2024年-汽車(chē)電子控制單元ECU

汽車(chē)電子控制單元ECU12024/5/6學(xué)習(xí)要求熟悉汽車(chē)電子控制單元ECU的基本功能和基本組成；熟悉瑪瑞利單點(diǎn)電腦的組成，掌握瑪瑞利單點(diǎn)電腦點(diǎn)火控制電路、點(diǎn)火監(jiān)測(cè)電路和噴油控制電路的工作原理。22024/5/6以單片機(jī)為核心的汽車(chē)電子控制裝置，各生產(chǎn)廠家所稱(chēng)名稱(chēng)有所不同，有稱(chēng)微處理機(jī)控制裝置─MCU，有稱(chēng)電子控制組件─ECM，較多的是稱(chēng)為汽車(chē)電子控制單元─ECU，簡(jiǎn)稱(chēng)電控單元。在汽車(chē)修理行業(yè)，習(xí)慣上稱(chēng)為汽車(chē)電腦。32024/5/6一、ECU的基本功能ECU的主要功能在以下幾個(gè)方面：（1）接受傳感器、操作開(kāi)關(guān)或其它裝置輸入的信息。給需要電源的傳感器提供工作電壓。（2）處理、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和判斷輸入信息數(shù)據(jù)及故障信息。（3）根據(jù)輸入的有關(guān)信息計(jì)算出輸出指令信號(hào)，放大指令信號(hào)至可以控制執(zhí)行器。（4）當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，輸出故障信息。（5）實(shí)行學(xué)習(xí)控制，具有自我修正輸出值的功能。（6）在具有車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，所有的ECU具有通信功能，相互間能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。42024/5/6二、汽車(chē)電控單元ECU的基本組成由于汽車(chē)的配置不同，電控單元的數(shù)目也不同。低配置、手動(dòng)變速器的轎車(chē)，一般只有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元；中高配置的轎車(chē)，除發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元外，還有自動(dòng)變速器電控單元、制動(dòng)防抱死ABS電控單元、全自動(dòng)空調(diào)電控單元、安全氣囊電控單元、智能座椅電控單元、中央門(mén)控等電控單元，多達(dá)十幾個(gè)，甚至幾十個(gè)電控單元。汽車(chē)上電控單元的組成模式是相同的，一般由傳感器、ECU、執(zhí)行元件組成。52024/5/6圖2-1汽車(chē)電子控制單元ECU的組成示意圖62024/5/6三、輸入電路輸入電路的功能是接收和處理來(lái)自ECU外部的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)外部傳感器與單片機(jī)之間的信息傳遞，即對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使輸入信號(hào)變成微處理器可以接受的信號(hào)。來(lái)自ECU外部的信號(hào)分為兩類(lèi)，一類(lèi)是傳感器信號(hào)，一類(lèi)是開(kāi)關(guān)信號(hào)。72024/5/61.傳感器信號(hào)傳感器信號(hào)來(lái)自各個(gè)傳感器，又分為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。對(duì)模擬信號(hào)，如空氣流量傳感器、溫度傳感器等緩慢變化的模擬信號(hào)，要先放大、濾波、然后對(duì)其進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。如果是脈沖信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)，如曲軸轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號(hào)，將對(duì)其進(jìn)行放大和整形處理，使其達(dá)到數(shù)字信號(hào)的要求。輸入電路將數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)的輸入接口。82024/5/62.開(kāi)關(guān)信號(hào)開(kāi)關(guān)信號(hào)分為操縱開(kāi)關(guān)信號(hào)和自動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)。操縱開(kāi)關(guān)信號(hào)是駕駛?cè)瞬倏v各種開(kāi)關(guān)、操縱手柄、操縱桿、操縱踏板產(chǎn)生的信號(hào)。例如，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的啟動(dòng)信號(hào)傳送到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，發(fā)動(dòng)機(jī)電控ECU按啟動(dòng)工況確定噴油量和點(diǎn)火提前角；操縱自動(dòng)變速器手柄至D擋位置時(shí)，D擋位的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)傳送到自動(dòng)變速器ECU，自動(dòng)變速器ECU將按前進(jìn)擋確定自動(dòng)變速器內(nèi)的離合器和執(zhí)行器的工作狀態(tài)。自動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)是汽車(chē)內(nèi)的自動(dòng)裝置產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)信號(hào)，例如汽車(chē)空調(diào)的溫度控制器，當(dāng)制冷溫度達(dá)到確定的溫度時(shí)，溫度控制器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)將產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，傳送的空調(diào)ECU，空調(diào)ECU控制空調(diào)壓縮機(jī)暫停工作。92024/5/63.模擬量輸入通道模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控系統(tǒng)中多個(gè)傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸入微型計(jì)算機(jī)，它的一般組成框圖如圖2-2所示，它由濾波和電平變換電路、多通道A/D轉(zhuǎn)換器等組成。圖2-2模擬量輸入通道組成框圖102024/5/6（1）濾波和電平變換電路濾波和電平變換電路包括信號(hào)濾波、電平變換等。傳感器測(cè)得的電信號(hào)受周?chē)姶艌?chǎng)干擾，一般都有高頻干擾電磁波，因此，要對(duì)傳感器信號(hào)先進(jìn)行高頻濾波。傳感器信號(hào)電壓信號(hào)一般很小，電壓通常為0—40mV，而A/D轉(zhuǎn)換器所能處理的電壓范圍為5V、10V、±5V等，故必須進(jìn)行電平變換后再輸給A/D轉(zhuǎn)換器，這樣可提高模擬信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的精度。（2）多通道A/D轉(zhuǎn)換器目前的A/D轉(zhuǎn)換器多為多輸入通道的，有8通道和16通道的，可以同時(shí)輸入8路或16路模擬信號(hào)。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)的I/O接口電路。112024/5/6

