电控柴油机ECU软件设计及应用.pdf

收稿日期 2006207231 修回日期 2007201219 作者简介 吴长水 1978 男 福建省莆田市人 在读博士 主要从事柴油机电控系统的研究 E2mail wuchangshui sjtu 电子控制 电控柴油机ECU软件设计及应用 吴长水 于世涛 杨时威 杨 林 卓 斌 上海交通大学汽车电子技术研究所 上海 200030 摘要 在发动机电控单元 ECU 的 V 开发模式下 完成了电控单体泵柴油机ECU的控制策略算法功能设计 和硬件在环仿真 设计了发动机的起动 怠速 智能功率 减速断油和跛行回家等柴油机运行控制策略 对开发的 控制策略算法进行了离线仿真 并实现了控制策略程序的自动产品代码生成 在自主开发的ECU硬件在环仿真 平台上验证了控制算法的正确性 所设计的ECU软件在电控单体泵柴油机上得到了成功应用 关键词 电控柴油机 ECU 控制策略 硬件在环 仿真 标定 中图分类号 TK422 文献标志码 B 文章编号 100122222 2007 0120048204 车辆的动力性 舒适性和排放等性能依赖于发 动机电控单元 ECU 关键脉谱的匹配标定和软件 控制策略 的设计 发动机控制策略是否合理 有 效取决于策略的功能设计和算法设计两个方面 功 能设计必须充分考虑发动机的自身特点 应用环境 以及运行条件 算法设计关系到所设计功能的控制 精度和实时性 必须综合考虑ECU硬件的计算成 本和控制功能的实时性要求 面对电控系统功能不 断增强而开发周期却不断缩短的要求 采用传统的 ECU开发流程已经难以完成现代控制系统的设计 当今国内外先进的ECU开发流程采用 V 模式 即 控制策略算法功能设计和离线仿真 快速控制原型 产品代码生成 硬件在环仿真 标定和实车测试 1 本研究对电控单体泵柴油机ECU控制策略的 关键功能和算法进行了设计 采用 V 模式开发完 成了3个节点的设计工作 包括控制策略算法功能 设计 产品代码生成和硬件在环仿真 并在实机上得 到了成功应用 1 单体泵柴油机控制功能设计 1 1 起动控制 起动过程是否迅速是柴油机的一个重要性能指 标 直接影响柴油机的工作可靠性和使用寿命 优 化电控柴油机的起动性能 首先就是要尽可能全面 地考虑影响起动过程的各种因素 达到智能化和合 理化的控制效果 实际运用的起动控制策略设计为开环控制 以 发动机的冷却水温表示环境状态和机器本身的状 态 以发动机的转速信号表征起动控制的进程 在判 缸成功并且柴油机转速超过设定的最低转速 一般 为50 r min 后 ECU根据转速和冷却水温按照起 动油量脉谱输出喷油量 当转速超过起动成功标志 转速时 起动工况结束 起动油量保持为当前值 然 后向其他工况过渡 起动成功标志转速是冷却水温 的函数 由冷却水温查相应的脉谱获得 若在标定 时间内转速未能超过起动成功标志转速 则ECU 强行切断喷油 以保护发动机 在算法设计中 发动机起动转速稳定的标志为 监控发动机若干循环的转速 若其值总大于预先设 定的起动稳定转速 则说明发动机起动转速稳定 而 且预设值可以通过在线标定系统更改 起动工况属于瞬态工况 而起动油量脉谱在标 定后即不再更改 难以满足发动机在不同使用环境 下的要求 因此 在起动控制策略中还设计了油量 补偿策略 补偿油量 Q 由发动机转速上升速率 neng 1 决定 并且 Q neng 1 这样补偿的好 处是 如果发动机起动顺利 能在较短时间内着火运 行 则 Q小 不会造成排放恶化 柴油机低温起动时困难 排放性差 因此 在冷 起动方面采用进气预热和后热策略 预热和后热的 持续时间均为发动机冷却水温的函数 并且相互独 立 发动机的预热和后热有3种模式 a 正常情况下 当ECU通电后 发动机在未进 入拖转状态之前 停机状态 空气加热器及其指示 第1期 总第167期 2007年2月 车 用 发 动 机 VEHICL E ENGINE