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1、汽车电控单元实例分析汽车电控单元实例分析 低配置、手动变速器的轿车，一般只有一个发动机电控单元，适用于单点电喷的发动机。玛瑞利电子公司是意大利菲亚特汽车集团成员之一，专门研发和生产汽车电子设备，其生产的玛瑞利单点电脑是一种典型的集中喷射电脑，该电脑成本低廉、简单实用，目前在国产微型汽车和低档轿车中采用，如沈阳金杯海狮客车、金杯中华轿车、安徽奇瑞轿车、天津夏利轿车等。下面以玛瑞利单点电脑为例，介绍单片机在汽车电子控制技术中的应用。一、玛瑞利单点电脑的组成一、玛瑞利单点电脑的组成 玛瑞利单点电喷发动机ECU实物如图2-6所示，电脑板为单板式，图的下边是接线端座，各电子集成芯片如图所示。其中MC68
2、HC11F1芯片是摩托罗拉（MOTOROLA）公司生产的8位单片机，这是玛瑞利单点电脑的核心芯片。图2-6 玛瑞利单点电喷发动机ECU实物图 图2-7 玛瑞利单点电喷发动机ECU外部接线图 上图单点玛瑞利单点ECU逻辑电路的原理框图，它主要由以下部件组成：1.单片机 玛瑞利单点电脑以MC68HC11F1单片机为控制核心：MC68HC11F1单片机为摩托罗拉公司生产的8位高性能汽车专用单片机。MC68HC11F1的主要特征有：两种省电模式：停止和等待 3.05.5V电压均可正常工作 1024B的片内RAM，RAM数据在待机时保留。512B的片内EEPROM，带区域数据保护功能 8通道，8位A/D
3、转换器。增强的16位定时器系统。8位脉冲累加器。实时中断电路。CPU看门狗系统(COP)。可达5MHz的总线时钟。异步非归零码（NRZ），异步串行通信接口SCI。同步外围设备接口SPI。38个通用输入/输出引脚（I/O）。两种封装形式：68引脚PLCC及80引脚TQFP封装图2-8 玛瑞利单点ECU逻辑电路的原理框图2.输入信号缓冲驱动器74HC24474HC244芯片内部共有两组共8路三态缓冲驱动器，引脚如图2-9所示。1A01A3，2A02A3 8个输入端1Y01Y3，2Y02Y3 8个输出端1，2 2个使能端当使能端1和2都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当使能端1和2都为高电平
4、时，输出呈高阻态。74HC244作为空调、油泵、EVAP电磁阀、怠速电动机等设备的状态信息输入开关，输出端直接与数据总线相连。3.输出信号驱动器74HC27374HC273是带复位端、上升沿有效的8路D触发器，4HC273作为主继电器、怠速步进电动机、故障指示灯、空调继电器等驱动信号的输出开关。引脚如图2-10所示。D0D7 8个输入端Q0Q7 8个输出端CP 时钟脉冲输入端 复位清零端4.程序存储器M27C512M27C512是64KB的8位只读程序存储器，用来存储电脑的主程序及各种数据表格，引脚如图2-11所示。A0A15 16位地址线Q0Q7，8位数据线 E 即是片选信号线，又是程序写入
5、控制端 GVPP 读允许信号端图2-9 74HC214引脚图 图2-10 74HC273引脚图 图2-11 27C512引脚图 二、玛瑞利单点电脑的工作原理二、玛瑞利单点电脑的工作原理 1.程序启动和运行 玛瑞利单点电脑的逻辑电路如图2-8所示，由电源稳压芯片L9170提供工作电源和传感器的参考电压，并且从8号脚输出低电位的复位信号送至单片机的复位端（17脚），同时送到74HC273的清零端使其输出清零。单片机进入启动和初始化运行，对内部硬件进行复位，设置相应寄存器，引导加载程序（Boot Loader），进行程序加载，将M27C512程序存储器中的主程序读入单片机内部RAM，并通过跳转指令进
