飞思卡尔简化电控系统设计 提速节能高效革命

2012-08-17 16:11:22来源: EEWORLD

据统计,全世界半数左右的能源消耗在各种马达驱动的设备中,引擎作为这些设备的核心,在全球性节能环保的大趋势下,成为提升与改善能效最受关注的部分。现代的引擎再不是一个刻板的系统,而是能利用执行器与电机根据不同驾驶情况的需要够提供广泛的动态调整,进而优化引擎燃烧效率。改善驱动设备能效的关键是通过更出色的引擎控制提升引擎效率,半导体技术在其中扮演的角色不容忽视。

电子技术出现在引擎管理是最近几十年里是引擎发展中最核心的主题,电子引擎控制的优势是省油、废气污染少、加速快和马力更大。如同减排制度一样,在20世纪80年代,燃油经济性和环境方面的问题掀起了为小轿车和卡车制造电子引擎控制系统的第一波浪潮,小型内燃机市场也将遇到同样的情况。

随着电子技术的不断前进,电子系统改变了传统引擎的诸多观念,小型引擎市场正在从机械点火、化油器系统转向更加清洁高效的电子点火控制与电子燃油喷射(EFI)系统。电子引擎控制包括了进气系统、燃料系统、点火系统、计算机控制系统、故障诊断系统、引擎故障救援系统等复杂的电子单元。不过,引擎制造商现已能够减少组件数量,设计出能够精准控制引擎事件的更加小巧高效的引擎,从而提高可预测性、可靠性和燃油效率,帮助减少污染。一个典型的例子是,以往,传统的两冲程发动机中的30~40%的燃油没有燃烧就直接排放到废气中;通过电子燃油喷射可以减少大约75%的一氧化碳排放和大约90%的碳氢化物排放,与此同时,燃油使用也可以减少35%。节能减排的效果可以说是立竿见影。

电控与引擎控制

引擎控制模块(ECM,Engine Control Module) 是整个引擎系统的灵魂,控制整个引擎的运转。控制引擎系统需要许多感应器接收并传递引擎运转信息,控制引擎运转的信息很多,包括进气温度传感器、油门开度传感器、歧管压力传感器、水温传感器、曲轴角度传感器、爆震传感器、氧传感器等,传感器将搜集到的引擎各种状态信息送至ECU作运算,这些引擎运转信息经过运算后,会由ECU对各个执行器发出控制讯号来控制执行器的动作,最主要的目的就是要计算并控制引擎的最佳喷油量及点火时机,以实现引擎工作效率尽可能高,从而达到节能减排的作用。

现代引擎控制系统需求量大,应用于各个领域,使用面广,随着城市交通问题和节能减排问题的深入,车辆小型化与自动化机械对小型化引擎的需求量不断提升,小型引擎需要比传统引擎更多的技术要求,包括效率,噪声,尺寸等。在电驱动设备一些固有问题(耐久性与易用性)依然无法解决,以及新的燃料系统正在逐渐引入的前提下,一些微型车辆或者小型车辆上的高效小引擎,依然具有广阔的市场空间。与此同时,工业自动化特别是一些现场应用的机动设备市场依然在不断成长,这部分对引擎控制系统的高效与小型化需求更为严格。面向21世纪,满足与地球环境共存、与小型引擎结合要求的“全优的引擎控制”将得到更加快速的发展,技术发展的势为:① 节能和智能化;② 微、轻、薄和高速化;③驱动、控制电路集成化和专用化;④ 低噪音、低振动、低干扰;⑤ 新结构、新原理产品开发。


 
电子引擎控制系统是以微控制器、微处理器或者DSP/DSC产品为核心,这部分系统的改善,主要目的是通过分析传感器采集的数据,优化算法并有效控制引擎工作状态,进而能够提升引擎的工作效率,实现节能任务。MM912xP812是飞思卡尔面向摩托车及其他小引擎内燃机(单双缸)喷油电控开发的一款专用芯片,通过成熟的系统集成封装(SiP)技术,集成了主流汽车级16位微控制器S12P以及点火喷油控制芯片MC33812于一体。点火喷油控制芯片MC33812包含以下主要功能单元,他们是3个低边驱动,一个预驱动,5V电压调节器,看门狗电路,ISO9141 K线接口电路,MCU并行接口电路。低边驱动电路主要用来驱动喷油嘴,故障指示灯,继电器或者另外一个喷油嘴、油泵。而预驱动电路则可以用来驱动IGBT或者达林顿电路,进而驱动点火线圈