4.數(shù)字量輸入通道在汽車(chē)電控系統(tǒng)中，傳感器采集的還有數(shù)字信號(hào)，比如來(lái)自曲軸轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)與上止點(diǎn)參考信號(hào)，它們都是脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)經(jīng)放大和整形電路處理后，變成矩形波，通過(guò)I/O接口可直接送入單片機(jī)。122024/5/6

5.光電隔離器對(duì)可能受到強(qiáng)干擾的輸入信號(hào)，要考慮增加光電隔離電路。圖2-3為常用的光電隔離器及電平轉(zhuǎn)換電路，圖中G為發(fā)光二極管和光電三極管集成的光電隔離器，輸入信號(hào)經(jīng)濾波、放大，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管按信號(hào)電流強(qiáng)弱發(fā)光，光電三極管將接受的光再轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳送過(guò)程完全電的隔離，起到很好的抗干擾作用。三極管VT1和VT2組成電平轉(zhuǎn)換電路，使輸出信號(hào)達(dá)到所需要的電壓值。光電隔離器不但適用輸入電路，也適用輸出電路，可以隔離輸出電路到執(zhí)行器之間的電磁干擾。132024/5/6

圖2-3光電隔離器及電平轉(zhuǎn)換電路

142024/5/6四、單片機(jī)單片機(jī)是汽車(chē)電子控制單元ECU的控制中樞。它的功能是根據(jù)所存程序，對(duì)各種傳感器送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和判斷，把處理結(jié)果，如噴油指令信號(hào)、點(diǎn)火指令信號(hào)等，送至輸出電路，從而控制執(zhí)行器。汽車(chē)電控單元使用的單片機(jī)是汽車(chē)專(zhuān)用增強(qiáng)型單片機(jī)，是針對(duì)汽車(chē)較為復(fù)雜的震動(dòng)、高溫、低溫和惡劣的電磁環(huán)境而設(shè)計(jì)的。有的汽車(chē)單片機(jī)芯片內(nèi)已包含A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和其他專(zhuān)用電路，152024/5/6五、輸出電路輸出電路是根據(jù)所控制的執(zhí)行器的類(lèi)型而設(shè)計(jì)的，汽車(chē)上執(zhí)行器的按負(fù)載類(lèi)型可分為電阻類(lèi)，如照明燈和信號(hào)燈；電磁線圈類(lèi)，如繼電器、電磁閥，噴油器；電動(dòng)機(jī)類(lèi)，如直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。按控制信號(hào)可分為模擬量輸出通道和數(shù)字量輸出通道。162024/5/61.模擬量輸出通道模擬量輸出通道的任務(wù)是把計(jì)算機(jī)的離散數(shù)字量輸出變成連續(xù)的模擬量輸出，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖2-4是一個(gè)多輸出的模擬量輸出通道，一個(gè)通道使用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快且工作可靠。圖2-4模擬量輸出通道172024/5/62.數(shù)字量輸出通道數(shù)字量輸出通道的任務(wù)是將單片機(jī)的I/O接口輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如繼電器、電磁閥、步進(jìn)電機(jī)等）需要的脈沖信號(hào)。數(shù)字量輸出通道有以下三種形式：（1）由單片機(jī)的輸出口直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（2）通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（3）通過(guò)繼電器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。數(shù)字量輸出通道的終末負(fù)載常常是繼電器、電磁閥的電磁線圈和步進(jìn)電機(jī)的電磁線圈，它們與單片機(jī)中間需要放大、隔離和驅(qū)動(dòng)電路。

