MC33810在四缸汽油機(jī)噴油與點(diǎn)火系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝春華，戴 華

（湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430070）

在汽油機(jī)噴油與點(diǎn)火控制系統(tǒng)中，通常用大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管及其輔助電路來(lái)產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴油器和火花塞的驅(qū)動(dòng)。然而，對(duì)于四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，就必須分別有4個(gè)噴油器和火花塞驅(qū)動(dòng)電路與之對(duì)應(yīng)。這樣，驅(qū)動(dòng)電路體積較大，穩(wěn)定性相對(duì)較差，結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。MC33810是Freescale公司推出的一款四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)專用噴油和點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)集成芯片，該芯片具有體積小、重量輕、集成度高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)[1]。

1 結(jié)構(gòu)原理

MC33810芯片內(nèi)部具有電源供電模塊、電源復(fù)位模塊、SPI串行輸入輸出接口模塊、并行控制輸入模塊、脈寬調(diào)制控制模塊、標(biāo)準(zhǔn)/最大線圈電流比較模塊、點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間比較模塊、噴油器驅(qū)動(dòng)模塊和點(diǎn)火門控預(yù)驅(qū)動(dòng)模塊，能夠與汽油機(jī)ECU進(jìn)行SPI通信，接受ECU的并行控制，實(shí)現(xiàn)噴油與點(diǎn)火功能，同時(shí)能對(duì)點(diǎn)火電流和點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間進(jìn)行反饋，防止損傷點(diǎn)火線圈,其內(nèi)部電路具有過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)功能[2]。

2 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

2.1 ECU電源管理電路設(shè)計(jì)

MC33394是一款高性能的電源管理芯片，外部電源供電在+4 V～+26.5 V之間，非常適合給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU供電。其內(nèi)部包含+5 V/+3.3 V/+2.6 V電壓調(diào)節(jié)器模塊，可直接輸出+5 V、+3.3 V和+2.6 V三種電壓。其應(yīng)用電路如圖1所示。

電池由外部電源供電，汽車上一般為+12 V～+14 V之間。VPRE口輸出電壓為+5.6 V，VDDH口輸出供電+5 V@100 mA，VPRE1、VPRE2和 VPRE3口輸出供電+5 V@100 mA。VPP口可輸出供電+5 V@150 mA或+3.3 V@150 mA，可對(duì)外部Flash ROM進(jìn)行供電。VDD3_3口外接三極管，可形成+3.3 V@120 mA的供電能力。VDDL口外接2個(gè)三極管，形成+2.6 V@40 mA的供電能力[3]。因此，MC33394能完全滿足MPC564的電源管理及供電要求。

2.2 ECU系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

以MPC564為核心的ECU系統(tǒng)電路包括：電源供電電路、復(fù)位電路和晶振振蕩電路。電源供電電路主要由MC33394提供+5 V和+2.6 V電壓給 MPC564，MPC564的電源接口有：VDDH1～VDDH8， 接+5 V電源；VDD1～VDD13、QVDDL1～QVDDL15， 接+2.6 V 電 源 ；GND1～GND105，接地。復(fù)位電路接口有：電源復(fù)位 PORESET、硬件復(fù)位HRESET和軟件復(fù)位SRESET。由于它們都是低電平有效，所以采用傳統(tǒng)的電阻電容復(fù)位電路。晶振振蕩電路由晶振、電阻和電容組成。外部晶振選擇4 MHz、晶振反饋調(diào)節(jié)電阻選擇 10 MΩ、電容選擇22 pF，則PLL鎖相環(huán)電路可產(chǎn)生40 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘和20 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘[4]。其系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.3 MC33810接口電路設(shè)計(jì)

