（通信与信息系统专业论文）ems软件及硬件系统设计.pdf

摘要 发动机管理系统( e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ) ，简称e m s ，是汽车的核心 技术之一。通过发动机管理系统，可以更好的控制发动机的喷油、点火以及排 放，改善汽车的驾驶性、动力性、安全性、经济性、以及环保特性。 一个完整的e m s 系统包括控制单元e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 、发动机 外围的传感器以及执行器。电控单元包括硬件电路、控制软件以及标定数据三 个部分。传感器包括进气温度传感器、进气压力传感器、冷却液温度传感器等。 执行器包括点火线圈、电子e g r 阀和各种继电器。 本文主要针对e m s 的软件和硬件进行设计，以从功能和性能上满足当前汽 车工业对e m s 的要求。 e m s 控制软件方面主要包括进气模型部分、点火角控制部分、喷油量控制、 怠速控制部分和故障诊断五个部分组成。首先控制软件对传感器获取的信号进 行处理，获取所需要的环境参数，如计算出进气量；通过发动机转速以及节气 门的开度来判断出发动机运行状态，计算出基本点火角、基本喷油量和节气门 开度；根据发动机运行状态的变化情况以及车辆电器负荷的变化情况计算出点 火角和喷油量的修正值，以达到较高的动力和油耗标准；软件随时对传感器执 行器以及发动机的运行状态进行监测，当确认系统故障时产生故障代码并以故 障灯的形式提醒驾驶员。系统控制算法通过搭建s i m u l i n k 模块来实现。， e m s 硬件电路主要为软件算法的载体以及控制执行器的动作。e c u 处理器 芯片采用英飞凌1 6 位处理器c 1 6 7 。处理器能够满足系统对高精度a d 转换、 强大的定时器、丰富的i o 端口、高速的运算性能等要求。e c u 硬件电路还包 括传感器信号的处理电路、执行器的驱动电路、c a n 总线以及k 总线的控制器、 扩展的存储器等。 通过本课题的研究，开发出由一个1 6 位的控制单元以及传感器执行器组成 的e m s ，控制一台4 缸汽油机的运行，在整车上实现驾驶性、油耗以及排放等 方面性能的优化，同时系统具有o b d l 诊断功能。 关键词：e m s ，空燃比，o b d a b s t r a c t e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) i so n eo ft h ek e yp a r t so ft h et e c h n o l o g yi n a u t o m o t i v ei n d u s t r y t h ea c t i o no ft h ei n j e c t i o nm o d e l ，i g n i t i o nm o d e lc o u l db e c o n t r o l l e dp r o p e r l y s ot h ed r i v a b i l i t y , t h ep o w e r f u lo u t p u t , t h es a f e t y , t h ef u e l e c o n o m y , a n de m i s s i o np e r f o r m a n c ec o u l db ei m p r o v e db ye n g i n em a n a g e m e n t s y s t e m aw h o l ee n g i n em a n a g e m e n ts y s t e mi n c l u d e se n g i n ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o lu n i t , n s o r sa n da c t u a t o r s t h ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o lu n i ti n c l u d e sh 盯d w a r e ，s o f t w a r e a n dc a l i b r a t i o nd a t a t h es e n s o r si n c l u d ei n t a k ea i rt e m p e r a t u r e0 i a ) ，m a s sa i rf l o w ( m a f ) ，c o o l a n tt e m p e r a t u r ef r c o ) a n ds oo n t h ea c t u a t o r sm a yi n c l u d ei g n i t i o n c o i l ，e x h a u s tg a sr e c y c l e ，i n j e c t o ra n ds oo n h e r ew ew i l lp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed e s i g n a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o ft h ee n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ，s