電子控制器幫助提升發(fā)動機性能
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在電池技術(shù)得到進一步發(fā)展，從而使電動動力系統(tǒng)真正可行之前，內(nèi)燃機的工作效率還將得到進一步提升。為了做到這一點，電子控制系統(tǒng)將發(fā)揮重要作用——負責(zé)“監(jiān)測”并管理發(fā)動機工作中各種狀態(tài)和瞬息萬變的事件。
“在駕駛員操控時，你要能夠預(yù)測出發(fā)動機的轉(zhuǎn)速是多少，然后確定燃油和點火策略，”飛思卡爾半導(dǎo)體微控制器產(chǎn)品經(jīng)理Tony Veri說道。“在預(yù)測出什么時候點火后，你還需要進行每缸每秒36,000次模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換。在監(jiān)測發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，這些一定要進行?！?
無論何時，只要這些控制策略中有一個參數(shù)發(fā)生變化，發(fā)動機的整體性能都會受到一定的影響。因此這也需要發(fā)動機設(shè)計師在產(chǎn)品開發(fā)時好好思考如何實現(xiàn)硬件的重復(fù)使用，這樣可以盡量減少對設(shè)計變更的處理。
“發(fā)動機系統(tǒng)已經(jīng)非常復(fù)雜了，而且很難再進行簡化，”通用汽車全球動力總成電子工程經(jīng)理Alberto Pisoni說道?！霸谶M行控制元件設(shè)計時，我們會確定可以重復(fù)使用的基塊。我們在軟件開發(fā)時也是這么做的。”
芯片的發(fā)展
今天發(fā)動機上采用的微控制器技術(shù)的發(fā)展可謂一日千里。微處理器內(nèi)核在主頻沒有提高太多的情況下處理能力得到了較大的提升，這樣可以保持較低的能耗和工作溫度。此外，內(nèi)存的不斷提升也帶來了許多變化。
RAM和閃存的大小都在增加，這樣程序員和控制工程師就可以更精確、更快地處理計算任務(wù)。閃存用于存儲程序，所需的空間需要更大，而控制器更多地負責(zé)功能的實現(xiàn)。程序員越來越注重可以提供更高性能和準(zhǔn)確性的技術(shù)，因此RAM也在不斷增加。
雖然RAM越來越重要，但是今天微控制器芯片空間大部分都分配給了非易失性存儲。隨著傳感器數(shù)量的不斷增加及實時處理速度的不斷提高，閃存的需求也在持續(xù)升高。
“發(fā)動機控制器通常有2-8兆的閃存存儲空間，比以往大了很多，容量也高很多，”瑞薩電子美國公司市場經(jīng)理Amrit Vivekanand說道?！霸诮酉聛韼啄昀?，256kb的RAM會很常見?！?
雖然控制器的主頻不會增加多少，但是整個處理能力會持續(xù)升高。這是因為發(fā)動機控制工程師越來越多地開始采用多核處理器。核心頻率可以保持不變，但是隨著內(nèi)核數(shù)量的增加，處理能力也會提高，只不過能耗不會升高很多，因為能耗通常會隨著主頻的增加而升高。
“我們都開始采用四核處理器了，這也是可以滿足客戶需求的唯一方式，”飛思卡爾的Veri說道?！拔覀冇锌畎l(fā)動機控制器目前可以達到客戶的最高標(biāo)準(zhǔn)。但是我們新推出來的多核芯片可以超過其兩倍之多，但是其每個內(nèi)核的工作主頻反而更低。”
其他供應(yīng)商也認同，用戶今天都不再將主頻作為評判微處理器好壞的最主要標(biāo)準(zhǔn)了。微控制器的選擇標(biāo)準(zhǔn)在于它們處理當(dāng)前任務(wù)的能力，而這通常需要專用的內(nèi)核以及外圍設(shè)備。
“雙核芯片的主頻為300MHz，但是芯片的延遲時間相對吞吐量來說更重要。在任務(wù)較多時你需要的是驟然提升的處理能力，”Vivekanand說道?！霸S多處理器采用DSP內(nèi)核，可以滿足動力總成系統(tǒng)的要求，比如快速傅立葉變換。”
保持簡單
隨著零部件及系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，工程師們也在尋求可以簡化他們工作的方法。其中一個方法就是通過標(biāo)準(zhǔn)來為一些基本的功能（如接口）提供常用的方法。而對發(fā)動機控制帶來較大影響的一個標(biāo)準(zhǔn)就是汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTOSAR）。
“AUTOSAR大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，”通用公司的Pisoni說道?！癆UTOSAR還可以讓我們采用多核處理器——在不增加電磁耦合的情況下我們需要提高其性能。該標(biāo)準(zhǔn)可以讓我們將軟件分配給不同的內(nèi)核?！?