MC33810芯片外部具有：一個(gè)串行輸入輸出口(SPI)，4 個(gè)驅(qū)動(dòng)輸入口(DIN0～DIN3)、4 個(gè)輸出口(OUT0～OUT3)，4個(gè)門控預(yù)驅(qū)動(dòng)輸入（GIN0～GIN3）、輸出口（GD0～GD3），4個(gè)反饋電壓檢測(cè)輸入口（FB0～FB3），一個(gè)點(diǎn)火線圈最大電流輸出標(biāo)志位（MAXI），一個(gè)點(diǎn)火線圈標(biāo)準(zhǔn)電流輸出標(biāo)志位（NOMI），一個(gè)電阻感應(yīng)正極端口（RSP）和一個(gè)電阻感應(yīng)負(fù)極端口（RSN）[2]。串行輸入輸出口主要用于發(fā)送和接收ECU的控制命令，可以直接與MPC564的SPI口直接相連。驅(qū)動(dòng)輸入、輸出口主要用于控制噴油器的開啟和關(guān)閉，輸入口與MPC564的普通I/O口相連，輸出口與噴油器相連。門控預(yù)驅(qū)動(dòng)輸入、輸出口主要用于控制功率管的開啟和關(guān)閉，從而控制火花塞的點(diǎn)火，因此輸入口仍然接MPC564的普通I/O口，而輸出口控制功率管的基極。這樣，噴油和點(diǎn)火控制指令既可以通過(guò)ECU發(fā)出SPI指令控制，也可以通過(guò)并行口直接控制。反饋電壓檢測(cè)口主要用于監(jiān)控點(diǎn)火時(shí)功率管的集電極端電壓，由兩個(gè)電阻進(jìn)行分壓，阻值比例約為 9:1（可選擇 36 kΩ和4.02 kΩ）。點(diǎn)火線圈最大電流輸出標(biāo)志位主要用于給ECU提供點(diǎn)火線圈最大電流輸出信號(hào)參考標(biāo)志。點(diǎn)火線圈標(biāo)準(zhǔn)電流輸出標(biāo)志位主要用于給ECU提供點(diǎn)火線圈標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)參考標(biāo)志，防止點(diǎn)火線圈因電流過(guò)大而損傷，因此可直接與MPC564的普通I/O口相連。電阻感應(yīng)正極端口和電阻感應(yīng)負(fù)極端口主要用于感應(yīng)通過(guò)其兩端的電阻電流的大小，這里放大倍數(shù)選擇1倍，電阻選擇 0.04 Ω，如圖 3所示。

3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

3.1 噴油程序設(shè)計(jì)

汽油機(jī)噴油必須確定噴油提前角和噴油量。四缸汽油機(jī)噴油提前角一般是固定的，位于排氣行程上止點(diǎn)前64°，因此可以根據(jù)曲軸位置傳感器發(fā)出的曲軸位置信號(hào)確定[5]。而噴油量通過(guò)噴油器針閥開啟的持續(xù)時(shí)間來(lái)確定，即噴油脈寬。噴油脈寬通過(guò)ECU采集進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、歧管進(jìn)氣空氣溫度、節(jié)氣門位置、蓄電池電壓等信號(hào)的實(shí)際數(shù)據(jù)，再根據(jù)MAP圖來(lái)確定。當(dāng)噴油時(shí)刻到來(lái)時(shí)，ECU通過(guò)SPI口或并行口直接發(fā)出噴油指令，然后開啟定時(shí)器，確定定時(shí)噴油的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)噴油完成后直接關(guān)閉噴油指令。

MC33810內(nèi)部具有過(guò)熱保護(hù)和定時(shí)保護(hù)命令，可通過(guò)ECU對(duì)噴油器進(jìn)行過(guò)熱和噴油時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù)。這里，選擇以SPI口驅(qū)動(dòng)第一缸噴油器為例，使用保護(hù)指令0E10H，噴油指令3001H。噴油程序流程圖如圖4所示。

3.2 點(diǎn)火程序設(shè)計(jì)

