eTPU模块在共轨柴油机喷油系统中的应用

颜培宇

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

eTPU模块在共轨柴油机喷油系统中的应用

颜培宇

(河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)

为使柴油机共轨系统能够进行多次精确喷油，ECU必须具备高控制精度和多任务协调处理功能。以MPC5634单片机为平台，开发eTPU正时同步函数，喷油控制函数。实验表明，该系列函数能够实现正时同步控制，以及准确喷油控制。

柴油机；共轨系统；增强型定时处理单元；正时同步；喷油控制

0 前言

汽车在给人类经济活动带来便利的同时，也给人类带来了诸多负面影响，主要表现为能源短缺和环境污染。实践证明，电控高压共轨柴油机燃油喷射技术能有效地降低发动机的燃油消耗，改善汽车的动力性能，同时减少排放。共轨柴油发动机的控制对象多、控制算法复杂、控制精度和实时性要求高，这对于单片机的运算速度及实时处理能力要求极高，而Freescale公司的32位微处理器MPC5634，采用双核结构，其中拥有32个通道的eTPU(增强型时序处理单元)更是具有强大的定时处理功能，特别适合发动机的控制。因此，eTPU成了整个发动机电控系统最不可或缺的一部分，决定了整个系统的工作状态和运行效率，对eTPU的开发应用也就有了重要的现实意义。

1 eTPU模块

1.1eTPU简介

eTPU采用类似RISC的微引擎，与I/O硬件定时通道连接，作为一个半独立的协处理器，在不需要CPU 参与的情况下，可以完成高速复杂的时序操作。eTPU也可以独立读取共享数据和处理微指令、实时输入事件，执行设定的输出波形，从而大大削减或消除CPU的服务时间。利用MPC5634的eTPU模块通过主CPU发出服务请求，完成发动机的正时同步、喷油信号的输出等功能。

1.2eTPU运行机理

eTPU模块包含了它运行所需的所有微控制器：数据和程序存储器、微引擎、任务调度器以及32条I/O通道。

eTPU拥有32条通道，如果多条通道在同一时间请求服务，调度器就必须决定eTPU首先应为哪条通道服务。调度器是根据各条通道的优先级和内部调度算法做出决定的。通道优先级有高、中、低3个类别；在每一个调度时序中，高优先级占4个状态，中优先级占2个状态，低优先级占1个状态。每个调度时序状态排列如图1所示。这种算法，一方面使调度器能够更快、更高频率地为高优先级通道服务，另一方面又能防止低优先级通道被高优先级通道消除。

图1 调度时序

一旦选择了通道，微引擎就在可用通道上开始其服务。事件服务不能中断，下一个服务必须在当前服务完成后才能处理。另外，不应在一条通道的服务上花费太多时间，以保证不延迟其他通道。对时间要求非常苛刻的任务应作为不同事件的几个服务或一个事件的几个服务进行调度组织。

在eTPU模块初始化期间，CPU将eTPU二进制程序代码加载到代码存储器(SCM)中，同时，代码存储器被锁住。在eTPU运行期间，代码存储器就只能由eTPU访问，而且为只读。eTPU和CPU都可以访问数据存储器，可以进行读写。数据存储器管理数据交换空间，以便在eTPU和CPU之间交换数据(参数、变量和结果)。

2 正时同步

燃油喷射系统由eTPU模块采集曲轴信号和凸轮轴信号进行正时同步，判断发动机位置，给出发动机的工作时序，而后在相应的eTPU通道调用喷油函数。四缸发动机一个工作循环，曲轴转两圈，产生两个缺齿信号,凸轮轴只转一圈，产生一个高电平信号，利用曲轴和凸轮轴既定的相位关系可以通过凸轮轴的高电平信号对曲轴的两个缺齿信号进行区分，从而确定曲轴位置。根据以上分析，本文给出了一种正时同步的方法，该方法分为三个步骤：首先是信号有效性检测(对曲轴、凸轮轴信号进行有效性检测)；其次对曲轴的缺齿信号进行验证；最后进行正时同步。

2.1 信号有效性检测

为了排除外界干扰，保证采集的信号质量，首先需要对曲轴、凸轮轴信号进行有效性检测。信号有效性检测采用窗口技术。eTPU根据当前齿间隔，预估下次齿间隔的可能最大和最小值，开设一个合理的齿捕获窗口，将窗口外的信号完全滤掉，保证信号的可靠性。如下一个信号的下降沿出现在t1前，则该信号为异常多齿。如下一个信号的下降沿没有出现在窗口范围内即(t2，t3)区间内，将在t3时刻插入一个虚拟的齿信号，然后检测函数开始寻找新的齿信号上升沿。这样，可以保证齿数完全正确，明显降低了CPU软件的复杂度，增强了系统的可靠性。如图2所示为曲轴齿信号检测，T为当前齿信号周期，t1为当前齿周期结束时的下降沿时刻，t2为打开窗口时刻,t3为关闭窗口时刻，WinRatio 为窗口因子。考虑到信号的波动性，窗口区间计算中T一般采用平均周期。

图2 曲轴齿信号检测

凸轮轴齿信号检测是以检测到曲轴缺齿信号为前提。其次，凸轮信号以角度作单位，不同于曲轴信号以时间为单位。如图3所示。

图3 凸轮齿信号检测

2.2 缺齿验证

曲轴信号盘有60个齿，四缸机完成一个工作循环，曲轴信号有120个脉冲，编号为0-119。一般将缺齿后面的第一齿设为0号齿，按转动顺序计数，第58、59号齿为缺齿，第60号齿同0号齿。缺齿检测方法和齿信号有效性检测方法类似，都是鉴于齿信号周期T不会发生突变。若当前齿周期约等于3倍的前一个齿周期时，当前齿即为检测到的缺齿。缺齿判别如图4所示，TA为缺齿前正常齿周期，TB为缺齿周期，k为常数因子，缺齿满足：(3-k)×TA

