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電子控制器幫助提升發動機性能

發布日期:[2019-06-11]     點擊率:

汽車行業對節能減排的力度在不斷加強,這也使發動機控制架構發生了較大的變化。微控制器主頻并沒有提高多少,但是內存卻急劇增加,部分原因是發動機采用了越來越多的傳感器,而搜集這些數據則需要足夠的內存來處理。

在電池技術進一步發展,從而使電動動力系統可行之前,內燃機的工作效率還將進一步提升。為了做到這一點,電子控制系統將發揮重要作用——負責“監測”并管理發動機工作中各種狀態和瞬息萬變的事件。

“在駕駛員操控時,你要能夠預測出發動機的轉速是多少,然后確定燃油和點火策略,”飛思卡爾半導體微控制器產品經理Tony Veri說道?!霸陬A測出什么時候點火后,你還需要進行每缸每秒36,000次模擬到數字的轉換。在監測發動機轉速時,這些一定要進行?!?

無論何時,只要這些控制策略中有一個參數發生變化,發動機的整體性能都會受到一定的影響。因此這也需要發動機設計師在產品開發時好好思考如何實現硬件的重復使用,這樣可以盡量減少對設計變更的處理。

“發動機系統已經非常復雜了,而且很難再進行簡化,”通用汽車全球動力總成電子工程經理Alberto Pisoni說道?!霸谶M行控制元件設計時,我們會確定可以重復使用的基塊。我們在軟件開發時也是這么做的?!?

芯片的發展

今天發動機上采用的微控制器技術的發展可謂一日千里。微處理器內核在主頻沒有提高太多的情況下處理能力了較大的提升,這樣可以保持較低的能耗和工作溫度。此外,內存的不斷提升也帶來了許多變化。

RAM和閃存的大小都在增加,這樣程序員和控制工程師就可以更快地處理計算任務。閃存用于存儲程序,所需的空間需要更大,而控制器更多地負責功能的實現。程序員越來越注重可以提供更高性能和準確性的技術,因此RAM也在不斷增加。

雖然RAM越來越重要,但是今天微控制器芯片空間大部分都分配給了非易失性存儲。隨著傳感器數量的不斷增加及實時處理速度的不斷提高,閃存的需求也在持續升高。

“發動機控制器通常有2-8兆的閃存存儲空間,比以往大了很多,容量也高很多,”瑞薩電子美國公司市場經理Amrit Vivekanand說道?!霸诮酉聛韼啄昀?,256kb的RAM會很常見?!?

雖然控制器的主頻不會增加多少,但是整個處理能力會持續升高。這是因為發動機控制工程師越來越多地開始采用多核處理器。核心頻率可以保持不變,但是隨著內核數量的增加,處理能力也會提高,只不過能耗不會升高很多,因為能耗通常會隨著主頻的增加而升高。

“我們都開始采用四核處理器了,這也是可以滿足客戶需求的方式,”飛思卡爾的Veri說道?!拔覀冇锌畎l動機控制器目前可以達到客戶的標準。但是我們新推出來的多核芯片可以超過其兩倍之多,但是其每個內核的工作主頻反而更低?!?

其他供應商也認同,用戶今天都不再將主頻作為評判微處理器好壞的主要標準了。微控制器的選擇標準在于它們處理當前任務的能力,而這通常需要專用的內核以及外圍設備。

“雙核芯片的主頻為300MHz,但是芯片的延遲時間相對吞吐量來說更重要。在任務較多時你需要的是驟然提升的處理能力,”Vivekanand說道?!霸S多處理器采用DSP內核,可以滿足動力總成系統的要求,比如快速傅立葉變換?!?

保持簡單

隨著零部件及系統變得越來越復雜,工程師們也在尋求可以簡化他們工作的方法。其中一個方法就是通過標準來為一些基本的功能(如接口)提供常用的方法。而對發動機控制帶來較大影響的一個標準就是汽車開放系統架構(AUTOSAR)。

“AUTOSAR大大降低了系統的復雜性,”通用公司的Pisoni說道?!癆UTOSAR還可以讓我們采用多核處理器——在不增加電磁耦合的情況下我們需要提高其性能。該標準可以讓我們將軟件分配給不同的內核?!?

他還透露通用公司正在開始簡化電路板的設計。工程師目前采用的是專用集成電路(ASIC),而實現的功能卻無法通過專用的標準微控制器或控制器來完成。如果將專用集成電路用于基本功能的實現,可以通過將大量被動元器件整合到專用集成電路中的方式來降低電路板的復雜性和占用的空間。

“通過具有一定可編程的專用集成電路,我們可以開發出類似直噴這樣的系統,不僅可以用于汽油機和柴油機,還可以用于不同排量的發動機,”Pisoni說道?!安捎脤S眉娐返脑?,我們可以加入許多電阻和電容,而這節省了大量的空間,也就意味著節省了大量的成本?!?