汽油機(jī)點(diǎn)火必須確定點(diǎn)火提前角和點(diǎn)火閉合角。點(diǎn)火提前角的大小主要由發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和汽油的辛烷值決定[6]。汽油的辛烷值一定時(shí)，只需通過(guò)試驗(yàn)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門的位置與點(diǎn)火提前角的MAP圖即可。點(diǎn)火閉合角的大小主要由發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火頻率決定，點(diǎn)火頻率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越快。因此，可通過(guò)ECU采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器和節(jié)氣門位置傳感器信號(hào)確定點(diǎn)火提前角和點(diǎn)火閉合角。

MC33810內(nèi)部具有選擇點(diǎn)火閉合角(點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間)、點(diǎn)火電流放大倍數(shù)、點(diǎn)火標(biāo)準(zhǔn)電流、最大電流參數(shù)設(shè)置的功能，能根據(jù)MAP圖選擇合適的點(diǎn)火參數(shù)。這里，以驅(qū)動(dòng)第一缸點(diǎn)火為例，點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間設(shè)置為32 ms，點(diǎn)火模式選擇命令為1000 H，允許多缸點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間重疊，電流放大1倍，則點(diǎn)火命令為49CDH。點(diǎn)火結(jié)束濾波設(shè)置4 μs命令為5001 H。點(diǎn)火標(biāo)準(zhǔn)電流為5.5 A，最大電流為14 A，允許點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間重疊35%，則DAC命令為688AH。點(diǎn)火程序流程圖如圖5所示。

MC33810通過(guò)與MPC564組成噴油及點(diǎn)火控制電路，能實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)直接用MC33810驅(qū)動(dòng)四缸汽油機(jī)的噴油器與點(diǎn)火線圈，省去了復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)電路；

(2)MPC564可根據(jù)實(shí)際需要選擇SPI接口驅(qū)動(dòng)或并口驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式靈活；

圖4 噴油程序流程圖

圖5 點(diǎn)火程序流程圖

(3)MC33810能向MPC564發(fā)出點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電流的反饋監(jiān)控信號(hào)，保護(hù)點(diǎn)火線圈；

(4)MC33810內(nèi)部具有過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)，驅(qū)動(dòng)電路穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。

通過(guò)試驗(yàn)表明，MC33810能在四缸汽油機(jī)中較好地實(shí)現(xiàn)噴油與點(diǎn)火電路的驅(qū)動(dòng)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和良好的使用前景。

[1]飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司.MC33810FS.pdf[EB/OL].[2007-1-1].http://cache.freescale.com/files/analog/doc/fact_sheet/MC33810FS.pdf?fsrch=1&sr=4.

[2]飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司.MC33810.pdf[EB/OL].[2010-7-1].http://cache.freescale.com/files/analog/doc/data_sheet/MC33810.pdf?fsrch=1&sr=1.

[3]飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司.MC33394.pdf[EB/OL].[2002-11-1].http://cache.freescale.com/files/analog/doc/data_sheet/MC33394.pdf?fsrch=1&sr=1.

[4]飛思卡爾半導(dǎo)體有限公司.MPC561RM.pdf[EB/OL].[2005-8-1].http://cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/ref_manual/MPC561RM.pdf?fsrch=1&sr=1.

[5]曹陽(yáng)，陳志恒，譚明生，等.MPC564基本功能開發(fā)及在汽油機(jī)上的應(yīng)用[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008，179（6）：49-52.

[6]蔡保富.汽車點(diǎn)火檢測(cè)系統(tǒng)的智能化研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010：53-59.

[7]王財(cái)壽，陳志恒，景來(lái)軍.基于 MPC564的發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元硬件設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33（11）：54-57.

[8]譚明生，陳志恒，曹陽(yáng).汽油機(jī)開放式電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，185（6）：33-36.

[9]杜慧勇，謝春華，王站成.MC9S12DG128單片機(jī)在頻率測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30（3）：40-42.