2024年-汽车电子控制单元ECU

汽车电子控制单元ECU12024/5/6学习要求熟悉汽车电子控制单元ECU的基本功能和基本组成；熟悉玛瑞利单点电脑的组成，掌握玛瑞利单点电脑点火控制电路、点火监测电路和喷油控制电路的工作原理。22024/5/6以单片机为核心的汽车电子控制装置，各生产厂家所称名称有所不同，有称微处理机控制装置─MCU，有称电子控制组件─ECM，较多的是称为汽车电子控制单元─ECU，简称电控单元。在汽车修理行业，习惯上称为汽车电脑。32024/5/6一、ECU的基本功能ECU的主要功能在以下几个方面：（1）接受传感器、操作开关或其它装置输入的信息。给需要电源的传感器提供工作电压。（2）处理、存储、计算、分析和判断输入信息数据及故障信息。（3）根据输入的有关信息计算出输出指令信号，放大指令信号至可以控制执行器。（4）当电控系统出现故障时，输出故障信息。（5）实行学习控制，具有自我修正输出值的功能。（6）在具有车载网络的系统中，所有的ECU具有通信功能，相互间能进行数据交换。42024/5/6二、汽车电控单元ECU的基本组成由于汽车的配置不同，电控单元的数目也不同。低配置、手动变速器的轿车，一般只有一个发动机电控单元；中高配置的轿车，除发动机电控单元外，还有自动变速器电控单元、制动防抱死ABS电控单元、全自动空调电控单元、安全气囊电控单元、智能座椅电控单元、中央门控等电控单元，多达十几个，甚至几十个电控单元。汽车上电控单元的组成模式是相同的，一般由传感器、ECU、执行元件组成。52024/5/6图2-1汽车电子控制单元ECU的组成示意图62024/5/6三、输入电路输入电路的功能是接收和处理来自ECU外部的信号。实现外部传感器与单片机之间的信息传递，即对传感器输入的信号进行预处理，使输入信号变成微处理器可以接受的信号。来自ECU外部的信号分为两类，一类是传感器信号，一类是开关信号。72024/5/61.传感器信号传感器信号来自各个传感器，又分为模拟信号和数字信号。对模拟信号，如空气流量传感器、温度传感器等缓慢变化的模拟信号，要先放大、滤波、然后对其进行模/数（A/D）转换，转换为数字信号。如果是脉冲信号和开关信号，如曲轴转速传感器的脉冲信号，将对其进行放大和整形处理，使其达到数字信号的要求。输入电路将数字信号送至单片机的输入接口。82024/5/62.开关信号开关信号分为操纵开关信号和自动开关信号。操纵开关信号是驾驶人操纵各种开关、操纵手柄、操纵杆、操纵踏板产生的信号。例如，启动发动机时启动开关产生的启动信号传送到发动机ECU，发动机电控ECU按启动工况确定喷油量和点火提前角；操纵自动变速器手柄至D挡位置时，D挡位的开关触点产生的开关信号传送到自动变速器ECU，自动变速器ECU将按前进挡确定自动变速器内的离合器和执行器的工作状态。自动开关信号是汽车内的自动装置产生的开关信号，例如汽车空调的温度控制器，当制冷温度达到确定的温度时，温度控制器内部的开关触点将产生开关信号，传送的空调ECU，空调ECU控制空调压缩机暂停工作。92024/5/63.模拟量输入通道模拟量输入通道的任务是把被控系统中多个传感器输出的模拟量转换成数字量后输入微型计算机，它的一般组成框图如图2-2所示，它由滤波和电平变换电路、多通道A/D转换器等组成。图2-2模拟量输入通道组成框图102024/5/6（1）滤波和电平变换电路滤波和电平变换电路包括信号滤波、电平变换等。传感器测得的电信号受周围电磁场干扰，一般都有高频干扰电磁波，因此，要对传感器信号先进行高频滤波。传感器信号电压信号一般很小，电压通常为0—40mV，而A/D转换器所能处理的电压范围为5V、10V、±5V等，故必须进行电平变换后再输给A/D转换器，这样可提高模拟信号测量系统的精度。（2）多通道A/D转换器目前的A/D转换器多为多输入通道的，有8通道和16通道的，可以同时输入8路或16路模拟信号。经A/D转换后送入单片机的I/O接口电路。112024/5/6

