浅析电喷ECU的控制策略
现代汽车的汽油发动机所广泛采用的电喷系统，是一个拥有各种传感器和执行器的多输入多输出复杂的电子控制系统。而作为系统控制核心的电喷ECU，除了要具备喷射、点火、排放、怠速、爆震这些基本的控制之外，还必须要能进行自我诊断，具有跛行能力……要在ECU上实现上述的功能，系统的策略的可靠的控制是重中之重的。
ECU的主体控制策略
电喷发动机的动力输出，必须满足日益苛刻的排放法规和燃油经济性的要求，同时各种污染物的排出量、燃料的消耗量也是由发动机运行时的状态诸如发动机转速、负荷等因素决定的。所以ECU对各个独立功能的控制，必须建立在对各种状态、基本参数的综合判断及精确处理上。
图1 BOSCH Motronic ECU 主程序流程
如图1 BOSCH公司的Motronic电喷系统ECU的主控流程所示，系统对起动、怠速、加速和减速几个工控做出独立的处理。每个工况的处理，一般包括喷油控制和点火控制，而对于二者的传统控制都是分别基于不同状态下的得到的特征图（Map脉谱图）实现的。当节气门全闭、有起动信号、转速和发动机温度低于一定值，系统处于冷起动工况，相应的处理是：喷油量随着起动后转速的提高而减少，点火提前角随着温度的升高而提高；冷起动后，转速介于起动转速和怠速转速之间，冷却液温度低于正常温度，系统处于起动后暖机工况，相应的处理：喷油量借助与转速、负荷相关的暖机系数，依据发动机温度进行加浓，点
火提前角参照温度前移；节气门开度变化，系统判断发动机负荷变化，处于加速或者减速工况，加速时喷油量以输出最大扭矩为目的进行加速加浓的处理，减速时喷油量进行减速减油的处理，点火提前角在负荷交变时为避免爆震而相应变化；正常行驶时，系统根据理论空燃比和氧传感器的反馈设定经济低污染下的喷油量，点火提前角根据冷却液温度做出相应的变动；当节气门关闭，发动机转速接近怠速转速设定值时，系统判断处于怠速工况，此时不仅要进行怠速加浓，还要进行怠速旁通阀门的调节，驱动电机达到相应的开度，点火提前角根据燃油效率和排放要求予以优化。
笔者曾经在《打造整车电子研发和测试的平台》中指出，我们除了要考核电子控制单元活干得好不好之外，还要关注活干得快不快，即要对一块ECU的工作效率和工作速度进行双重的检测。尤其是对电喷ECU这样不少控制动作必须以毫秒甚至微秒记的控制系统，其采样、决策、控制的时间和时序也是必须要考虑的。如图2所示的Motronic ECU的控制顺序流程，主程序的运行周期是10ms，每个循环周期内完成一次各种信号的采集处理、所处工况的判断、故障诊断和基本喷油量的计算；每隔180度的曲轴转角，计算并输出点火提前角的控制信号；每隔360度曲轴转角，进行喷油量的修正计算并输出控制信号；其他的计算和控制指的怠速电机的驱动等一些对时间要求相对宽裕的控制。
图2 Motronic ECU 控制顺序流程
由此可见曲轴位置在ECU的主控流程中，是一个重要的标志性的信号。因为曲轴位置信号的触发轮的外圈加工了60-2个齿轮，姜卓在《汽油机新型ECU的硬件设计与喷油策略研究》一文中就把这种标志位控制顺序称作58X逻辑。其主要内容是：在每一个主程序执行周期之内执行一次各种信号采集处理、计算喷油脉宽、点火提前角和闭合角、怠速控制PWM占空比的所谓背景逻辑；当指定的齿轮通过传感器时则执行相应的事件。58X逻辑中的程序事件包括，参考事件、起动事件、预点火事件、点火事件、燃油事件和同
步事件等。其中同步事件能在确定齿后中断所有的输入输出中断，并赋予脉冲计数器最高的优先级，从而完成曲轴位置精确到度的计算和控制。 喷油和点火控制策略