ot h a tt h ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e sc o u l d m e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y t h es o f t w a r eo ft h ee n g i n em a n a g e m e n ts y s t e mi n c l u d e s5m a i nm o d e l s t h e m o d e l sa r ei n t a k em o d e l ，i g n i t i o nc o n t r o lm o d e li n j e c t i o nm o d e l ，i d l es p e e dm o d e l d i a g n o s i sa n de m e r g e n c eo p e r a t i o nm o d e l f i r s t l yt h em a s sa i rf l o w ( m a y ) i s c a l c u l a t e db yt h es i g n a l sf r o mt h es e n s o r s ；t h ee n g i n es t a t e sa r eb a s e do ne n g i n e s p e e da n dt h ep o s i t i o no ft h et h r o t t l e t h e nw ec a ng e tt h eb a s i ci g n i t i o na n g l ea n d b a s i ci n j e c t i o nt i m e ；t h ei g n i t i o n a n g l ec o r r e c t i o na n di n j e c t i o nc o r r e c t i o na r e c a l c u l a t e db a s e do nt h ee n g i n es t a t ea n dt h ee l e c t r o n i c a l l yl o a d s ，t h ec o r r e c t i o n sc a n k e e pt h ea i ra n df u e lr a t i oi nag o o ds t a t e ；t h es i g n a l so ft h ee n v i r o n m e n ta r e m o n i t o r i n ga l lt h et i m e , s ot h ea b n o r m a lc o n d i t i o n sc o u l db ed e t e c t e de a r l yi nt h e d r i v i n gc y c l e w h e nt h ee r r o ri sc o n f i r m e db yt h es y s t e m t h ed r i v e r 伽k n o wi tb y t h em i l ( m a n u f a c t u r ei n d i c a t i o nl i g h t ) t h ec o n t r o la l g o r i t h mw a sd e v e l o p e du n d e r s o f t w a r es i m u l i n i c t h eh a r d w a r eo ft h ee n g i n em a n a g e m e n ts y s t e mj u s tp r o v i d e sa p l a t f o r mf o rt h e c o n t r o la l g o r i t h m s t h em a i nc o n t r o lp r o c e s s o r sa r er e q u i r e dt oh a v em o r ef op o r t s ， a c c u r a t ea dp o r t s p o w e r f u lt i m e ra n dc o u n t e r , a n dh j i g ho u t p u t s s ow es e l e c tt h e p r o d u c t so ft h e f d m o n c 1 6 7 t h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o lu n i ta l s oi n c l u d e st h e p a r t sw h i c ha r eu s e dt o d r i v et h ea c t u a t o r s ，p r o c e s st h ei n p u ts i g n a l sa n do t h e r f u n c t i o n s ht l l i sd o c u m e n tw ew i l ld om o r er e s e a r c h0 1 1t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m