182024/5/6圖2-5控制噴油器的輸出電路192024/5/6圖2-5是控制噴油器的輸出電路。單片機(jī)根據(jù)空氣流量傳感器的傳入信號(hào)，計(jì)算出進(jìn)入氣缸中的空氣質(zhì)量，然后按理想空燃比計(jì)算出應(yīng)噴的汽油量，使汽油的混合氣體達(dá)到最佳燃燒。噴油器是一個(gè)典型的小型電磁閥，通電時(shí)線圈產(chǎn)生磁力，吸引閥針向上開(kāi)閥，汽油在一定壓力下，噴射入氣缸；斷電時(shí)閥針在復(fù)位彈簧的作用下，向下關(guān)閥。在油壓和噴油器噴孔一定的條件下，控制噴油時(shí)間就可控制噴油量。202024/5/6單片機(jī)輸出的噴油脈沖，經(jīng)放大器放大，驅(qū)動(dòng)光電隔離器G中的發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)三極管VT1放大，驅(qū)動(dòng)大功率三極管VT2導(dǎo)通接地，噴油器電磁線圈通電開(kāi)閥，達(dá)到控制噴油的目的。精確控制噴油脈沖的脈沖寬度（例如某種發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油脈寬可在1.72ms～8.45ms間控制），是電控燃油噴射的主要功能。212024/5/6六、電源電路現(xiàn)代汽車(chē)ECU的電源電路一般有兩路。一路來(lái)自點(diǎn)火開(kāi)關(guān)控制的主繼電器，它是ECU的主電源。打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)后，主繼電器觸點(diǎn)閉合，電源送入ECU內(nèi)部的處理電路，使ECU進(jìn)入工作狀態(tài)；關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)后，主繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)，ECU的工作電源被切斷從而停止工作。另一路直接來(lái)自蓄電池，直接接單片機(jī)的備用電源引腳（MCS-51單片機(jī)的VPD引腳），在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)關(guān)閉及發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，該電路仍然保持蓄電池電壓，使單片機(jī)的故障自診斷電路所測(cè)得的故障碼及其他有關(guān)數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期保存在單片機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，為故障檢修提供依據(jù)，該電路稱(chēng)為ECU的備用電源電路。除此之外，對(duì)有些具有防盜功能的ECU或不能停止某些監(jiān)控功能的ECU，其喚醒電路也用備用電源電路。222024/5/6七、ECU的可靠性要求汽車(chē)ECU工作在較為復(fù)雜的震動(dòng)、高溫、低溫和惡劣的電磁環(huán)境中，需要在不同的道路和氣候條件下行駛，這些環(huán)境因素往往造成汽車(chē)電子控制裝置的性能下降，甚至不能完成規(guī)定的功能或損壞，因此汽車(chē)ECU需要很高的可靠性和對(duì)環(huán)境的耐久性。

1．能適應(yīng)較大的電源電壓波動(dòng)以12V電源為例，正常的電源電壓波動(dòng)范圍為10～15V，發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)，蓄電池電壓可降至約為6-8V，啟動(dòng)完成后，發(fā)電機(jī)開(kāi)始發(fā)電，在很短的時(shí)間內(nèi)，電源電壓就會(huì)升高超過(guò)12V。

232024/5/6此外，ECU還要承受瞬變電壓的沖擊，瞬變電壓是指由于電磁感應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的較高的脈沖電壓。較大的電感性負(fù)載，在電流通斷的瞬間都能產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)，有的可達(dá)幾百伏。因此，ECU的電源電路必須具有很好的抗干擾能力和穩(wěn)壓作用。