No 1 Serial No 167 Feb 2007 灯将处于工作状态 加热时间通过预热脉谱得到 当 发动机处于拖转状态 关闭空气加热器及其指示灯 退出拖转状态后 ECU打开空气加热器执行后热功 能 持续时间通过后热脉谱查得 b 预热后驾驶员没有起动发动机 这时预热指 示灯将以指定频率闪烁以提醒驾驶员 直至驾驶员 断开点火开关或起动发动机 c 发动机起动失败时 预热灯将以指定频率闪 烁提醒 一定时间后停止预热 1 2 怠速控制 怠速运行是车用柴油机最重要的运行工况之 一 在城市道路工况下车辆燃油消耗有相当大的比 例归因于怠速工况 故对这一工况的控制显得越来 越重要 怠速控制策略实现了目标怠速转速的计 算 怠速PI控制和缸平衡功能以及怠速停机功能 目标怠速的基本量是冷却水温的函数 随着水 温的升高而降低 通过标定获得 在此基础上还考 虑了车辆和柴油机怠速时的工作状态 主要有空调 是否开启 蓄电池是否处于充放电状态以及怠速时 间是否超时等 怠速闭环控制采用数字PI控制器来实现 电控 单体泵发动机的怠速油量具体控制算法为 Q Q0 Kp ei T Ti n i ni 1 式中 Q为最终的怠速油量 Q0为初始怠速油量 Kp为比例系数 Ti为积分时间 T为采样周期 ei为 目标怠速与当前怠速之差 ni和ni 1为发动机转速 Q0为可标定量 是冷却水温的函数 这样设计算法 的好处是使得柴油机从其他工况向怠速 如起动到 怠速 过渡时 由于有初始油量的作用 使得过渡比 较平稳 另外积分系数一般较小 可避免可能出现的 比例和积分饱和现象 改善动态过程 怠速控制功 能模块中设计的标定量比较少 算法设计简单实用 考虑到柴油机进排气的波动性和燃烧过程的随 机性 怠速时不可避免会有随机的转速波动 这种波 动并不是怠速控制可以完全克服的 因此 在设计 怠速控制功能时 为了保持转速的相对稳定性 特设 立一个转速变化阈值 如5 r min 15 r min 仅当 转速大于这一阈值时 PI控制才作出反应 怠速时供油量较小 柴油机工作稳定性差 各气 缸供油量的微小变化就会导致各气缸工作状态发生 较大地变化 为此设计了缸平衡功能 以在实际时间 基准上补偿各缸间喷油量的偏差以及喷油系统中随 时间变化的喷油量偏差 如制造公差和零件老化因 素使得柴油机各缸做功不平衡产生的扭矩差异等 缸平衡控制算法是测量各缸在一个工作循环内的最 大最小差值与6缸转速平均值的偏差 2 偏差为正 则减少相应气缸的喷油量 反之则增加 以此来对各 缸喷油量偏差进行快速补偿和校正 从而控制由于 制造和使用时间等因素引起的柴油机转速波动 使 柴油机和车辆平稳运行 怠速停机控制模块主要功能是避免长时间的怠 速运行 当怠速运行达到一定时间 一般为30 min 左右 根据整车使用条件事先设定 后 ECU发出闪 灯指令提醒司机 若司机没有任何指令 ECU将切 断燃油喷射 以达到省油的目的 1 3 减速断油控制 减速断油控制策略为车辆行驶过程中 若柴油 机高速运转时突然关闭油门 则完全停止燃油喷射 使车辆可依惯性滑行 待柴油机转速下降到某一个 预设值时 ECU才退出减速断油 恢复供油 采用 减速断油控制策略目的是降低燃油消耗 改善转速 下降时不稳定燃烧造成的排放污染 还可以增加发 动机的制动作用 减速断油后柴油机转速下降到怠速转速附近 时 ECU将恢复喷油以维持柴油机的运转 防止其 失速 并平稳过渡到目标怠速 燃油复供的转速一 般稍高于怠速转速 是冷却水温和柴油机负荷 电动 机和空调等 的函数 见图 1 在减速断油期间 一 旦踏下油门踏板 ECU立即恢复喷油 图1 减速断油进入和退出工况点 1 4 智能功率控制 与常规机械式柴油机一样 电控单体泵柴油机 也是通过油门对发动机进行控制 不同的只是电控 系统采用的是电子油门踏板 电子油门通过控制线 束将驾驶员的驾驶意图 即功率和车速需求转化为 油门开度反馈给ECU 然后由油量控制模块根据油 