a l s ow ew i l li m p l yt h es y s t e mt oaf o u rc y l i n d e re n g i n e w i t ht h es e n s o r sa n da c t u a t o r sf o r ms i e m e n s i nt h ee n dw eh o p eo u re n g i n e m a n a g e m e n ts y s t e mc o u l di m p r o v et h ed r i v a b i l i t y , t h ep o w e r f u lo u ta n df u e l e c o n o m yo ft h ea u t o m o t i v e t h eo b d li sa l s oi n t e g r a t e di nt h i ss y s t e m k e yw o r d s ：e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ，a i rf u e lr a t i o ，o nb o a r dd i a g n o s i s h i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材科与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名：照日规逝 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即；学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：鼬 注：请将此声明装订在 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，国家相继出台了一系列有关汽车尾气排放的政策法规，目的是解 决城市的尾气污染问题。实践证明，电控燃油喷射、空燃比闭环控制加三元催 化转化器尾气后处理技术，可使汽油发动机排气中三种有害气体一氧化碳 ( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化物( n o x ) 放量降低9 5 以上，目前是降 低汽油发动机排放污染最有效的措施。同时电控燃油喷射技术还可以有效地降 低发动机的燃油消耗，改善汽车的动力性以及驾驶性。 汽油机电子控制单元e c u 中的核心技术是系统的控制软件，电子控制单元 的硬件电路是保证软件可靠运行的必要条件。我国从1 9 8 6 年开始进行汽油机燃 油喷射系统的开发研究工作，对国外一些有代表性的控制系统进行了分析、消 化。发动机电控单元的研发，需要投入大量的人力、物力和财力，目前国内还 没有哪个企业掌握了其核心技术。现在国内所使用的发动机管理系统的主流厂 商基本为国外厂商，且大部分是随汽车整车引入国内的，主要为博世( b o s c h ) 、 德尔福( d e l p h i ) 和西门子( s t a m e n s ) 等。同时由于发动机电控单元技术含量 高，其部件的附加值高，因此各公司对其核心技术都实施严密的技术封锁，基 本上都以系统集成供货。为了脱国外企业的技术垄断，国内生产企业只有走自 主开发的道路，联合国内有关大学、研究机构和汽车厂家共同攻关，最终掌握 发动机电控单元的核心技术，实现国内发动机管理系统的产业化。【1 】 1 2e m s 的发展过程 电子控制发动机始于6 0 年代中期，采用机械式控制方式并在飞机发动机上 率先得以应用。伴随着电子技术的迅猛发展和受汽车排放法规的影响，使得汽 油机喷射逐渐运用于一般汽车上。 进入7 0 年代，受能源危机和电子技术飞速发展的影响，电控汽油喷射系统 成为汽车工业重要的发展方向。电控燃油喷射系统发展到今天，经历了从晶体 管、集成电路到微机控制，从模拟式到数字式的发展过程。1 9 6 7 年德国b o s c h 公司率先开发出一套全电子d - j e t r o n i c 汽油喷射系统，并于7 0 年代首次批量生 武汉理工大学硕士学位论文 产，开创了汽油喷射电子控制系统的应用历史1 2 】。 汽车电子控制装置开发最早、最主要部分是从发动机控制开始的，而发动 机的电子控制技术又首先是从控制点火时刻开始的。1 9 7 6 年美国克莱斯勒公司 首先创立了由模拟计算机对发动机点火时刻进行控制的控制系统。1 9 7 7 年美国 通用汽车公司开始采用数字点火时刻控制系统，称为迈塞c m i s a r ) 系统。汽 车电子控制系统从单一项目的控制，发展到多功能的控制，即从单一的控制点 火时刻或控制燃油喷射空燃比开始，逐步扩展到控制发动机怠速转速、排气再 循环、二次空气、涡轮增压等多项内容的发动机综合控制系统，成为发动机集 成控制系统。 到8 0 年代，随着单片机技术的发展，出现了8 位和1 6 位单片机，使单一 功能控制技术被整车集中控制所取代，同时实现优化点火正时和精确的空燃比 控制，以满足更加严格的排放要求。同时1 6 位单片机非常适合在更加复杂的实 时处理、实时控制的系统中应用。1 6 位单片机集成了更加丰富的外设装置，其 丰富的软硬件资源和性能可使发动机的控制策略更趋于丰富和完善，尤其是在 自学习、故障诊断及失效保护等方面。有些系统还将发动机及自动变速箱的电 子控制做在一起，形成动力总成集中控制( p c m ) 。