顏培宇

(河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

eTPU模塊在共軌柴油機噴油系統(tǒng)中的應(yīng)用

顏培宇

(河海大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

為使柴油機共軌系統(tǒng)能夠進行多次精確噴油，ECU必須具備高控制精度和多任務(wù)協(xié)調(diào)處理功能。以MPC5634單片機為平臺，開發(fā)eTPU正時同步函數(shù)，噴油控制函數(shù)。實驗表明，該系列函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)正時同步控制，以及準確噴油控制。

柴油機；共軌系統(tǒng)；增強型定時處理單元；正時同步；噴油控制

0 前言

汽車在給人類經(jīng)濟活動帶來便利的同時，也給人類帶來了諸多負面影響，主要表現(xiàn)為能源短缺和環(huán)境污染。實踐證明，電控高壓共軌柴油機燃油噴射技術(shù)能有效地降低發(fā)動機的燃油消耗，改善汽車的動力性能，同時減少排放。共軌柴油發(fā)動機的控制對象多、控制算法復(fù)雜、控制精度和實時性要求高，這對于單片機的運算速度及實時處理能力要求極高，而Freescale公司的32位微處理器MPC5634，采用雙核結(jié)構(gòu)，其中擁有32個通道的eTPU(增強型時序處理單元)更是具有強大的定時處理功能，特別適合發(fā)動機的控制。因此，eTPU成了整個發(fā)動機電控系統(tǒng)最不可或缺的一部分，決定了整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)和運行效率，對eTPU的開發(fā)應(yīng)用也就有了重要的現(xiàn)實意義。

1 eTPU模塊

1.1eTPU簡介

eTPU采用類似RISC的微引擎，與I/O硬件定時通道連接，作為一個半獨立的協(xié)處理器，在不需要CPU 參與的情況下，可以完成高速復(fù)雜的時序操作。eTPU也可以獨立讀取共享數(shù)據(jù)和處理微指令、實時輸入事件，執(zhí)行設(shè)定的輸出波形，從而大大削減或消除CPU的服務(wù)時間。利用MPC5634的eTPU模塊通過主CPU發(fā)出服務(wù)請求，完成發(fā)動機的正時同步、噴油信號的輸出等功能。

1.2eTPU運行機理

eTPU模塊包含了它運行所需的所有微控制器：數(shù)據(jù)和程序存儲器、微引擎、任務(wù)調(diào)度器以及32條I/O通道。

eTPU擁有32條通道，如果多條通道在同一時間請求服務(wù)，調(diào)度器就必須決定eTPU首先應(yīng)為哪條通道服務(wù)。調(diào)度器是根據(jù)各條通道的優(yōu)先級和內(nèi)部調(diào)度算法做出決定的。通道優(yōu)先級有高、中、低3個類別；在每一個調(diào)度時序中，高優(yōu)先級占4個狀態(tài)，中優(yōu)先級占2個狀態(tài)，低優(yōu)先級占1個狀態(tài)。每個調(diào)度時序狀態(tài)排列如圖1所示。這種算法，一方面使調(diào)度器能夠更快、更高頻率地為高優(yōu)先級通道服務(wù)，另一方面又能防止低優(yōu)先級通道被高優(yōu)先級通道消除。

圖1 調(diào)度時序

一旦選擇了通道，微引擎就在可用通道上開始其服務(wù)。事件服務(wù)不能中斷，下一個服務(wù)必須在當(dāng)前服務(wù)完成后才能處理。另外，不應(yīng)在一條通道的服務(wù)上花費太多時間，以保證不延遲其他通道。對時間要求非?？量痰娜蝿?wù)應(yīng)作為不同事件的幾個服務(wù)或一個事件的幾個服務(wù)進行調(diào)度組織。

在eTPU模塊初始化期間，CPU將eTPU二進制程序代碼加載到代碼存儲器(SCM)中，同時，代碼存儲器被鎖住。在eTPU運行期間，代碼存儲器就只能由eTPU訪問，而且為只讀。eTPU和CPU都可以訪問數(shù)據(jù)存儲器，可以進行讀寫。數(shù)據(jù)存儲器管理數(shù)據(jù)交換空間，以便在eTPU和CPU之間交換數(shù)據(jù)(參數(shù)、變量和結(jié)果)。

2 正時同步

燃油噴射系統(tǒng)由eTPU模塊采集曲軸信號和凸輪軸信號進行正時同步，判斷發(fā)動機位置，給出發(fā)動機的工作時序，而后在相應(yīng)的eTPU通道調(diào)用噴油函數(shù)。四缸發(fā)動機一個工作循環(huán)，曲軸轉(zhuǎn)兩圈，產(chǎn)生兩個缺齒信號,凸輪軸只轉(zhuǎn)一圈，產(chǎn)生一個高電平信號，利用曲軸和凸輪軸既定的相位關(guān)系可以通過凸輪軸的高電平信號對曲軸的兩個缺齒信號進行區(qū)分，從而確定曲軸位置。根據(jù)以上分析，本文給出了一種正時同步的方法，該方法分為三個步驟：首先是信號有效性檢測(對曲軸、凸輪軸信號進行有效性檢測)；其次對曲軸的缺齒信號進行驗證；最后進行正時同步。