ECU在喷油控制上采用开环和闭环两种方式，传统开环控制的喷油量是由ECU根据喷油脉宽的Map图，经适当修正以后得到的。Map图是一个经过事先测试优化的多维数据表，保存在电控系统的存储单元，随用随取，省去了处理器的大量运算时间。在电喷系统的控制程序中，差不多每个待控的参数都需要相应的Map图，例如上面提到的喷油脉宽、点火提前角、点火闭合角、暖机加浓因子、加速加浓因子Map图等。而且，仅就喷油脉宽来说，在起动、暖机、怠速、加速、减速等不同工况下的Map图又都是不同的，所以能否准确的获取到这些大量的数据是控制成败的关键。同样获取数据的庞杂过程也是电喷ECU研发中一个费时费力费钱的重要阶段。工欲善其事必先利其器，在这个匹配标定的阶段，拥有完备的测试工具往往能够起到事半功倍的效果。每一个电喷系统的生产商，都有自身独特的匹配标定工具，比如说BOSCH公司的VS100。但正是这些工具的专业性和特殊性，使得我们在实际的工作中会遇到很多的问题，例如如何利用BOSCH公司的工具，得到CDI引擎（电容放电式点火系统）的特性Map图呢？
笔者在《打造整车电子研发和测试的平台》中，也谈及了这些专用的ATE（自动测试设备）的局限性，并建议整车级别的研发单位，必须要拥有可随意扩展自由度更强的在线模拟和在线测试设备。不论是DSPACE还是LABWINDOWS，都是不错的选择，甚至是更廉价的数据采集卡架构的系统也能够完成此任。下文中所有的特征Map图和输出特性比较图，都是用LABVIEW结合ADVANTECH（研华）采集卡的测试系统制取的，详见林雍杰的《电子喷射机车引擎省油低污染及高性能动力特征ECU Map之建立》。
图3 省油、低排放的喷油脉宽Map图
图4 点火修正后喷油脉宽Map图
当发动机进入稳定运行或者怠速状态后，ECU喷油控制进入闭环控制方式，即空燃比的反馈控制。采用氧传感器的反馈控制策略主要是为了调解喷油量使之接近接近理论空燃比，促使三元催化器对污染物的转换效率最高，从而达到降低排放的效果。传统的闭环控制模型是如图5所示的PI比例积分模型，系统实际喷油量是相当于理论空燃比的喷油量和反馈补偿喷油量的和，其中反馈补偿喷油量是由比例修正补偿和积分修正补偿两部分组成的。PI反馈控制简便易行，所以被现行ECU所广泛采用。但是此种控制并不是一个非线性动态的控制，在实际的应用中，因为空气流量传感器延时、管壁沉积等问题的存在，显得并非那么有效。目前已经发展出了很多基于现代控制理论的非线性动态控制策略，诸如模糊自适应控制、神经网络控制等等，此处限于篇幅，不加详述。
图5 PI比例积分空燃比反馈控制
一般的点火控制策略包括点火提前角控制、接通角控制和爆震控制，在Motronic电喷系统中，点火提前角的控制方式分为起动时和起动后两种。起动时点火提前角设为一定值，起动后的点火提前角则是初始点火提前角、基本点火提前角和修正点火提前角的和。初始点火提前角也设为一定值，基本点火提前角被保存为Map图，修正点火提前角则分别由暖机修正、怠速修正、过热修正等组成，即根据除发动机负荷、转速之外的一些参数变化完成对点火提前角的修正。对于点火线圈这样的储能元件来说，储能的时间也是要严
格控制的。点火系统控制的依据转速得出的接通角，则是对这段时间的直接控制。结合了爆震传感器，整个点火控制也构成了一个闭环系统。系统中实际点火提前角即便在修正之后也是不断变动的，如果没有发生爆震，点火提前角进行1度的递增直至达到最大点火提前角（35—40度）；如果发生爆震，点火提前角则会进行2度以上的递减直至爆震消失；如果在提前角的恢复期间再次出现爆震，则读取此工况的基本点火提前角，推迟点火。
图6 CDI发动机的点火提前角Map图