点火系统采用无分电器分配 式点火系统，直接由控制器和驱动器产生几个点火信号，依次将几个点火线圈 充电来产生各缸点火所需的高压，直接输送到火花塞。无分电器点火系统除了 具有一般电子点火系的优点外，还有以下优点：使发动机的设计自由度更大；克 服了分电器点火系的分火头与电极之间的磨损和电蚀，并大大降低了电磁干扰； 没有任何运动部件，寿命长，维修性能好。 9 0 年代，3 2 位机开始逐步得到应用，硬件上还采用了可编程逻辑阵列、 d s p 技术、微处理器外围芯片大规模集成化等电子技术。而汽油机的电子控制 技术从过去的查表法和p i d 等基于经典理论的控制方法，向以状态空间、多变 量最优控制和自适应观察器控制理论、神经网络、模糊控制和预测控制等现代 控制理论方法相结合的方向发展。目前国外生产的汽车已开始应用飞思卡尔公 司( 原摩托罗拉半导体部) 的3 2 位m c u 。总之，发动机控制系统日趋完善，从 单一功能控制向无所不包的整车集中控制发展，最终将实现多功能的“人一机一 车一道路一环境”综合控制1 3 l 。 国内有关电控汽油喷射的研究工作始于8 0 年代，但大多数是在直接引进国 外己有技术的基础上进行发动机的匹配工作，投入自主研发的较少。最近几年， 2 武汉理工大学硕士学位论文 国内一些企业及合资企业开始投入发动机电控单元的研发、生产工作。目前国内 自主开发能够满足相当于欧排放标准的电控燃油喷射系统，在技术上已经不存 在问题。另外我国集成电路以及软件产业的迅速发展也为我国自主研发发动机电 控单元，打破国外企业的技术垄断，降低整车价格奠定了一定的基础，同时对实 现其它燃料的电控系统以及混合燃料的电控系统发展积累了一定的经验1 4 1 。 1 3e m s 的组成以及新技术 一个完整的发动机管理系统( e m s ) 包括电控单元e c u 以及发动机外围的 传感器和执行器。 e m s 结构和功能如图1 - 1 所示： 图1 - 1 e m s 结构功能示意图 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 电控单元( e c u ) 电控单元包括硬件电路板、控制软件以及标定数据。 硬件电路为控制软件的载体，包含有处理器、存储器、输入信号处理电路、 执行器驱动电路等等1 5 1 。 控制软件部分包含发动机管理系统中各个部分的控制算法，主要由进气模 型部分、点火角控制部分、喷油量控制、怠速控制部分和故障诊断五个部分组 成。其中进气模型部分用于计算进入迸气歧管的进气量，而准确计算的进气量 是整个管理系统的基础。点火角控制、喷油量控制以及怠速控制部分计算出发 动机在各种工况下的点火角、喷油量以及怠速值，决定了发动机动力性、驾驶 性、油耗，是发动机管理系统的核心部分。故障诊断部分主要包含对传感器以 及执行器的信号进行监测，当信号出现异常时，可以检测出故障，使得相应传 感器信号处于跛行回家状态( 1 i m ph o m e ) ，并以故障灯的形式提醒司机 6 1 。 标定数据主要是提供控制软件在运行过程中所进行查询的数据表格。准确 合适的标定数据是发动机管理系统不可或缺的一部分。标定软件如s a m 2 0 0 0 、 i n c a 由e t a s 公司负责开发，可以直接对控制单元中的数据部分进行修改。通 过标定工具可以同时监测系统变量，记录并分析变量的值变化情况，对标定数 据进行修改。 1 3 2 传感器和执行器 传感器提供发动机运行过程中所需要的参数，通常包括下列传感器： ( 1 ) 曲轴位置传感器 ( 2 ) 凸轮轴位置传感器 ( 3 ) 车速传感器 ( 4 ) 进气温度和压力传感器 ( 5 ) 冷却液温度传感器 ( 6 ) 爆震传感器 ( 7 ) 前后氧传感器 ( 趵油压传感器 ( 9 ) 蓄电池电压 执行器用于完成发动机的控制指令，主要包括下列执行器： 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 喷油器 ( 2 ) 点火线圈 ( 3 ) 电子节气门 ( 4 ) 废气再循环 ( 5 ) 继电器 ( 6 ) 氧传感器加热棒 1 3 3 先进控制方法的研究和现代控制理论的应用 ( 1 ) 开环和闭环控制 系统最常见的两种控制模型为开环和闭环控制。 开环控制是单向的，系统的实际输出情况对控制算法没有反馈信息，而在 闭环控制中控制算法可以根据系统输出进行及时的调整。如图1 2 所示。 传感器输入吐二至至至三 - 二至卜输出 传感器输入 图1 - 2 开环和闭环控制 输出 ( 2 ) 动态均值( m o v i n gm e a nv a l u 0 动态均值模型是一种滤波模型，以防止输入信号出现不必要的波动。在发 动机运行过程中，在特殊情况下短时间内某些信号会出现比较大范围的波动， 影响了发动机的正常运行，是控制算法所不希望出现的现象。动态均值模型可 以解决这个问题，公式可表示为： y ( o ) ( o ) y ( n ) = y ( n - 1 ) + 【x ( n ) 一y ( n - 1 ) r c ( 1 - 1 ) 其中x 为输入信号，y 为输出信号，c 为滤波常量 ( 3 ) 自适应控制技术( a d a p t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 武汉理工大学硕士学位论文 自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的 控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较 少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。 