柴油发动机电子控制器的制作方法

1.本实用新型涉及一种电子控制器，尤其是涉及一种柴油发动机电子控制器。


背景技术：

2.柴油机控制器是为柴油发动机或柴油机发电机组实现自启动、自动控制、自动保护功能的简易型配套设备。
3.目前国内柴油机控制器主要使用以英飞凌、瑞萨、恩智浦为代表的国外品牌中央处理器单元为基础，结合智能型的驱动芯片，实现了柴油发动机的复杂控制。以国产芯片位架构的柴油机控制器迟迟无法面世，主要存在以下几个方面的技术难点：
4.1)中央处理单元存在差距。包括但不限于主频、资源数量、内存、精度等方面与国外竞品相比存在较大差距；同时在配套支持、调试工具链等软实力方面也存在不足。
5.2)智能喷油专用驱动芯片的瓶颈问题难以解决。目前市场上的柴油机控制器的电控喷油技术方案都使用国外芯片大厂封装的asic预驱芯片，柴油机电控喷油技术中复杂的预喷与后喷的多样化技术难以实现。
6.3)柴油发动机的正时控制无法智能化以及指令化。基于曲轴和凸轮的喷油正时驱动技术有赖于微秒级的精准延时与驱动，但国产车规级中央处理器均没有国外进口的etpu/gtm等协处理器技术，无法便捷地触发与实现精准喷油。此外，国产中央处理器供应商在发动机正时技术方面没有相关经验，导致下游的零部件厂家在芯片选型阶段就先天上存在瓶颈。
7.4)国内没有相关厂家做通用型带破坏性故障保护的高低边驱动、半桥驱动、h桥驱动。柴油发动机控制器因为应用场景问题，可能会出现对地短路、对电源短路、过流等破坏性故障，在设计时就需考虑极端情况下的保护措施。相比与进口的成熟驱动保护芯片，国内mosfet的制造商，没有合适的破坏性故障保护方案，导致在产品选型设计阶段，就有天然的短板，需要额外设计保护电路，这对设计厂商的硬件设计能力提出了更高的要求。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种柴油发动机电子控制器。
9.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
10.根据本实用新型的一个方面，提供了一种柴油发动机电子控制器，包括模拟输入处理电路、数字输入处理电路、频率信号处理电路和can通讯电路，所述的柴油发动机电子控制器还包括中央处理器、高低边驱动电路、喷油器驱动电路和h桥驱动电路；
11.所述的中央处理器的输入端分别与模拟输入处理电路、数字输入处理电路、频率信号处理电路连接；
12.所述的中央处理器的输出端分别与高低边驱动电路、喷油器驱动电路和h桥驱动电路连接；
13.所述的中央处理器的通信端与can通讯电路连接。
14.作为优选的技术方案，所述的高低边驱动电路、喷油器驱动电路和h桥驱动电路的保护电路均可分解为高边驱动保护电路和低边驱动保护电路；
15.所述高边驱动保护电路包括第一电流采样模块和pmos管；
16.所述低边驱动保护电路包括第二电流采样模块和nmos管。
17.作为优选的技术方案，所述的喷油器驱动电路包括：
18.用于柴油机喷油器三段式电流控制的三段式触发脉宽逻辑电路；
19.用于喷油器快速打开的高压电路；
20.用于提供喷油器电流回路的主驱回路。
21.作为优选的技术方案，所述的主驱回路包括第三电流采样模块、流压转换模块和电压比较模块。
22.作为优选的技术方案，所述的喷油器驱动电路与中央处理器中的定时中断模块连接。
23.作为优选的技术方案，所述的h桥驱动电路包括：
24.死区时间硬件可调的高低边控制信号电路；
25.电荷泵电路，用于产生高于供电电压的控制信号以实现h桥驱动电路的高边nmos的g极信号控制；
26.驱动回路。
27.作为优选的技术方案，所述的高低边控制信号电路包括高边死区时间设置电路和低边死区时间设置电路。
