2024年-汽車電子控制單元ECU

汽車電子控制單元ECU12024/5/6學習要求熟悉汽車電子控制單元ECU的基本功能和基本組成；熟悉瑪瑞利單點電腦的組成，掌握瑪瑞利單點電腦點火控制電路、點火監(jiān)測電路和噴油控制電路的工作原理。22024/5/6以單片機為核心的汽車電子控制裝置，各生產(chǎn)廠家所稱名稱有所不同，有稱微處理機控制裝置─MCU，有稱電子控制組件─ECM，較多的是稱為汽車電子控制單元─ECU，簡稱電控單元。在汽車修理行業(yè)，習慣上稱為汽車電腦。32024/5/6一、ECU的基本功能ECU的主要功能在以下幾個方面：（1）接受傳感器、操作開關(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、計算、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)信息計算出輸出指令信號，放大指令信號至可以控制執(zhí)行器。（4）當電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，輸出故障信息。（5）實行學習控制，具有自我修正輸出值的功能。（6）在具有車載網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，所有的ECU具有通信功能，相互間能進行數(shù)據(jù)交換。42024/5/6二、汽車電控單元ECU的基本組成由于汽車的配置不同，電控單元的數(shù)目也不同。低配置、手動變速器的轎車，一般只有一個發(fā)動機電控單元；中高配置的轎車，除發(fā)動機電控單元外，還有自動變速器電控單元、制動防抱死ABS電控單元、全自動空調(diào)電控單元、安全氣囊電控單元、智能座椅電控單元、中央門控等電控單元，多達十幾個，甚至幾十個電控單元。汽車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自ECU外部的信號。實現(xiàn)外部傳感器與單片機之間的信息傳遞，即對傳感器輸入的信號進行預處理，使輸入信號變成微處理器可以接受的信號。來自ECU外部的信號分為兩類，一類是傳感器信號，一類是開關(guān)信號。72024/5/61.傳感器信號傳感器信號來自各個傳感器，又分為模擬信號和數(shù)字信號。對模擬信號，如空氣流量傳感器、溫度傳感器等緩慢變化的模擬信號，要先放大、濾波、然后對其進行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。如果是脈沖信號和開關(guān)信號，如曲軸轉(zhuǎn)速傳感器的脈沖信號，將對其進行放大和整形處理，使其達到數(shù)字信號的要求。輸入電路將數(shù)字信號送至單片機的輸入接口。82024/5/62.開關(guān)信號開關(guān)信號分為操縱開關(guān)信號和自動開關(guān)信號。操縱開關(guān)信號是駕駛?cè)瞬倏v各種開關(guān)、操縱手柄、操縱桿、操縱踏板產(chǎn)生的信號。例如，啟動發(fā)動機時啟動開關(guān)產(chǎn)生的啟動信號傳送到發(fā)動機ECU，發(fā)動機電控ECU按啟動工況確定噴油量和點火提前角；操縱自動變速器手柄至D擋位置時，D擋位的開關(guān)觸點產(chǎn)生的開關(guān)信號傳送到自動變速器ECU，自動變速器ECU將按前進擋確定自動變速器內(nèi)的離合器和執(zhí)行器的工作狀態(tài)。自動開關(guān)信號是汽車內(nèi)的自動裝置產(chǎn)生的開關(guān)信號，例如汽車空調(diào)的溫度控制器，當制冷溫度達到確定的溫度時，溫度控制器內(nèi)部的開關(guān)觸點將產(chǎn)生開關(guān)信號，傳送的空調(diào)ECU，空調(diào)ECU控制空調(diào)壓縮機暫停工作。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)中多個傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸入微型計算機，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濾波、電平變換等。傳感器測得的電信號受周圍電磁場干擾，一般都有高頻干擾電磁波，因此，要對傳感器信號先進行高頻濾波。傳感器信號電壓信號一般很小，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，故必須進行電平變換后再輸給A/D轉(zhuǎn)換器，這樣可提高模擬信號測量系統(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，可以同時輸入8路或16路模擬信號。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機的I/O接口電路。112024/5/6

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

5.光電隔離器對可能受到強干擾的輸入信號，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，輸入信號經(jīng)濾波、放大，驅(qū)動發(fā)光二極管按信號電流強弱發(fā)光，光電三極管將接受的光再轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)了信號傳送過程完全電的隔離，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，使輸出信號達到所需要的電壓值。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、單片機單片機是汽車電子控制單元ECU的控制中樞。它的功能是根據(jù)所存程序，對各種傳感器送來的信號進行運算和判斷，把處理結(jié)果，如噴油指令信號、點火指令信號等，送至輸出電路，從而控制執(zhí)行器。汽車電控單元使用的單片機是汽車專用增強型單片機，是針對汽車較為復雜的震動、高溫、低溫和惡劣的電磁環(huán)境而設(shè)計的。有的汽車單片機芯片內(nèi)已包含A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和其他專用電路，152024/5/6五、輸出電路輸出電路是根據(jù)所控制的執(zhí)行器的類型而設(shè)計的，汽車上執(zhí)行器的按負載類型可分為電阻類，如照明燈和信號燈；電磁線圈類，如繼電器、電磁閥，噴油器；電動機類，如直流電動機、步進電動機等。按控制信號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)是把計算機的離散數(shù)字量輸出變成連續(xù)的模擬量輸出，以控制執(zhí)行機構(gòu)。圖2-4是一個多輸出的模擬量輸出通道，一個通道使用一個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)是將單片機的I/O接口輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成執(zhí)行機構(gòu)（如繼電器、電磁閥、步進電機等）需要的脈沖信號。數(shù)字量輸出通道有以下三種形式：（1）由單片機的輸出口直接控制執(zhí)行機構(gòu)。（2）通過半導體開關(guān)管控制執(zhí)行機構(gòu)。（3）通過繼電器控制執(zhí)行機構(gòu)。數(shù)字量輸出通道的終末負載常常是繼電器、電磁閥的電磁線圈和步進電機的電磁線圈，它們與單片機中間需要放大、隔離和驅(qū)動電路。