2.1 信號有效性檢測

為了排除外界干擾，保證采集的信號質(zhì)量，首先需要對曲軸、凸輪軸信號進行有效性檢測。信號有效性檢測采用窗口技術(shù)。eTPU根據(jù)當(dāng)前齒間隔，預(yù)估下次齒間隔的可能最大和最小值，開設(shè)一個合理的齒捕獲窗口，將窗口外的信號完全濾掉，保證信號的可靠性。如下一個信號的下降沿出現(xiàn)在t1前，則該信號為異常多齒。如下一個信號的下降沿沒有出現(xiàn)在窗口范圍內(nèi)即(t2，t3)區(qū)間內(nèi)，將在t3時刻插入一個虛擬的齒信號，然后檢測函數(shù)開始尋找新的齒信號上升沿。這樣，可以保證齒數(shù)完全正確，明顯降低了CPU軟件的復(fù)雜度，增強了系統(tǒng)的可靠性。如圖2所示為曲軸齒信號檢測，T為當(dāng)前齒信號周期，t1為當(dāng)前齒周期結(jié)束時的下降沿時刻，t2為打開窗口時刻,t3為關(guān)閉窗口時刻，WinRatio 為窗口因子?？紤]到信號的波動性，窗口區(qū)間計算中T一般采用平均周期。

圖2 曲軸齒信號檢測

凸輪軸齒信號檢測是以檢測到曲軸缺齒信號為前提。其次，凸輪信號以角度作單位，不同于曲軸信號以時間為單位。如圖3所示。

圖3 凸輪齒信號檢測

2.2 缺齒驗證

曲軸信號盤有60個齒，四缸機完成一個工作循環(huán)，曲軸信號有120個脈沖，編號為0-119。一般將缺齒后面的第一齒設(shè)為0號齒，按轉(zhuǎn)動順序計數(shù)，第58、59號齒為缺齒，第60號齒同0號齒。缺齒檢測方法和齒信號有效性檢測方法類似，都是鑒于齒信號周期T不會發(fā)生突變。若當(dāng)前齒周期約等于3倍的前一個齒周期時，當(dāng)前齒即為檢測到的缺齒。缺齒判別如圖4所示，TA為缺齒前正常齒周期，TB為缺齒周期，k為常數(shù)因子，缺齒滿足：(3-k)×TA

圖4 缺齒判別

2.3 正時同步方案

為使曲軸信號和凸輪軸信號實現(xiàn)正時同步，正時同步函數(shù)必須能夠處理各種起始信號。正時同步函數(shù)初始化后，凸輪軸信號可能在缺齒信號前或缺齒信號后被檢測到。

1) 如圖5，若首先檢測到曲軸缺齒信號，在此信號之前每檢測到一個曲軸齒信號，TCR2計數(shù)器都復(fù)位到0；在第一個缺齒信號之后，TCR2做角度累加。這種方法保證在正時同步完成之前，TCR2中角度值不超過720°。

圖5 曲軸缺齒信號先被檢測到

2) 如圖6，若首先檢測到凸輪軸信號，第一個凸輪齒信號將被忽略。第一個曲軸缺齒被檢測到時，TCR2才開始計數(shù)，在此之前每當(dāng)檢測到曲軸齒時TCR2都被復(fù)位到0。第一圈結(jié)束時，沒有檢測到凸輪齒，此時TCR2仍然復(fù)位到0。這樣做也是保證在正時同步完成之前，TCR2中角度值不超過720°。

圖6 凸輪齒信號先被檢測到

CAM函數(shù)和CRANK函數(shù)分別處理凸輪信號和曲軸信號。當(dāng)CAM函數(shù)檢測到凸輪信號狀態(tài)發(fā)生變化時，即通過LSR寄存器通知曲軸函數(shù)狀態(tài)改變，這樣eTPU就能夠?qū)崟r更新發(fā)動機位置狀態(tài)信息了。正時同步狀態(tài)轉(zhuǎn)化流程由圖7所示。

圖7 正時同步流程圖

3 噴油控制

噴油控制函數(shù)主要用于輸出噴油脈沖信號。該信號有兩種觸發(fā)模式：角度加時間和時間加時間。角度加時間模式就是信號的第一個跳變沿以TCR2的角度計數(shù)為時鐘基準，第二個跳變沿以TCR1的時間計數(shù)為時鐘基準；時間加時間模式就是信號的第一個跳變沿和第二個跳變沿都以TCR1的時間計數(shù)為時鐘基準。第一種觸發(fā)模式不需要時間延遲，節(jié)約了延遲前的中斷使控制精度更高，更可靠，主要用在以曲軸信號為基準的工作形式下；第二種觸發(fā)模式主要用在以凸輪信號為基準的工作形式下。