门开度和当前柴油机转速计算出需求的油量 从而 实现功率和车速的调节 为了防止不必要的发动机 变速挡位的切换 在ECU软件设计中加入了智能 功率控制功能 用于短时间内对增加发动机扭矩的 94 2007年2月 吴长水 等 电控柴油机ECU软件设计及应用 限制 为配合实现智能功率控制功能 首先在电控单 体泵柴油机电子油门踏板机械结构上作了改进 在 电子油门踏板上设计了3个复位弹簧 两个复位弹 簧用于正常情况下的油量控制 怠速和正常的踏板 油量控制 第3个弹簧用于智能功率控制 当油门 100 刚接触第3个弹簧 时 发动机已发出标定功 率 如果此时再加力踩下油门 ECU会在一个指定 的时间段内 标定值 增加发动机的燃油喷射量 使 发动机发出比标定功率大的动力 保证短期超载的 需要 智能动力控制的作用效果和作用时间由整车 标定确定 一般只限于短期作用 维持时间一般为 2 min 5 min 由事先设定的值决定 超过预设时 间后 尽管全程踩下踏板 发动机也只维持在标定功 率运行 1 5 跛行回家控制 跛行回家控制策略目的是在各种传感器输入信 号 如油门踏板信号 冷却水温信号 故障或异常的 情况下 采用跛行回家控制策略替代正常的驾驶员 油门指令 使发动机降功率继续运行 从而可以将车 辆开到维修站修理 这是保证车辆不至半路抛锚的 一种失效保护措施 跛行回家控制策略的执行基于对所有传感器信 号的最大值 最小值 判断是否超出传感器的正常范 围 和合理值的判断 如对于冷却水温传感器 在发 动机运行时间已超过一定时间段后 对发动机冷却 水温和某个标定值进行对比 如果此时的冷却水温 没有超过最低的冷却水温下限值 则认为此时的冷 却水温传感器处于 信号不合理状态 对于电子油 门信号 使用加速踏板电位计和有效开关状态 运用 统计分析的方法来综合判断加速踏板传感器信号是 否超出有效范围 3 即使未超出有效范围 若此时怠 速开关置于怠速位置 而加速踏板信号未表明发动 机处于怠速状态 则表明加速踏板传感器出现故障 此时将采用跛行回家策略控制柴油机运行 2 自动代码生成与仿真 在开发电控单体泵ECU软件的过程中 利用 Matlab simulink在数学上的强大计算 仿真功能和 良好的图形交互界面作为控制策略图形化编程实现 的开发平台 4 对上述控制策略进行了图形化编程 和离线仿真 这使得复杂的发动机控制功能能够被 清晰描述和仿真 同时利用dSPACE公司的代码 自动生成软件TargetLink对所编写的程序进行自 动产品代码生成 5 免去了控制策略大量复杂的手 工C语言编写 使得在ECU中控制策略代码的实 现和升级变得更加轻松 从而有效地加快了电控柴 油机的产品开发 在完成控制策略的功能设计和自 动代码生成以后 利用自主开发的ECU硬件在环 柴油机控制仿真平台 进行策略的逻辑测试 627 硬件在环 HID 平台的主要功能是进行产品 ECU的策略逻辑及可靠性测试 验证控制算法 利 用ECU硬件在环柴油机控制仿真可以很方便地完 成控制策略的逻辑和算法验证 为了验证模型仿真 和自动生成代码仿真的一致性及算法的可靠性 根 据目标怠速转速控制算法的Matlab simulink仿真 模型生成了产品级的标准C代码 8 模型离线仿真 结果和基于模型生成的自动代码硬件在环仿真结果 见图2 图2 目标怠速模型仿真与代码仿真 图2模拟了柴油机在空调从关闭到开启 再到 关闭时的目标怠速转速的计算结果 从图中可以看 出代码仿真与模型仿真的结果相对偏差为0 怠速 闭环控制模块的代码仿真与模型仿真的最大相对偏 差也只有0 01 8 这说明生成的自动代码精度完 全可以满足实际控制精度的要求 仿真运行结果证 明了控制策略的功能和算法设计合理 生成的代码 质量可靠 3 发动机实机应用 所开发设计的ECU软件在功能算法上是否合 理 自动生成的代码在使用上是否可靠 必须在柴油 机实机应用上加以验证 