4.数字量输入通道在汽车电控系统中，传感器采集的还有数字信号，比如来自曲轴转速传感器的转速信号与上止点参考信号，它们都是脉冲信号。脉冲信号经放大和整形电路处理后，变成矩形波，通过I/O接口可直接送入单片机。122024/5/6

5.光电隔离器对可能受到强干扰的输入信号，要考虑增加光电隔离电路。图2-3为常用的光电隔离器及电平转换电路，图中G为发光二极管和光电三极管集成的光电隔离器，输入信号经滤波、放大，驱动发光二极管按信号电流强弱发光，光电三极管将接受的光再转换为电信号，实现了信号传送过程完全电的隔离，起到很好的抗干扰作用。三极管VT1和VT2组成电平转换电路，使输出信号达到所需要的电压值。光电隔离器不但适用输入电路，也适用输出电路，可以隔离输出电路到执行器之间的电磁干扰。132024/5/6

图2-3光电隔离器及电平转换电路

142024/5/6四、单片机单片机是汽车电子控制单元ECU的控制中枢。它的功能是根据所存程序，对各种传感器送来的信号进行运算和判断，把处理结果，如喷油指令信号、点火指令信号等，送至输出电路，从而控制执行器。汽车电控单元使用的单片机是汽车专用增强型单片机，是针对汽车较为复杂的震动、高温、低温和恶劣的电磁环境而设计的。有的汽车单片机芯片内已包含A/D转换、D/A转换和其他专用电路，152024/5/6五、输出电路输出电路是根据所控制的执行器的类型而设计的，汽车上执行器的按负载类型可分为电阻类，如照明灯和信号灯；电磁线圈类，如继电器、电磁阀，喷油器；电动机类，如直流电动机、步进电动机等。按控制信号可分为模拟量输出通道和数字量输出通道。162024/5/61.模拟量输出通道模拟量输出通道的任务是把计算机的离散数字量输出变成连续的模拟量输出，以控制执行机构。图2-4是一个多输出的模拟量输出通道，一个通道使用一个D/A转换器，转换速度快且工作可靠。图2-4模拟量输出通道172024/5/62.数字量输出通道数字量输出通道的任务是将单片机的I/O接口输出的数字量转换成执行机构（如继电器、电磁阀、步进电机等）需要的脉冲信号。数字量输出通道有以下三种形式：（1）由单片机的输出口直接控制执行机构。（2）通过半导体开关管控制执行机构。（3）通过继电器控制执行机构。数字量输出通道的终末负载常常是继电器、电磁阀的电磁线圈和步进电机的电磁线圈，它们与单片机中间需要放大、隔离和驱动电路。

182024/5/6图2-5控制喷油器的输出电路192024/5/6图2-5是控制喷油器的输出电路。单片机根据空气流量传感器的传入信号，计算出进入气缸中的空气质量，然后按理想空燃比计算出应喷的汽油量，使汽油的混合气体达到最佳燃烧。喷油器是一个典型的小型电磁阀，通电时线圈产生磁力，吸引阀针向上开阀，汽油在一定压力下，喷射入气缸；断电时阀针在复位弹簧的作用下，向下关阀。在油压和喷油器喷孔一定的条件下，控制喷油时间就可控制喷油量。202024/5/6单片机输出的喷油脉冲，经放大器放大，驱动光电隔离器G中的发光二极管发光，光电三极管将接收到的光信号转为电信号，经三极管VT1放大，驱动大功率三极管VT2导通接地，喷油器电磁线圈通电开阀，达到控制喷油的目的。精确控制喷油脉冲的脉冲宽度（例如某种发动机的喷油脉宽可在1.72ms～8.45ms间控制），是电控燃油喷射的主要功能。212024/5/6六、电源电路现代汽车ECU的电源电路一般有两路。一路来自点火开关控制的主继电器，它是ECU的主电源。打开点火开关后，主继电器触点闭合，电源送入ECU内部的处理电路，使ECU进入工作状态；关闭点火开关后，主继电器触点断开，ECU的工作电源被切断从而停止工作。另一路直接来自蓄电池，直接接单片机的备用电源引脚（MCS-51单片机的VPD引脚），在点火开关关闭及发动机熄火后，该电路仍然保持蓄电池电压，使单片机的故障自诊断电路所测得的故障码及其他有关数据可长期保存在单片机的存储器内，为故障检修提供依据，该电路称为ECU的备用电源电路。除此之外，对有些具有防盗功能的ECU或不能停止某些监控功能的ECU，其唤醒电路也用备用电源电路。222024/5/6七、ECU的可靠性要求汽车ECU工作在较为复杂的震动、高温、低温和恶劣的电磁环境中，需要在不同的道路和气候条件下行驶，这些环境因素往往造成汽车电子控制装置的性能下降，甚至不能完成规定的功能或损坏，因此汽车ECU需要很高的可靠性和对环境的耐久性。