2．硬件抗干擾措施汽車(chē)電磁設(shè)備對(duì)ECU的干擾，一般都是以脈沖的形式進(jìn)入的，抗干擾措施主要有以下幾點(diǎn)：（1）消除電源電壓波動(dòng)干擾。采用穩(wěn)壓電源使汽車(chē)電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后再送給ECU；可在直流穩(wěn)壓器的進(jìn)、出端連接濾波器，以減小浪涌電壓的干擾。242024/5/6（2）消除過(guò)程通道和空間干擾。過(guò)程通道是指單片機(jī)與傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂?，其干擾因素是傳輸線路長(zhǎng)，積累干擾量大?？刹捎霉怆姼綦x器、雙絞線、同軸電纜、光纖等傳輸方式消除干擾。同時(shí)要對(duì)干擾源進(jìn)行屏蔽，減小干擾源對(duì)外電磁輻射。（3）消除接地系統(tǒng)干擾。接地系統(tǒng)干擾主要是由于多點(diǎn)接地，使得兩接地點(diǎn)的電位不為零，這個(gè)電位差對(duì)電路的輸入輸出電壓產(chǎn)生干擾。對(duì)于汽車(chē)以金屬車(chē)身為負(fù)極和地線的情況，預(yù)防措施可采用：與車(chē)身連接的接地點(diǎn)一定要連接可靠；重要的地線可以用銅線作專(zhuān)用地線；大電流和弱信號(hào)電路的地線分開(kāi)走線。252024/5/6

3．軟件抗干擾措施采用硬件抗干擾措施可以提高系統(tǒng)的可靠性，但是會(huì)使系統(tǒng)成本相應(yīng)提高，而且并非所有的干擾或故障都能夠通過(guò)這種方法得到完全解決。為彌補(bǔ)硬件抗干擾的不足，還必須增加軟件抗干擾的方法。（1）數(shù)據(jù)采集中的軟件抗干擾措施在檢測(cè)汽車(chē)緩慢變化的信號(hào)時(shí)，如果某時(shí)刻只把一次采集到的數(shù)據(jù)作為該參數(shù)的真實(shí)數(shù)據(jù)，往往會(huì)由于某種偶然因素使數(shù)據(jù)失真，造成誤差或錯(cuò)誤。在這種情況下可采用數(shù)字濾波。比如，連續(xù)采集數(shù)據(jù)3—5次取其平均值，或去掉最大值、最小值后取其平均值；根據(jù)控制系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)的大小范圍，通過(guò)編程判別采樣值是否超出正常值的范圍來(lái)判斷是否是干擾值。262024/5/6（2）程序運(yùn)行失常的抗干擾措施系統(tǒng)受到干擾后，致使程序計(jì)數(shù)器的值改變，導(dǎo)致程序運(yùn)行失常，對(duì)此可采取以下措施及時(shí)引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)：①啟動(dòng)監(jiān)視定時(shí)器。監(jiān)視定時(shí)器是一個(gè)計(jì)數(shù)器，啟動(dòng)后，會(huì)根據(jù)ECU內(nèi)部的時(shí)鐘信號(hào)自動(dòng)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，系統(tǒng)即進(jìn)入強(qiáng)制復(fù)位，并重新初始化。②設(shè)置軟件陷阱。當(dāng)程序指針失控時(shí)，程序跑飛，有時(shí)會(huì)進(jìn)入各種非程序區(qū)，造成嚴(yán)重的后果。為盡量避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，提高系統(tǒng)的監(jiān)控能力，可在所有的非程序區(qū)設(shè)置系統(tǒng)復(fù)位指令，這樣一旦程序跑飛進(jìn)入非程序區(qū)，就可以立即迫使程序進(jìn)入初始狀態(tài)。272024/5/6八、ECU的可靠性設(shè)計(jì)汽車(chē)電子控制單元在總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾個(gè)方面：（1）盡量用軟件代替硬件。系統(tǒng)中的任何硬件都有失效問(wèn)題，硬件電路越復(fù)雜可靠性越差，而軟件易于修改且處理速度快。（2）盡可能采用定型的標(biāo)準(zhǔn)化單元電路。因?yàn)槎ㄐ偷臉?biāo)準(zhǔn)化電路