具体地说，可以莜据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称 为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越 来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型 综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定 的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏， 系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通 过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工 作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化， 但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应1 7 l 。 常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一 定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者 外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。 所以对那些对象特性或扰动特性交化范围很大，同时又要求经常保持高性能指 标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制 比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只是在用常规反馈达不到所 期望的性能时，才会考虑采用。 ( 4 ) p i d 控制器 p i d 是p r o p o r t i o n a - i n t e g r a l 。d i f f e r e n t i a l 的首字母缩写，即比倒一积分一微 分( 控制器) 。 p 1 d 的控制原理如图1 3 所示。 g c ( s ! ：k 矿k i s + k 毋s 图1 - 3 p i d 控制示意图 6 武汉理工大学硕士学位论文 p i d 原理用公式可以表示为： c c t ) = k p e 0 ) + k i ，e ( t ) d t + k d e ( t ) d t ，1 们 、l 简单地说，p i d 控制器的原理是： p 控制提供反馈控制，形成闭环控制，提高控制抗干扰能力； i 控制可以消除稳态误差，提高稳态精度； d 控制的作用是预测e 的变化趋势，提高系统的动态性能，降低阶跃响 应的超调量。 p i d 控制器由于结构简单，物理意义明确，控制器参数整定简便，因此工 业控制，如化工、冶金、机械、热工、轻工和汽车发动机电控等工业过程控制 系统中得到了广泛的应用。 p i d 控制还可以与逻辑、顺序装置、选择器及一些简单功能块组成复杂的 自动控制系统。许多复杂的高级控制算法与p i d 控制分级地组织在一起，其中 p i d 控制作为最低的基础级，而多变量控制器给基础级的p i d 控制器提供设定 值。 随着p i d 控制理论的不断发展，出现了改进的p i d 控制算法：抗积分饱和 p i d 控制算法和变速积分p i d 控制算法。 p i d 控制原理在e m s 控制算法中应用广泛。怠速目标转速控制、l a m b d a 闭环控制部分都是用了p i d 控制控制器。 ( 5 ) 发动机最新技术 二次空气喷射( s e o t 3 n d a r ya i ri n j e c t i o ns y s t e m ) 二次空气喷射就是指当冷车起动时，由于必须在冷启动下供给较浓的混合 气，在低温下发动机燃烧往往不是很好，大量的c o 排出到大气中为了降低 这时的尾气污染以及暖机阶段的有害物排放，二次空气喷射装置将新鲜空气喷 入发动机的排气管，使废气中可燃烧成分继续燃烧，以减少排放污染物，使之 达到欧排放嘲。 喷入发动机排气管的空气可以跟废气中的有害气体在排气过程中发生氧化 反应，降低发动机尾气中的有害物质，同时未完全燃烧的h c 以及c o 在与新 鲜空气在排气过程中继续燃烧，可以快速对三元催化器进行预热，大大缩短三 元催化器的反应时间。在三元催化器达到工作温度后，应停止二次空气喷射， 7 武汉理工大学硕士学位论文 避免造成三元催化器过热而毁坏。因此，在发动机冷启动后，二次空气喷射装 置工作8 0 1 2 0 s 便停止工作。 可变气门正时 配气机构的功用：按照发动机各缸工作过程的需要，定时地开启和关闭进、排 气门，使得新鲜燃油混合气得以及时进入气缸，废气得以及时排出气缸。 气门正时是指根据发动机的性能要求，设定合适的进排气门开启和关闭时 间，出现一个进排气门的重叠，使得发动机的进气量最大。