模拟集成新挑战

随着微控制器和微处理器等产品性能的提升与控制算法的完善,单纯提升这部分效率已经无法满足越来越严格的能效要求。

随着对低能耗、高安全性、高可靠性连接和精确控制的需求不断提升,工厂自动化的工业驱动日趋复杂,需要尖端技术的支持。马达控制系统涉及的元器件包括广泛系列的模拟产品、数字控制器和软件,能够精确地控制机械驱动的位置、速度以及扭矩。高效引擎控制需要搜集的信息越来越多,加入的传感器也越来越多,模拟部分逐渐成为未来竞争的新焦点。这部分涉及的产品和技术很多,包括放大器,数据转换器,隔离产品,温度传感器,接口和电源管理等。这更需要元器件企业拥有高度稳健的工艺技术和超长的产品生命周期策略,能够充分满足客户对可靠性和持续供应的严格要求。

在减排、全球性的环保呼吁以及提高能效等因素的作用下,小型引擎制造商在部署电子引擎控制系统方面遇到了难题,包括面向电动自行车、小型摩托车和动力设备的电喷控制(EFI)、电控化油器(e-Carb)及电子点火系统等。特别是对模拟与电源管理技术而言,对整个控制系统的影响非常重要,现在的解决方案基本上都依赖单独的低功能芯片或者分立器件组合,传统的方案无法适应最新的高效、小型化与节能的小型引擎的设计需求。更主要的是,因为模拟IC的尺寸不统一及相对较大,复杂的模拟设计方案会让引擎控制系统的设计缺乏足够的灵活性,若一味压缩尺寸则易造成电子系统部分可靠性的损失,因此高集成度的模拟整体方案不仅可以缩小电路部分的尺寸,还能最大限度提升设计的灵活性以及可靠性,最大限度增加产品的市场竞争力。

模拟半导体产品在引擎中的可靠性问题,可以通过这样的案例说明,为了提高引擎的精密程度,传感器和功率管理器件就得贴近引擎。由于应用环境是在引擎罩中,内燃引擎会因为运行而变得非常热,同时也会振动得很厉害,所以和引擎相关的半导体器件必须非常耐用。在这样的情况下,模拟器件要长期保持精度和可靠,实属不易,必须专门开发。在高质量的同时,低成本则是制约半导体产品在汽车中应用的另一个因素,小型引擎需要半导体产品来提升效率,但同样也需要尽可能低的成本来确保整个系统没有太高的附加成本,以赢得市场的订单,所以,模拟部分的集成度和开发灵活性就同样至关重要。

飞思卡尔半导体为此专门推出面向运输、工业及消费品行业小型内燃机的单缸(MC33813)和双缸(MC33814)电子控制芯片。这些用于控制小型引擎的模拟集成电路将能够降低设计复杂性及物料和制造成本,同时帮助客户加快新产品的上市速度。IC完善并扩展了飞思卡尔的摩托车引擎控制单元 (ECU)整个平台,保留了MC9S12微控制器,但进一步提升了集成和改进的诊断功能。新的方案全面考虑到提供采用50-250 cc引擎的摩托车、踏板车及电动自行车的1级引擎ECU供应商的需求。

MC33813和MC33814的目标应用中都包括摩托车、轻型摩托车、踏板车和三轮摩托出租车使用的单缸和双缸汽油发动机。此外,上述器件也适用于大量户外动力设备采用的小型引擎,如割草机、园艺拖拉机、切割机、刨边机、链锯、除雪机和吹叶机、土地耕整机、发电机及舷外引擎等。

MC33813是面向单缸摩托车及其他小型引擎应用的引擎控制模拟电源IC。它由5个集成低边驱动器及2个预驱动器组成。MC33814主要面向采用双缸引擎应用。它由6个集成低边驱动器及3个预驱动器组成。这两款IC中都包括1条可变磁阻传感器(VRS)输入电路、1个使用外部晶体管的电压预调器、以及2个5伏调压器(一个用于MCU VCC供电,另一个用于保护传感器供电)。 此外,这两款IC中还包括带看门狗的1条MCU重置控制电路、面向诊断通信的1个ISO 9141 K-Line接口以及1个SPI接口。 低端驱动器最多可驱动2个燃油喷射器、1个灯泡以及2个继电器或其他负荷,如燃油泵及转速计。 预驱动器能够驱动IGBT或MOSFET晶体管,以便控制点火线圈及HEGO加热器。


 

关键字:飞思卡尔

编辑:eric 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2012/0817/article_5844.html
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