图4 缺齿判别

2.3 正时同步方案

为使曲轴信号和凸轮轴信号实现正时同步，正时同步函数必须能够处理各种起始信号。正时同步函数初始化后，凸轮轴信号可能在缺齿信号前或缺齿信号后被检测到。

1) 如图5，若首先检测到曲轴缺齿信号，在此信号之前每检测到一个曲轴齿信号，TCR2计数器都复位到0；在第一个缺齿信号之后，TCR2做角度累加。这种方法保证在正时同步完成之前，TCR2中角度值不超过720°。

图5 曲轴缺齿信号先被检测到

2) 如图6，若首先检测到凸轮轴信号，第一个凸轮齿信号将被忽略。第一个曲轴缺齿被检测到时，TCR2才开始计数，在此之前每当检测到曲轴齿时TCR2都被复位到0。第一圈结束时，没有检测到凸轮齿，此时TCR2仍然复位到0。这样做也是保证在正时同步完成之前，TCR2中角度值不超过720°。

图6 凸轮齿信号先被检测到

CAM函数和CRANK函数分别处理凸轮信号和曲轴信号。当CAM函数检测到凸轮信号状态发生变化时，即通过LSR寄存器通知曲轴函数状态改变，这样eTPU就能够实时更新发动机位置状态信息了。正时同步状态转化流程由图7所示。

图7 正时同步流程图

3 喷油控制

喷油控制函数主要用于输出喷油脉冲信号。该信号有两种触发模式：角度加时间和时间加时间。角度加时间模式就是信号的第一个跳变沿以TCR2的角度计数为时钟基准，第二个跳变沿以TCR1的时间计数为时钟基准；时间加时间模式就是信号的第一个跳变沿和第二个跳变沿都以TCR1的时间计数为时钟基准。第一种触发模式不需要时间延迟，节约了延迟前的中断使控制精度更高，更可靠，主要用在以曲轴信号为基准的工作形式下；第二种触发模式主要用在以凸轮信号为基准的工作形式下。

该函数的输入参数主要有脉冲个数、有效电平的极性和各脉冲的延迟角度或时间等。

函数运行时，TCR1工作在时间模式，TCR2工作在角度模式。在每个飞轮齿检测完成后，MDU(乘除单元)进行如下运算：

trr=齿周期(TCR1测得)/TCR2计数次数

trr取整后存入一个预分频器中，该分频器以TCR1的时钟频率递减计数，直至递减为零，TCR2就会进行一次角度计数。

TCR2对检测到的每个飞轮齿进行角度计数，相当于TCR2将每个飞轮齿划分为一定数量的微齿，TCR1对每个微齿又进行计数。如图8所示。而每个微齿的角度值正是TCR2角度计数的精度。

图8 角度触发喷油

从图8中可以看出，喷油脉冲信号在整微齿处触发不会有时间延迟。按照传统的控制方式，需要在整齿处进入中断，然后对延迟时间进行赋值，频繁的中断不仅会影响喷油控制精度，还会对系统的可靠性带来一定的影响。

4 软件设计

4.1 软件结构

在软件设计中，采用分层模型，以降低系统各部分间的耦合关系，提高系统代码的可复用性和可移植性。软件以层次结构形式组织，每一层定义一组接口，独立于系统。整个软件系统分为三个子层：硬件驱动层、软件支持层和管理应用层。硬件驱动层直接作用于微控制器硬件，包含各硬件功能模块驱动指令，为软件支持层提供指令接口。软件支持层负责将管理应用层的服务请求转换为硬件驱动层对硬件资源的调度。管理应用层包含共轨柴油机喷油系统的各种控制策略和算法。软件结构如图9。

图9 软件结构

4.2eTPU代码开发

主CPU 和eTPU 具有不同的内核结构，它们的代码也必须使用不同的编译器。为了使CPU 代码和eTPU 代码能够交互运行，eTPU 编译器提供一系列的CPU 接口宏定义，这些宏定义用于产生执行代码和符号信息，并依此编写eTPU 的API 函数。eTPU 的API 函数正是作为CPU 代码和eTPU 代码的交互界面，屏蔽了两者之间复杂的交互过程，为CPU 程序设计提供了简单的应用接口。CPU通过API 函数初始化各eTPU通道功能，作信息采集或者执行器驱动。通道功能分配如图10。

5 结语

介绍了eTPU模块在高压共轨柴油机燃油喷射系统中的应用，据此编写的eTPU代码已在自主开发的汽车

图10 通道功能分配

ECU中得到验证。在共轨柴油机试验台测试过程中，微控制器采集轨压信号并通过PWM脉冲控制压力控制阀来维持轨压的稳定，并依此轨压信号查询MAP图得到每

个喷油阀的喷油量(即喷油时间)。通过示波器观察喷油信号，喷油提前角和喷油时长都准确无误，未出现多喷和少喷的情况，这也表明了正时同步方案的正确。

[1] 张卫钢，张守姣，车喜龙，等.基于eTPU模块的高压共轨柴油机正时同步方法[J].汽车工程，2012,34(2):103-108.

[2] 任亮，李进，等.高压共轨柴油机喷射控制策略研究[J].车用发动机，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

颜培宇(1989-)，男，江苏涟水人，硕士研究生，研究方向为共轨柴油机电控系统。

TP391;TK42

B

1671-5276(2014)02-0174-03

2013-08-19