縮減的概念

傳感器的設計也在簡化。今天許多傳感器都是安置在電路板上,用相當復雜的封裝技術保護起來。而這種方式也在發生快速的變化。

Melexis微電子系統公司不久前推出了一款用于EGR(廢氣再循環)閥門定位的線性和角度位置傳感器以及電子節氣門傳感器。前者采用了一種雙模具封裝技術,可以直接焊接在加固型連接器上,省去了電路板的使用。

“通過這種方式可以避免伴隨PCB板常出現的系統易損性,因為PCB板常常暴露在高溫或高振動的環境中。如果可以將元器件和錫焊接頭的數量減少兩倍,系統出現故障的風險就會大大的降低,”Melexis公司傳感器市場經理Vincent Hiligsmann說道。

提高傳感器的性能和可靠性對發動機開發人員來說是一個非常關鍵的要求。隨著速度的不斷提升,從不同源頭快速獲取準確的數據也就顯得非常重要。工程師們也在不斷增加傳感器的數量。

“雙頂置凸輪軸發動機可能需要在每個凸輪軸上各放置一個傳感器,然后曲軸上再有一個傳感器,”英飛凌北美公司磁學部門經理James Sterling說道?!坝腥さ氖?,隨著對效率的追求逐漸使汽缸的數量不斷減少,傳感器的數量也在減少,雖然對精度的要求在不斷提高?!?

發動機上傳感器數量的減少不僅僅是因為從六缸到四缸這樣的轉變。工程師們也在想盡各種辦法可以讓他們僅從兩到三個傳感器上獲取信息,而以往這些信息可能還需要其他類型的傳感器。這種傳感器已經成為新的發展趨勢,盡管實際應用中并不總是盡如人意。

“只要有可能,我們就會盡量可以采用更少的傳感器,”Pisoni說道?!坝袝r候因為診斷所需,實現這一點并不容易。比如在美國就有多個在診斷方面的法規?!?

1、 電子系統監控著發動機的復雜工況。
2、 飛思卡爾半導體微控制器的內存大小以較快的速度在增加。
3、 Melexis傳感器摒棄了印刷電路板的使用,這樣不僅大大降低了整體封裝尺寸,還提高了產品的可靠性。
4、 通用汽車公司采用專用集成電路板來簡化電路板的設計,摒棄了許多被動元件的使用。

數字傳感器連接方式登上舞臺,FlexRay或淡出

隨著發動機的轉速在更的控制下愈來愈高,通信逐漸成為系統設計中愈加關鍵的一環。傳感器通信已經獲得了巨大的提升,芯片制造商預計動力總成系統下一代連接方式將會發生新的變革。

發動機控制連接方面大的改變當屬數字接口的應用,其將微控制器與提供真實世界信息的傳感器連接起來。開發人員開始選用串行通信,來替代用于連接傳感器的分立式布線方式。

數字信令可以提高通信的速度,減少布線同時還為雙向通信開啟了大門。一些新的通信協議逐漸應用到發動機機艙系統內。

“外設傳感器接口5(PSI5)以及SPC協議都允許雙向通信。你可以在節氣門、油門踏板以及閥門傳感器面向MCU的通信中看到這些協議的應用,”英飛凌北美公司磁學經理James Sterling說道?!皵底中帕羁梢詭椭鉀Q噪音和電磁兼容性(EMC)問題,因為數字接口要比電壓輸出更容易被理解。你還可以在面向MCU的單通道通信中設置幾個傳感器,這樣可以為其他功能保留一些針腳,從而降低系統的成本?!?

別的通信一般由CAN(控制器局域網)協議來解決。多年來,許多開發人員一直認為FlexRay會成為下一代高性能通信協議。不過,FlexRay的復雜性降低了系統工作的效率,從而為以太網開啟了應用的大門。

以太網已經在工業應用領域證明了這項技術的可靠性,已經廣泛應用于家庭和辦公室環境中。越來越多的汽車供應商開始認為這項技術會更為廣泛的應用。

“我們已經感受到了以太網的發展勢頭,”瑞薩電子北美公司細分市場經理Amrit Vivekanand說道?!翱赡茉诙唐趦冗@項技術還不會成為主流的通信方式,但是越來越多的人開始采用以太網來簡化檢測工作。我們預計在接下來五年左右的時間里,相對FlexRay來說,以太網會獲得更進一步的發展?!?end)

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