6、入程序运行状态。图2-8 玛瑞利单点ECU逻辑电路的原理框图 主程序首先从端口C输出逻辑“1”（高电平）信号到数据总线（D2）上，该信号经74HC273锁存后（6号引脚）输出高电位控制信号，使驱动器中的大功率三极管导通接地（图中未画出），使主继电器通电闭合（即使图2-7中ECU的23引脚接地），将12V电源加到点火线圈、喷油器、燃油泵等外部设备。端口C输出的控制信号，经数据总线输出到74HC273锁存，经驱动器放大，还控制怠速步进电机、空调继电器、故障灯等进入工作状态。端口E读入外部各传感器的输入信号，通过这些信号判断发动机当前运行的工况，根据以上信息调取程序存储器M27C512中的数据表，从
7、端口A、G输出控制信号，经驱动器放大，输出到点火线圈与喷油器线圈。汽车有关设备的运行信息，如油泵、燃油蒸汽排放电磁阀（EVAP）和空调等运行信息，经74HC244驱动，通过数据总线读入单片机，单片机根据这些信息对控制信号进行进一步优化和调整。逻辑电路和传感器及执行器构成了闭环控制系统，通过反馈信号不断优化控制系统，使发动机处于最佳状态。2.点火控制电路 点火控制电路由曲轴转速传感器、单片机和点火电路组成。（1）曲轴转速传感器 汽车的磁感应式曲轴位置传感器也称曲轴转速传感器，安装在曲轴箱内靠近离合器一侧的缸体上，主要由信号发生器和信号转子组成，如图2-12所示。图2-12 曲轴位置传感器结构图1
8、-缸体 2-大齿缺 3-传感器磁头 4-信号转子 曲轴位置传感器的信号发生器用螺丝固定在发动机缸体上，由永久磁铁、传感线圈和线束插头组成。传感线圈又称为信号线圈，永久磁铁上带有一个磁头，磁头正对安装在曲轴上的齿盘式信号转子，磁头与磁轭（导磁板）连接而构成导磁回路。信号转子又称信号盘，为齿盘式，在其圆周上均匀间隔地制作有58个凸齿、57个小齿缺和一个大齿缺。大齿缺输出基准信号，对应发动机气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。大齿缺所占的弧度相当于两个凸齿和三个小齿缺所占的弧度。因为信号转子随曲轴一同旋转，曲轴旋转一圈(3600)，信号转子也旋转一圈(3600)，所以信号转子圆周上的凸齿和齿缺所占的
9、曲轴转角为3600，每个凸齿和小齿缺所占的曲轴转角均为30(583057303450)，大齿缺所占的曲轴转角为150(230330150)。曲轴位置传感器工作情况：当曲轴位置传感器随曲轴旋转时，由磁感应式传感器工作原理可知，传感线圈就会产生一个周期性交变电压信号。因为信号转子上设有一个产生基准信号的大齿缺，所以当大齿缺转过磁头时，信号电压所占的时间较长，即输出信号为一宽脉冲信号，该信号对应于气缸1或气缸4压缩上止点前一定角度。ECU接收到宽脉冲信号时，便可知道气缸l或气缸4上止点位置即将到来，由于信号转子上有58个凸齿，因此信号转子每转一圈（发动机曲轴转一圈），传感线圈就会产生58个交变电压信
10、号输入ECU。每当信号转子随发动机曲轴转动一圈，传感线圈就会向ECU)输入58个脉冲信号。如果在1分钟内ECU接收到曲轴位置传感器116000个信号，ECU便可计算出曲轴转速n为2000 r/min(n=116000/58=2000)。依此类推，ECU根据每分钟接收曲轴位置传感器脉冲信号的数量，便能计算出发动机曲轴旋转的转速。发动机转速信号和负荷信号是ECU最重要、最基本的传感信号，ECU根据这两个信号就可以计算出基本喷油提前角（时间）、基本点火提前角（时间）和点火导通角三个基本控制参数。曲轴位置传感器信号转子上大齿缺产生的信号为基准信号，ECU控制喷油时间和点火时间是以大齿缺产生的信号为基准
