. TPMB - 油門位置步進電機輸出 B

4. TPMA - 油門位置步進電機輸出 A

5. INJOUT - 噴油器 LS 驅(qū)動輸出

6. COIL - 點火線圈 LS 驅(qū)動輸出

7. +5V - 電源輸出電壓

8. LAMPOUT - 故障指示燈 LS 驅(qū)動輸出

9. ROUT1 - 繼電器 LS 驅(qū)動輸出 1

10. ROUT2 - 繼電器 LS 驅(qū)動輸出 2

11. O2HOUT - 氧傳感加熱器 LS 驅(qū)動輸出

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 開發(fā)軟件的DVD、帶完整源代碼和文檔資料的實際工作軟件示例(可用來運行小引擎)。參考設計還包括實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”表時所需的其他一切內(nèi)容。

小結(jié)

小型汽油引擎從機械控制轉(zhuǎn)換到電子控制的時代已經(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。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。此外，它還提供參考設計，為ECU設計員提供學習曲線中關(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”。