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。單片機根據(jù)空氣流量傳感器的傳入信號，計算出進入氣缸中的空氣質(zhì)量，然后按理想空燃比計算出應(yīng)噴的汽油量，使汽油的混合氣體達到最佳燃燒。噴油器是一個典型的小型電磁閥，通電時線圈產(chǎn)生磁力，吸引閥針向上開閥，汽油在一定壓力下，噴射入氣缸；斷電時閥針在復位彈簧的作用下，向下關(guān)閥。在油壓和噴油器噴孔一定的條件下，控制噴油時間就可控制噴油量。202024/5/6單片機輸出的噴油脈沖，經(jīng)放大器放大，驅(qū)動光電隔離器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轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)三極管VT1放大，驅(qū)動大功率三極管VT2導通接地，噴油器電磁線圈通電開閥，達到控制噴油的目的。精確控制噴油脈沖的脈沖寬度（例如某種發(fā)動機的噴油脈寬可在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ECU的電源電路一般有兩路。一路來自點火開關(guān)控制的主繼電器，它是ECU的主電源。打開點火開關(guān)后，主繼電器觸點閉合，電源送入ECU內(nèi)部的處理電路，使ECU進入工作狀態(tài)；關(guān)閉點火開關(guān)后，主繼電器觸點斷開，ECU的工作電源被切斷從而停止工作。另一路直接來自蓄電池，直接接單片機的備用電源引腳（MCS-51單片機的VPD引腳），在點火開關(guān)關(guān)閉及發(fā)動機熄火后，該電路仍然保持蓄電池電壓，使單片機的故障自診斷電路所測得的故障碼及其他有關(guān)數(shù)據(jù)可長期保存在單片機的存儲器內(nèi)，為故障檢修提供依據(jù)，該電路稱為ECU的備用電源電路。除此之外，對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ECU工作在較為復雜的震動、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ECU需要很高的可靠性和對環(huán)境的耐久性。

1．能適應(yīng)較大的電源電壓波動以12V電源為例，正常的電源電壓波動范圍為10～15V，發(fā)動機低溫啟動時，蓄電池電壓可降至約為6-8V，啟動完成后，發(fā)電機開始發(fā)電，在很短的時間內(nèi)，電源電壓就會升高超過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)在短時間內(nèi)產(chǎn)生的較高的脈沖電壓。較大的電感性負載，在電流通斷的瞬間都能產(chǎn)生很高的自感電動勢，有的可達幾百伏。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電磁設(shè)備對ECU的干擾，一般都是以脈沖的形式進入的，抗干擾措施主要有以下幾點：（1）消除電源電壓波動干擾。采用穩(wěn)壓電源使汽車電源經(jīng)過穩(wěn)壓后再送給ECU；可在直流穩(wěn)壓器的進、出端連接濾波器，以減小浪涌電壓的干擾。242024/5/6（2）消除過程通道和空間干擾。過程通道是指單片機與傳感器及執(zhí)行機構(gòu)之間進行信息傳輸?shù)穆窂?，其干擾因素是傳輸線路長，積累干擾量大。可采用光電隔離器、雙絞線、同軸電纜、光纖等傳輸方式消除干擾。同時要對干擾源進行屏蔽，減小干擾源對外電磁輻射。（3）消除接地系統(tǒng)干擾。接地系統(tǒng)干擾主要是由于多點接地，使得兩接地點的電位不為零，這個電位差對電路的輸入輸出電壓產(chǎn)生干擾。對于汽車以金屬車身為負極和地線的情況，預防措施可采用：與車身連接的接地點一定要連接可靠；重要的地線可以用銅線作專用地線；大電流和弱信號電路的地線分開走線。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這種方法得到完全解決。為彌補硬件抗干擾的不足，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汽車緩慢變化的信號時，如果某時刻只把一次采集到的數(shù)據(jù)作為該參數(shù)的真實數(shù)據(jù)，往往會由于某種偶然因素使數(shù)據(jù)失真，造成誤差或錯誤。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，通過編程判別采樣值是否超出正常值的范圍來判斷是否是干擾值。262024/5/6（2）程序運行失常的抗干擾措施系統(tǒng)受到干擾后，致使程序計數(shù)器的值改變，導致程序運行失常，對此可采取以下措施及時引導系統(tǒng)恢復原始狀態(tài)：①啟動監(jiān)視定時器。監(jiān)視定時器是一個計數(shù)器，啟動后，會根據(jù)ECU內(nèi)部的時鐘信號自動計數(shù)，當計數(shù)器溢出時，系統(tǒng)即進入強制復位，并重新初始化。②設(shè)置軟件陷阱。當程序指針失控時，程序跑飛，有時會進入各種非程序區(qū)，造成嚴重的后果。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)復位指令，這樣一旦程序跑飛進入非程序區(qū)，就可以立即迫使程序進入初始狀態(tài)。272024/5/6八、ECU的可靠性設(shè)計汽車電子控制單元在總體設(shè)計時應(yīng)著重考慮以下幾個方面：（1）盡量用軟件代替硬件。系統(tǒng)中的任何硬件都有失效問題，硬件電路越復雜可靠性越差，而軟件易于修改且處理速度快。（2）盡可能采用定型的標準化單元電路。因為定型的標準化電路