11、进行控制的。当ECU接收到大齿缺产生的信号后，再根据小齿缺信号来控制点火时间、喷油时间和点火线圈一次电流接通时间。（2）点火控制电路分析 玛瑞利单点电脑的点火控制电路是典型的直接点火系统，电路如图2-13所示，点火系统是由CPU的端口A来控制的。系统复位后主程序将端口A 配置成定时器输出口。图2-13 点火电路原理图 曲轴转速信号如图2-14（a）所示，输入至ECU的11引脚（PIN11）和28引脚（PIN28），经电阻103送至发动机转速监测芯片L9101的第6、7脚。曲轴转速信号经L9101波整形后由第10脚输出如图2-14（b）所示的5V矩形脉冲信号，每个周期由58个窄脉冲和1个宽脉冲组
12、成，该信号送到反向器74HC14D的第11脚，取反后变为如图2-14（C）所示波形，该波形送到单片机42脚(定时器的输入端口)。单片机根据收到的转速脉冲信号对点火时间做出判断：当收到宽脉冲（对应两个缺齿）后开始计数，当20个连续窄脉冲（对应连续齿）出现后判断为l缸或4缸的上止点；而当50个窄脉冲出现后判断为2缸或3缸上止点，由此可计算出l、4缸和2、3缸的基本点火提前角，然后根据发动机冷却液温度传感器、进气温度传感器、节气门位置传感器等输入信号，通过存储器中的点火提前角修正表对基本点火提前角进行修正以获得精确的点火时间。点火电路分为两路，一路由单片机的38脚输出，给1、4缸点火；另一路由36脚
13、输出（图2-13中没有画出），给2、3缸的点火。单片机的点火脉冲波形如图2-15所示。如图2-13所示，单片机的点火脉冲从38脚输出，经三极管VT1和VT2两级放大，驱动大功率三极管VT3。当驱动VT3的脉冲为高电平时，VT3导通，电路经电阻Re（阻值很小）接地，点火初级线圈通电充磁；当脉冲为变为低电平时，VT3截止，点火初级线圈磁场磁通量立即减小至零，磁通量的变化率特别大，在次级线圈感应出很高的电压。次级线圈的点火回路是将1缸和4缸的火花塞串联在一起，高电压同时击穿两个火花塞间隙。由于1缸和4缸、2缸和3缸分别是两组气缸。每组气缸是互补的，一个缸是压缩上止点，另一个就是排气上止点，两组气缸相
14、差1800。例如，以4缸排气上止点为曲轴转动角的00，1缸是压缩上止点，此时点火（不考虑点火提前角），1缸火花塞打火点燃混合气做功，称为“真火”，4缸在排气上止点，火花塞也打火，但对剩余废气不起作用，称为“空火”。曲轴转动至3600，经过了两个行程，1缸转到排气上止点，4缸转到压缩上止点，此时点火，1缸为“空火”，4缸为“真火”。曲轴转动至7200，下一个周期开始。也就是说曲轴每转2圈，4个行程，点火2次，1缸和4缸轮流做功一次，“空火”和“真火”各一次。由于两组气缸相差1800，两组点火线圈，所以曲轴每转2圈，4个行程，1缸、3缸、4缸、2缸轮流做功一次，“空火”和“真火”各一次。图2-15
15、 点火脉冲波形 （3）点火监测电路 大功率三极管VT3发射极下面的接地电阻Re起监测取样作用，Re的阻值很小。当单片机发出点火脉冲，VT3导通，有电流通过Re时，在Re上产生一个很小的电压降，这个电压称为监测电压。如果VT1、VT2、VT3、点火初级线圈及有关电阻中的任何一个元件烧坏或断路，Re上都不会有电流通过，当然也不会产生监测电压。Re上的监测电压送到点火监测模块LM2903（电压比较器）的第2脚，LM2903用一个基准电压与第2脚输入的电压比较，从而判断是否有监测电压。监测电压信号由LM2903的第2脚反馈到74HC14D，经反相器驱动后送至单片机。单片机在发出点火脉冲的期间如果接受不