但是在不同的转速 下，对气门重叠角的要求不同。 发动机可变气门正时技术( v 、亿v a r i a b l ev a l v et i m i n g ) 是近些年来被逐渐应 用于现代轿车上的新技术中的一种，发动机采用可变气门正时技术可以提高进 气充量，使充量系数增加，发动机的扭矩和功率可以得到进一步的提高。 直喷发动机 直喷发动机主要包含均匀燃烧和分层燃烧两种概念。 均匀燃烧：在全负荷时，燃油喷射与进气同步，燃油得到完全雾化，使混合 汽均匀地充满燃烧室，自然会得到充分的燃烧，使发动机动力得到淋漓尽致的 发挥。在均匀燃烧时有着和传统喷射发动机相同的空气与燃油混合比，即空燃 比是1 4 7 ：1 ，此时的l a m b d a 值是1 。 分层燃烧：可燃混合物只分布在火花塞周围，换句话说，空燃比是1 4 7 ：1 的混合气集中在火花塞周围，在燃烧室的其他部分则是纯净的空气。混合汽层 的大小范围精确地反映了瞬时发动机动力的需求。在分层燃烧时，直到压缩行 程时才喷射燃油，油雾直接进入燃烧室中的空气，而喷油就发生在点火前瞬间。 分层燃烧时l a m b d a 值达到4 ，可见发动机在中、低速时燃油是多么节省。另一 个优点是，在燃烧时空气层隔绝了热，减少了热量向汽缸壁的传递，从而减少 了热量损失提升了发动机热效率 2 1 。 奔驰也上市了配有1 8 lc g i 汽油缸内直喷发动机的c 级轿车，即c 2 0 0 c g i 。峰值功率是1 2 5 k w ，扭矩比上一代增加了1 5 ，当发动机转速只有1 5 0 0 r p m 时即可输出扭矩的7 5 ，在3 0 0 0 r p m 时输出最高扭矩2 5 0 n m ，并持续到4 5 0 0 r p m 。 与相同排量c 级车相比节油超过1 9 ，综合油耗是7 8 i 1 0 0 k m 。排放达到欧。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4e m s 市场以及未来发展趋势 1 4 1 目前发动机管理系统( e m s ) 市场现状 发展规模和模式日趋成熟是目前发动机管理系统市场现状。 汽车发动机管理系统技术属于汽车电子领域的关键技术，并占据汽车电子 市场的主要份额。随着环保政策、能源政策限制力度的加大，大力应用电子控 制技术，开发汽车发动机管理系统产品是未来汽车领域的一个必然选择。 国际上，汽车发动机管理系统的发展规模与模式日趋成熟。在国际知名品 牌汽车的背后，是专业化分工的汽车配件厂商，提供全套的汽车配件产品。其 主要特点是： ( 1 ) 行业垄断； ( 2 ) 专业化分工、集成配套、产业链状开发与生产； ( 3 ) 电子控制技术与经验实用性相结合； ( 4 ) 集成开发环境技术确保产品的快速开发、测试、调试、标定。 图1 - 4 汽车发动机管理系统产品链开发、配套机制 如图1 - 4 所示，e m s 供应商背后的系统软硬件及工具开发、传感器执行器 制造、整车试验以及标定开发都已经形成了比较成熟的发展模式，分工越来越 细，越来越专业化，使得产品开发过程更短，产品更成熟。 9 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 国际发动机管理系统产品链开发、配套格局 汽车整车制造 e m s 产品配套 半导体供应商汽车电子技术开发 北美：通用、福特、 a d i 、g r e e nh m 、加、 戴姆勒克莱斯勒 德尔福( d e l p h i ) m o t o r o l a a x i o m 、p h y n i c 欧洲：大众、s p a 、e i a s 、t n 0 、d s p i 她、 博世( b o s c h )蛐 宝马 w i n d r i v e r 日本：本田、丰田、 电装r e n e s a s日立、三菱电机 日产、三菱 国际上e m s 产品垄断现象非常严重，供应商主要为北美的德尔福、欧洲的 博世和日本的电装。如表1 - 1 所示，三大e m s 供应商依托强大的半导体供应商 以及汽车电子控制开发商控制了全球范围内大部分的e m s 产品。 其他参与汽车发动机管理系统部分产品开发与应用的厂商主要有伟世通、 法雷奥、西门子、飞利浦、n e c 、德州仪器、s t ( 意法半导体) 、东芝、日 立、富士通、珀金斯、霍尼韦尔、马瑞利等。 在国内，汽车消费市场的飞速增长与自主开发汽车电子产品的空白形成鲜 明的对比。一汽、二汽、上汽所提供主导国内轿车消费市场的车型，其主要汽 车电子配件产品，包括汽车发动机管理系统基本由外商垄断。国内主要汽车整 车制造商完全丧失了自主开发、生产配套汽车电子产品的权利与能力。 而致力于发展民族品牌的汽车制造商( 包括奇瑞、吉利、哈飞、柳州五菱 等) 在采用国产发动机( 3 7 x 、4 6 2 、4 6 5 、4 9 1 、4 8 5 等型号发动机) 配套发动 机电子控制系统时，由于国内汽车发动机管理技术的空白，也不得不委托国外 企业提供配套产品。其间，在交货期、价格、配件产品配套选择等方面也受到 种种制约。目前国内市场8 0 以上的汽车电子市场份额被国外企业如德尔福、 日本电装、博世、西门子四家占领，剩余的2 0 也主要被玛瑞利、摩托罗拉等所 垄断。近几年，由于竞争机制的引进，国产车在配套汽车发动机管理产品时， 通常选择2 3 家配套商等方式降低价格，虽然压缩了部分以往该配套产品的高 额利润空间，但仍然大大高于其他汽车配件产品的平均利润i 堋。 