他還透露通用公司正在開始簡化電路板的設(shè)計。工程師目前采用的是專用集成電路（ASIC），而實現(xiàn)的功能卻無法通過專用的標(biāo)準(zhǔn)微控制器或控制器來完成。如果將專用集成電路用于基本功能的實現(xiàn)，可以通過將大量被動元器件整合到專用集成電路中的方式來降低電路板的復(fù)雜性和占用的空間。
“通過具有一定可編程的專用集成電路，我們可以開發(fā)出類似直噴這樣的系統(tǒng)，不僅可以用于汽油機和柴油機，還可以用于不同排量的發(fā)動機，”Pisoni說道。“采用專用集電路的話，我們可以加入許多電阻和電容，而這節(jié)省了大量的空間，也就意味著節(jié)省了大量的成本。”
縮減的概念
傳感器的設(shè)計也在簡化。今天許多傳感器都是安置在電路板上，用相當(dāng)復(fù)雜的封裝技術(shù)保護起來。而這種方式也在發(fā)生快速的變化。
Melexis微電子系統(tǒng)公司不久前推出了一款用于EGR（廢氣再循環(huán)）閥門定位的線性和角度位置傳感器以及電子節(jié)氣門傳感器。前者采用了一種雙模具封裝技術(shù)，可以直接焊接在加固型連接器上，省去了電路板的使用。
“通過這種方式可以避免伴隨PCB板常出現(xiàn)的系統(tǒng)易損性，因為PCB板常常暴露在高溫或高振動的環(huán)境中。如果可以將元器件和錫焊接頭的數(shù)量減少兩倍，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的風(fēng)險就會得到大大的降低，”Melexis公司傳感器市場經(jīng)理Vincent Hiligsmann說道。
提高傳感器的性能和可靠性對發(fā)動機開發(fā)人員來說是一個非常關(guān)鍵的要求。隨著精確度和速度的不斷提升，從不同源頭快速獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)也就顯得非常重要。工程師們也在不斷增加傳感器的數(shù)量。
“雙頂置凸輪軸發(fā)動機可能需要在每個凸輪軸上各放置一個傳感器，然后曲軸上再有一個傳感器，”英飛凌北美公司磁學(xué)部門經(jīng)理James Sterling說道。“有趣的是，隨著對效率的追求逐漸使汽缸的數(shù)量不斷減少，傳感器的真正數(shù)量也在減少，雖然對精度的要求在不斷提高?！?
發(fā)動機上傳感器數(shù)量的減少不僅僅是因為從六缸到四缸這樣的轉(zhuǎn)變。工程師們也在想盡各種辦法可以讓他們僅從兩到三個傳感器上獲取信息，而以往這些信息可能還需要其他類型的傳感器。這種傳感器融合已經(jīng)成為新的發(fā)展趨勢，盡管實際應(yīng)用中并不總是盡如人意。
“只要有可能，我們就會盡量可以采用更少的傳感器，”Pisoni說道?！坝袝r候因為診斷所需，實現(xiàn)這一點并不容易。比如在美國就有多個在診斷方面的法規(guī)。”
1、 電子系統(tǒng)監(jiān)控著高級發(fā)動機的復(fù)雜工況。
2、 飛思卡爾半導(dǎo)體微控制器的內(nèi)存大小以較快的速度在增加。
3、 Melexis傳感器摒棄了印刷電路板的使用，這樣不僅大大降低了整體封裝尺寸，還提高了產(chǎn)品的可靠性。
4、 通用汽車公司采用專用集成電路板來簡化電路板的設(shè)計，摒棄了許多被動元件的使用。
數(shù)字傳感器連接方式登上舞臺，F(xiàn)lexRay或淡出
隨著發(fā)動機的轉(zhuǎn)速在更精準(zhǔn)的控制下愈來愈高，通信逐漸成為系統(tǒng)設(shè)計中愈加關(guān)鍵的一環(huán)。傳感器通信已經(jīng)獲得了巨大的提升，芯片制造商預(yù)計動力總成系統(tǒng)下一代連接方式將會發(fā)生新的變革。
發(fā)動機控制連接方面最大的改變當(dāng)屬數(shù)字接口的應(yīng)用，其將微控制器與提供真實世界信息的傳感器連接起來。開發(fā)人員開始選用串行通信，來替代用于連接傳感器的分立式布線方式。
數(shù)字信令可以提高通信的速度，減少布線同時還為雙向通信開啟了大門。一些新的通信協(xié)議逐漸應(yīng)用到發(fā)動機機艙系統(tǒng)內(nèi)。
“外設(shè)傳感器接口5（PSI5）以及SPC協(xié)議都允許雙向通信。你可以在節(jié)氣門、油門踏板以及閥門傳感器面向MCU的通信中看到這些協(xié)議的應(yīng)用，”英飛凌北美公司磁學(xué)經(jīng)理James Sterling說道?！皵?shù)字信令可以幫助解決噪音和電磁兼容性（EMC）問題，因為數(shù)字接口要比電壓輸出更容易被理解。你還可以在面向MCU的單通道通信中設(shè)置幾個傳感器，這樣可以為其他功能保留一些針腳，從而降低系統(tǒng)的成本?！?
更高級別的通信一般由CAN（控制器局域網(wǎng)）協(xié)議來解決。多年來，許多開發(fā)人員一直認為FlexRay會成為下一代高性能通信協(xié)議。不過，F(xiàn)lexRay的復(fù)雜性降低了系統(tǒng)工作的效率，從而為以太網(wǎng)開啟了應(yīng)用的大門。
以太網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域證明了這項技術(shù)的可靠性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家庭和辦公室環(huán)境中。越來越多的汽車供應(yīng)商開始認為這項技術(shù)會得到更為廣泛的應(yīng)用。
“我們已經(jīng)感受到了以太網(wǎng)的發(fā)展勢頭，”瑞薩電子北美公司細分市場經(jīng)理Amrit Vivekanand說道?！翱赡茉诙唐趦?nèi)這項技術(shù)還不會成為主流的通信方式，但是越來越多的人開始采用以太網(wǎng)來簡化檢測工作。我們預(yù)計在接下來五年左右的時間里，相對FlexRay來說，以太網(wǎng)會獲得更進一步的發(fā)展。”(end)
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