16、到反馈的监测电压信号，就确认点火电路有故障，于是就产生故障码并报警。从上面的玛瑞利单点电脑工作原理可以看出，点火电路要正常工作有4个不可缺少的要素：正常的传感器信号（曲轴转速信号）送至CPU系统；CPU系统能进行正常的信息处理，并输出相应的点火驱动信号；执行机构（点火及驱动电路）能正常工作；点火监测电路的监测电压信号能正常反馈到CPU系统。3喷油控制电路分析 玛瑞利单点电脑的喷油控制主要是由CPU来完成的，电路如图2-16所示。CPU首先根据点火频率确定喷油频率（单点喷油频率为点火频率的一半），由CPU的37脚输出喷油驱动脉冲信号至喷油模块L9150的5脚，经L9150放大后由2脚输出到喷油器
17、，在喷油过程中，CPU还要根据A/D转换器送来的各种传感器信号，判断当前的工况，并根据工况信息调整喷油驱动脉冲信号的脉冲宽度，脉冲的宽度一般在数毫秒范围内。脉冲的宽度决定喷油器的开阀时间，从而决定喷油量。精确控制喷油脉宽，可以满足发动机在各种工况时的燃油需要。喷油器的喷油量分基本喷油量和补充（额外）喷油量两部分。图2-16 喷油控制电路原理图 CPU的21脚输出片选信号至喷油模块L9150的第1脚，来控制喷油电路的启动和停止；L9150的7至10脚分别接至CPU的26、25、27、24脚；通过反馈喷油脉宽的二进制信息，使CPU时刻了解喷油控制是否达到了控制目标，这是个典型的闭环控制系统，通过不
18、断的反馈和控制，最终使喷油量与发动机的实际工况相一致。(1)基本喷油量 发动机只要一转动就产生两个信号：发动机转速信号和负荷状况信号。发动机转速信号由曲轴转速传感器提供；发动机负荷信号由空气流量传感器或进气歧管压力传感器所测量的进气量而决定。CPU根据这两个信号所决定的喷油量称为基本喷油量。(2)补充喷油量 在许多工况下，除基本喷油量外，尚需有额外喷油量。例如，在起动时或大负荷工况下，需供给发动机补充喷油量。在电控汽油喷射系统中，精确地提供补充喷油量是由CPU收集各种传感器送来的信号加以计算后决定的。可见，电控汽油喷射系统供油多少是根据实际需要而提供的。故使用电控汽油喷射系统的发动机不但省油，
19、而且还有动力性好，污染小等一系列优点。本章小结本章小结 1、汽车电控单元ECU是按所控制的对象或系统不同而设计的，一个确定的ECU按其内部储存的程序，对所控制系统各传感器输入的信号数据进行运算、处理、分析、判断，然后输出控制指令，并驱动有关执行器动作，达到快速、准确、自动控制汽车某一系统的目的。2、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等，多达十几个，甚至几十个电控单元。汽车上电
20、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。3、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。4、玛瑞利单点电脑是一种典型的集中喷射电脑，该电脑成本低廉、简单实用，目前在国产微型汽车和低档轿车中采用。5、玛瑞利单点电脑点火控制电路中，曲轴位置传感器信号转子上大齿缺产生的信号为基准信号，ECU控制喷油时间和点火时间是以大齿缺产生的信号为基准进行控制的。当ECU接收到大齿缺产生的信号后，再根据小齿缺信号来控制点火线圈一次电流接通时间、点火时间和喷油时间。6、玛瑞利单点电脑喷油控制中，CPU首先根据点火频率确定喷油频率（单点喷油频率为点火频率的一半），由CPU输出喷油驱动脉冲信号至喷油模块，经喷油模块放大后输出到喷油器，在喷油过程中，CPU还要根据A/D转换器送来的各种传感器信号，判断当前的工况，并根据工况信息调整喷油驱动脉冲信号的脉冲宽度。脉冲的宽度决定喷油器的开阀时间，从而决定喷油量。精确控制喷油脉宽，可以满足发动机在各种工况时的燃油需要。作业1、简述玛瑞利单点电脑的组成。2、简述玛瑞利单点电脑点火电路原理。3、简述玛瑞利单点电脑喷油电路原理。