目前，我国自主开发的汽车电子产品正处于加速发展阶段。汽车发动机管理 系统的开发与应用已逐渐从过去的院校和研究机构的研发向以企业为主导并以 产业化为目标的局面发展。随着奇瑞、吉利等民营汽车制造企业的崛起、国家 武汉理工大学硕士学位论文 的政策支持和国内汽车市场的发展潜力将给汽车发动机管理系统开发商带来难 得的机遇。目前国内也已经出现部分企业在整车厂以及国家优惠政策的支持下， 开始了发动机管理系统的开发和研究。 尽管市场巨大，但生产汽车发动机电子产品也充满了挑战。发动机电子产品 对于汽车电子产业来说是技术门槛最高的一块，也是当前利润率最好的产业， 其在汽车电子产业中的产值和规模也最大。所以，未来几年，来自国际知名品 牌垄断企业的打压以及国内大批厂商的涌进将是自主开发汽车发动机电子产品 的一大格局。 1 4 2e m s 未来发展：趋势与策略并重 中国汽车市场的潜在需求依然很大，而汽车发动机电子产品的生产主要集 中在少数外资企业，利润率很高，这就给更多高技术汽车发动机电子企业的进 入留下了市场空间。如图1 - 5 与图1 - 6 所示，近年内全球汽车电子产业产值和 国内汽车电子产品市场规模持续增长，巨大的市场和利润必将吸引越来越多的 企业加入到发动机管理系统相关产品的开发和生产过程中来。 图1 - 5 全球汽车电子产业产值走势 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 6 国内发动机电子产品市场规模 汽车市场发展的焦点是围绕安全、节能、环保、舒适、方便的主题为消费 者提供高质量、安全可靠、多功能、低价位的创新产品。开发商面临的挑战是 快速研发这类产品，并在最短的时间内将新产品推向市场。汽车电子技术的发 展对提高整车性能起到了关键性的作用。随着汽车电子化发展的深入，3 2 位微 控制器将逐渐取代8 位、1 6 位微控制器而成为主流应用产品。未来应重视以下 问题： ( 1 ) 发动机管理系统电控单元e c i j 在软件方面：标准的! 0 驱动模块、实时多任务操作系统、高级语言控制 编程、基于模型的算法设计、自动代码生成、虚拟仿真测试。 在硬件方面：提供完整的与软件系统一体化的硬件开发平台。灵活多功能 的快速原型、在线调试h i l ( h a r d w a r e i n - t h e l o o p ) s i m u l a t i o n 、b y p a s s 等方法的 使用。 在软硬件一体化方面：采用快速原型开发平台，按照下面的步骤开发应用 产品：基于模型设计建立控制模型；模拟系统动态测试验证控制算法；模型实 时检验；系统联机测试、检验、调试、修改；自动生成源代码、在线调试标定。 在产品标准化方面：汽车电子正处于全面发展时期，相关技术的标准也处 于建立、完善的阶段。有关通信、网络规范c a n 、f l e x r a y 、l i n ，以及实时操 作系统规范o s e k 等技术日趋成熟并得到广泛的应用【1 2 1 。 ( 2 ) 传感器和执行器 武汉理工大学硕士学位论文 传感器与执行器技术向着微型化、集成化、多功能化、智能化的方向发展。 目前国内除了氧传感器、喷油器等关键部件技术质量有待提高外，其他部件均 能提供。但批量产品在稳定性、一致性、耐久性以及可靠性方面有待提高。 ( 3 ) 开发与试验设施及工具 应注重开发与使用包括先进的发动机试验台架、集成开发工具和产品测试 试验设施等系统，构造完整的开发环境，加快产品开发速度。 汽车发动机管理系统综合了机械、电子和计算机控制的集成技术的开发与应 用。任何某一环节的缺陷都将导致整个系统的瘫痪。由于汽车是在高速移动、 振动状态下运行，所有传感器、执行器、元器件以及外壳、接插件、线束等都 要求具备良好的抗振、耐高温、抗电磁干扰以及防渗等功能。由于国际半导体 产品市场相对开放的格局以及国内近几年不断加大力度发展半导体产业，开发 汽车发动机管理系统硬件平台比软件平台相对容易解决。目前，国内急需解决 的关键技术是有关汽车发动机管理系统控制软件，在开发过程中应重视集成开 发环境技术的应用，以确保能够真正从底层开发并掌握汽车发动机管理系统核 心技术，从而做到为不同发动机批量配套旧。 发展我国具有自主知识产权的汽车电子工业，对确保汽车工业作为我国国民 经济支柱型产业的地位，摆脱过于依赖进口的状况具有重大战略意义。汽车发 动机管理系统是汽车电子产品的核心关键技术产品。根据我国半导体工业发展 相对滞后的状况，利用国际半导体芯片产品市场充分开放的有利条件，加大嵌 入式软硬件平台产品、集成开发环境和应用系统的开发，符合我国目前汽车电 子产业的发展策略。目前，实施汽车发动机管理系统产业化的市场需求、技术 手段、政策支持等条件已经成熟。我们应该抓住机遇，加大力度开发汽车电子 的核心技术，赶超国际水平，为发展我国自主的汽车工业做出积极贡献。 1 5 论文研究背景和内容 由于我国发动机电控技术研究起步较晚，自主研发能力仍比较落后，控制 单元e c u 多依靠国外原装进口。实现发动机电子控制技术的国产化，缩短与世 界先进水平间的差距，是目前我国汽车发动机行业面临的重要任务。 本文以汽油机发动机管理系统为研究方向，设计硬件电路、控制算法，基 于市场上现有的传感器和执行器，开发一套可以满足我们性能要求的发动机电 控系统。