在一台YC6108电控单体 泵柴油机上进行了试验 其标定功率为177 kW 2 300 r min 最大扭矩800 N m 1 600 r min 排量为7 3 L 图3所示为所开发的ECU软件实机应用的部 分运行工况结果 试验表明 智能功率 减速断油和 平稳怠速等功能均能顺利实现 发动机起动比较迅 速 起动时间小于1 s 怠速闭环控制效果良好 柴油 05 车 用 发 动 机 2007年第1期 机转速范围内600 r min 950 r min均比较平稳 实际转速与目标怠速的偏差在 5 r min 突加速和 突减速时发动机响应正常 油量控制正常 不同工况 之间的过渡切换平稳 图3 ECU软件实机控制结果 4 结束语 在发动机ECU的 V 开发模式下 进行了电控 单体泵柴油机ECU控制策略算法功能设计和离线 仿真 产品代码生成以及硬件在环仿真 硬件在环 仿真运行和柴油机实机运行结果均证明ECU控制 策略的功能和算法设计合理 控制策略能反映实际 柴油机的运行工况特征 生成的代码质量可靠 实 现了电控单体泵柴油机ECU软件设计和测试的自 主开发 参考文献 1 刘波澜 张付军 黄 英 等 单体泵柴油机电控系统开 发及试验研究 J 内燃机学报 2004 5 4502455 2 冒晓建 GD 1高压共轨喷油系统电子控制的研究与 电控供油泵的开发 D 上海 上海交通大学 2002 3 周兴利 于世涛 敖国强 等 电子油门故障自诊断策略 及标定方法研究 J 车用发动机 2006 2 29233 4 Simulink user s manual M s l The MathWorks Inc 2004 5 TargetLink 2 0 production code generation guide M Germany dSPACE GmbH 2004 6 谭文春 电控柴油机高压共轨系统32位控制器的研究 D 上海 上海交通大学 2005 7 唐航波 高压共轨柴油机ECU硬件在环仿真系统研究 D 上海 上海交通大学 2005 8 于世涛 吴长水 杨 林 等 基于模型的电控单体泵怠 速控制策略的开发 J 内燃机学报 2006 3 1622 167 Software Design of Electronically Control Unit Pump Diesel Engine ECU WU Chang2shui YU Shi2tao YANG Shi2wei YANG Lin ZHUO Bin Institute of Automotive Electronic Technology Shanghai Jiaotong University Shanghai 200030 China Abstract Under the V developing pattern for engine electronically2controlled2unit ECU control strategy s function and algorithm design and off2line simulation for electronically controlled unit pump diesel engine are successfully fulfilled Control strategy for engine running control such as starting idling smart power output decrease fuel cut off limp home and over2 speed protection are designed Production code generation and off2line simulation are successfully realized Base on the self2de2 velopment