該函數(shù)的輸入?yún)?shù)主要有脈沖個數(shù)、有效電平的極性和各脈沖的延遲角度或時間等。

函數(shù)運行時，TCR1工作在時間模式，TCR2工作在角度模式。在每個飛輪齒檢測完成后，MDU(乘除單元)進行如下運算：

trr=齒周期(TCR1測得)/TCR2計數(shù)次數(shù)

trr取整后存入一個預(yù)分頻器中，該分頻器以TCR1的時鐘頻率遞減計數(shù)，直至遞減為零，TCR2就會進行一次角度計數(shù)。

TCR2對檢測到的每個飛輪齒進行角度計數(shù)，相當(dāng)于TCR2將每個飛輪齒劃分為一定數(shù)量的微齒，TCR1對每個微齒又進行計數(shù)。如圖8所示。而每個微齒的角度值正是TCR2角度計數(shù)的精度。

圖8 角度觸發(fā)噴油

從圖8中可以看出，噴油脈沖信號在整微齒處觸發(fā)不會有時間延遲。按照傳統(tǒng)的控制方式，需要在整齒處進入中斷，然后對延遲時間進行賦值，頻繁的中斷不僅會影響噴油控制精度，還會對系統(tǒng)的可靠性帶來一定的影響。

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件結(jié)構(gòu)

在軟件設(shè)計中，采用分層模型，以降低系統(tǒng)各部分間的耦合關(guān)系，提高系統(tǒng)代碼的可復(fù)用性和可移植性。軟件以層次結(jié)構(gòu)形式組織，每一層定義一組接口，獨立于系統(tǒng)。整個軟件系統(tǒng)分為三個子層：硬件驅(qū)動層、軟件支持層和管理應(yīng)用層。硬件驅(qū)動層直接作用于微控制器硬件，包含各硬件功能模塊驅(qū)動指令，為軟件支持層提供指令接口。軟件支持層負責(zé)將管理應(yīng)用層的服務(wù)請求轉(zhuǎn)換為硬件驅(qū)動層對硬件資源的調(diào)度。管理應(yīng)用層包含共軌柴油機噴油系統(tǒng)的各種控制策略和算法。軟件結(jié)構(gòu)如圖9。

圖9 軟件結(jié)構(gòu)

4.2eTPU代碼開發(fā)

主CPU 和eTPU 具有不同的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，它們的代碼也必須使用不同的編譯器。為了使CPU 代碼和eTPU 代碼能夠交互運行，eTPU 編譯器提供一系列的CPU 接口宏定義，這些宏定義用于產(chǎn)生執(zhí)行代碼和符號信息，并依此編寫eTPU 的API 函數(shù)。eTPU 的API 函數(shù)正是作為CPU 代碼和eTPU 代碼的交互界面，屏蔽了兩者之間復(fù)雜的交互過程，為CPU 程序設(shè)計提供了簡單的應(yīng)用接口。CPU通過API 函數(shù)初始化各eTPU通道功能，作信息采集或者執(zhí)行器驅(qū)動。通道功能分配如圖10。

5 結(jié)語

介紹了eTPU模塊在高壓共軌柴油機燃油噴射系統(tǒng)中的應(yīng)用，據(jù)此編寫的eTPU代碼已在自主開發(fā)的汽車

圖10 通道功能分配

ECU中得到驗證。在共軌柴油機試驗臺測試過程中，微控制器采集軌壓信號并通過PWM脈沖控制壓力控制閥來維持軌壓的穩(wěn)定，并依此軌壓信號查詢MAP圖得到每

個噴油閥的噴油量(即噴油時間)。通過示波器觀察噴油信號，噴油提前角和噴油時長都準確無誤，未出現(xiàn)多噴和少噴的情況，這也表明了正時同步方案的正確。

[1] 張衛(wèi)鋼，張守姣，車喜龍，等.基于eTPU模塊的高壓共軌柴油機正時同步方法[J].汽車工程，2012,34(2):103-108.

[2] 任亮，李進，等.高壓共軌柴油機噴射控制策略研究[J].車用發(fā)動機，2004(6)：14-17.

Application of eTPU Module in Common Rail Diesel Injection System

YAN Pei-yu

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China)

To make common rail system perform multiple precise fuel injections, ECU must be provided with high control precision and capabilities of multi-task processing. With MPC5634 microcontroller as the platform, eTPU timing synchronization and fuel injection control functions are developed.Experiments show that the family of functions is used to achieve the timing synchronization control and the multiple injections.

diesel engine; common rail system; eTPU; timing synchronization; injection control

顏培宇(1989-)，男，江蘇漣水人，碩士研究生，研究方向為共軌柴油機電控系統(tǒng)。

TP391;TK42

B

1671-5276(2014)02-0174-03

2013-08-19