1．能适应较大的电源电压波动以12V电源为例，正常的电源电压波动范围为10～15V，发动机低温启动时，蓄电池电压可降至约为6-8V，启动完成后，发电机开始发电，在很短的时间内，电源电压就会升高超过12V。

232024/5/6此外，ECU还要承受瞬变电压的冲击，瞬变电压是指由于电磁感应在短时间内产生的较高的脉冲电压。较大的电感性负载，在电流通断的瞬间都能产生很高的自感电动势，有的可达几百伏。因此，ECU的电源电路必须具有很好的抗干扰能力和稳压作用。

2．硬件抗干扰措施汽车电磁设备对ECU的干扰，一般都是以脉冲的形式进入的，抗干扰措施主要有以下几点：（1）消除电源电压波动干扰。采用稳压电源使汽车电源经过稳压后再送给ECU；可在直流稳压器的进、出端连接滤波器，以减小浪涌电压的干扰。242024/5/6（2）消除过程通道和空间干扰。过程通道是指单片机与传感器及执行机构之间进行信息传输的路径，其干扰因素是传输线路长，积累干扰量大。可采用光电隔离器、双绞线、同轴电缆、光纤等传输方式消除干扰。同时要对干扰源进行屏蔽，减小干扰源对外电磁辐射。（3）消除接地系统干扰。接地系统干扰主要是由于多点接地，使得两接地点的电位不为零，这个电位差对电路的输入输出电压产生干扰。对于汽车以金属车身为负极和地线的情况，预防措施可采用：与车身连接的接地点一定要连接可靠；重要的地线可以用铜线作专用地线；大电流和弱信号电路的地线分开走线。252024/5/6

3．软件抗干扰措施采用硬件抗干扰措施可以提高系统的可靠性，但是会使系统成本相应提高，而且并非所有的干扰或故障都能够通过这种方法得到完全解决。为弥补硬件抗干扰的不足，还必须增加软件抗干扰的方法。（1）数据采集中的软件抗干扰措施在检测汽车缓慢变化的信号时，如果某时刻只把一次采集到的数据作为该参数的真实数据，往往会由于某种偶然因素使数据失真，造成误差或错误。在这种情况下可采用数字滤波。比如，连续采集数据3—5次取其平均值，或去掉最大值、最小值后取其平均值；根据控制系统所采集的数据的大小范围，通过编程判别采样值是否超出正常值的范围来判断是否是干扰值。262024/5/6（2）程序运行失常的抗干扰措施系统受到干扰后，致使程序计数器的值改变，导致程序运行失常，对此可采取以下措施及时引导系统恢复原始状态：①启动监视定时器。监视定时器是一个计数器，启动后，会根据ECU内部的时钟信号自动计数，当计数器溢出时，系统即进入强制复位，并重新初始化。②设置软件陷阱。当程序指针失控时，程序跑飞，有时会进入各种非程序区，造成严重的后果。为尽量避免出现上述现象，提高系统的监控能力，可在所有的非程序区设置系统复位指令，这样一旦程序跑飞进入非程序区，就可以立即迫使程序进入初始状态。272024/5/6八、ECU的可靠性设计汽车电子控制单元在总体设计时应着重考虑以下几个方面：（1）尽量用软件代替硬件。系统中的任何硬件都有失效问题，硬件电路越复杂可靠性越差，而软件易于修改且处理速度快。（2）尽可能采用定型的标准化单元电路。因为定型的标准化电路