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章e m s 软件以及硬件的总体设计 2 1 系统配置 不同等级的车辆对整车的油耗、驾驶性能和排放指标要求不同，因此相对 应的发动机管理系统的控制软件和硬件也不相同。较高端的车辆为了达到高端 的性能，使用了大量的传感器和执行器，使得控制软件增加了很多模块，控制 策略更加精细和复杂。同时发动机的点火方式、气缸数目、燃油喷射方式也决 定了系统软件和硬件的设计思想。 本论文所设计的发动机管理系统针对一个低端微型面包车，发动机为四缸 汽油机，配置有曲轴位置传感器( c r k ) ，凸轮轴位置传感器( c a m ) ，前后氧 传感器，冷却液温度传感器( 1 o ) ，进气温度和压力传感器( n 山心) ，车速 传感器( v s ) 和爆震传感器( 1 。q k ) ，可以控制喷油器( ) ，点火线圈( i g c ) ， 节气门( t p s ) ，主继电器( r l ym a i n ) 。风扇继电器( r i _ yf a n ) ，油泵继电 器( r l y ，故障指示灯，废气再循环 等。_fp)(mil)(egr) 2 2 硬件电路板的分析以及方案设计 硬件电路是发动机管理系统的基础，强大稳定的硬件才能保证软件的有效 运行。硬件电路的可靠性直接影响到发动机管理系统的性能指标。针对发动机 管理系统的运行特点和环境，系统对硬件电路的要求为： ( 1 ) 高速的中央处理器； ( 2 ) 强大的定时系统； ( 3 ) 高精度的a d 转换； ( 4 ) 耐环境能力； ( 5 ) 内部集成大容量存储器： ( 6 ) 提供丰富的通信接口； ( 7 ) 保证制造出高品质的产品。 硬件电路主要包括以下几个部分： ( 1 ) 中央处理器以及扩展的存储器 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 其中处理器为最主要的部分，提供系统所需要的r a m 、r o m 、a d 转换通 道、系统定时器、强大的电源管理以及丰富的i o 口、可以满足传感器信号的获 取、系统运行以及输出系统控制信号。 但) 用于处理爆震信号的爆震控制电路 爆震控制电路主要对爆震传感器的信号进行处理，提供控制软件进行爆震 现象确认所需要的信号。 ( 3 ) 通信协议的控制 e m s 软件部分主要包括两种协议：c a n 协议以及k w p 2 0 0 0 协议。 c a n 协议是发动机软件中最重要的协议，用于控制单元与外部软件的通 信。外部软件如标定软件可以读取软件中变量、数据，并对数据进行实时调整。 k w p 2 0 0 0 协议主要用于支持k 线，支持市面上常用的诊断工具。诊断工 具可以与控制单元进行通信，读取故障诊断码以及修改存储器内容。 ( 4 ) 发动机管理系统输出控制 该部分电路根据e c u 的输出信号，对e m s 的执行器进行驱动，发动机的 指令能够顺利完成。 2 3 控制软件的分析以及方案设计 由于发动机管理系统应用环境比较复杂和恶劣，并且发动机管理系统的运 行状态严重决定了驾驶车辆的安全情况，因此发动机管理系统对控制软件的实 时性和可靠性要求比较高。 2 3 1 发动机管理系统软件实时性要求 发动机管理系统控制程序的实时性要求集中突出表现在发动机曲轴位置及 转速检测，喷油和点火正时控制等方面。在发动机正常运行的所有转速范围内， 系统都必须确切地知道曲轴当前的转角位置，并以此为依据设定喷油和对初级 线圈闭合控制地发生时刻和结束时刻。 ( 1 ) 前台程序：具有严格实时性要求，通过中断服务程序形式来组织。 功能：检测事件的发生以及输出控制执行器。 举例：监测曲轴信号，按照正时要求喷油与点火输出。 ( 2 ) 后台程序：循环加分支的结构形式，将各种执行周期不同的任务安排 武汉理工大学硕士学位论文 在不同分支上执行。 功能：满足不同执行周期的要求。 举例：根据不同变量的刷新频率不同安排不同任务队列。 2 3 2 发动机管理系统软件可靠性要求 系统一旦起动就必须连续不停地工作。程序必须具有及时处理各种随机事 件的能力，任何时刻系统既不能丢失数据、信息，降低实时性，而且还要按照 各种随机时间地轻重缓急合理安排处理顺序。发动机的一切性能都是在保证了 控制程序的可靠性的基础上实现的。 2 3 3 发动机管理系统控制软件模块的划分以及各个模块的功能和组成 控制软件主要包括传感器信号处理、控制算法、执行器控制以及诊断控制 四个部分。 ( 1 ) 传感器信号处理部分 对来自传感器的信号进行处理和计算，得到满足系统精度要求的信号。其 中最核心部分为进气模型部分，即根据进气压力和进气温度信号计算出发动机 在不同转速下的进气量m a f 值，精确的m a f 值计算是系统精确控制的基础。 ( 2 ) 控制算法部分 首先根据发动机的转速和电子节气门的开度，把发动机的运行状态分为： 停止、起动、怠速、以及部分负荷四种状态。发动机在不同的运行状态下，控 制策略不一样，所以要针对这四种运行状态单独设计控制策略。其中包括对点 火角的控制，对喷油量的控制。其中对点火角控制部分主要介绍对抖动的控制 以及爆震的控制。喷油部分要重点介绍基本喷油量的计算、油膜修正和氧传感 器闭环控制。 ( 3 ) 执行器控制 控制软件根据控制算法以及执行器的类型，准确及时地输出执行器的控制 信号，使得执行器能够准确稳定运行 ( 4 ) 诊断控制以及跛行回家状态 介绍对传感器和执行器的信号进行监测，故障判断，故障确认，故障存储， 跛行回家等一系列过程。故障的判断过程将通过一个计数器完成。 1