28.作为优选的技术方案，所述高边死区时间设置电路分别与中央处理器、电荷泵电路和驱动回路连接，所述低边死区时间设置电路分别与中央处理器和驱动回路连接。
29.作为优选的技术方案，所述的高边死区时间设置电路和低边死区时间设置电路均设有两个，分别用于实现h桥驱动电路的两个半桥驱动回路的控制。
30.作为优选的技术方案，所述的h桥驱动电路与中央处理器的pwm模块连接。
31.与现有技术相比，具有以下优点：
32.1)本实用新型使用国内已经成熟应用多年的基础逻辑电路与驱动芯片，将智能喷油专用驱动芯片的瓶颈解除，在硬件电路上实现自由调节电流挡位与脉宽的能力，从而可以更广泛地适配不同柴油喷油器的能力；
33.2)本实用新型在传统的高集成性的柴油机控制器架构下，使用价格优势更明显、开源程度更高的国产arm架构中央处理器，适用性更高，中央处理器的可选择性更广；
34.3)本实用新型另辟蹊径地使用中央处理器的定时中断加数字输出解决了即使没有etpu/gtm等智能喷油正时的模块，也可以实现微秒级高精度的喷油驱动控制的问题；
35.4)本实用新型的h桥驱动的死区时间范围更广，其死区时间具有硬件可调的特性。增强驱动电路对不同mosfet的适配性，可以更灵活地选择低功耗mosfet；
36.5)本实用新型可靠的保护电路设计因为元器件选型的不同，可以实现不同阈值的破坏性故障的保护，电路设计上更为灵活。
附图说明
37.图1为本实用新型控制器的硬件电路架构与外部信号连接图；
38.图2为本实用新型控制器的喷油驱动原理图；
39.图3为本实用新型控制器的h桥驱动原理图；
40.图4为本实用新型高边mos和低边mos的g极驱动波形；
41.图5为本实用新型保护电路原理图；
42.图6为本实用新型喷油正时与喷油脉宽的控制方法示意图；
43.图1中标号所示：
44.1、模拟输入处理电路，2、数字输入处理电路，3、频率信号处理电路，4、中央处理器，40、通用数字输出接口，41、sram，42、flash，43、模拟输入接口，44、通用数字输入接口，45、rtc计数器，46、pwm模块，5、保护电路，50、高低边驱动电路，51、喷油器驱动电路，52、h桥驱动电路，6、can通讯电路，7、电磁阀继电器，8、喷油器，9、egr阀节气门；
45.图2中标号所示：
46.510、主驱电路，5101、电流采样模块，5102、流压转换模块，5102、电压比较模块，5104、触发器，100、供电电源，101、高压电源；
47.图3中标号所示：
48.520、高边死区时间设置电路，521、低边死区时间设置电路，522、电荷泵电路，523、驱动回路；
49.图5中标号所示：
50.524、低边驱动保护电路，5240、比较器，525、高边驱动保护电路。
具体实施方式
51.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。
52.本实用新型针对现有技术的不足，提出一种主芯片mcu及所有元器件的国产替代率100％的柴油发动机电子控制器，本实用新型立足于具有低功耗和低成本特点的arm内核架构国产中央处理器4，将传感器、执行器、电源、通讯模块、喷油驱动、h桥、高低边驱动集成于一体。同时根据该中央处理器4的特点，在柴油机控制所必需的喷油驱动、h桥驱动、高低边驱动等方面，应用基础的国产车规级逻辑芯片和元器件，用分立电路的方法，实现了驱动和保护，从而实现了使用100％国产芯片构建的柴油发动机电子控制器。
53.如图1所示，本实用新型的控制电路板包括模拟输入处理电路1、数字输入处理电路2、频率信号处理电路3、低压电源模块、升压电源模块、存储模块、can通讯模块、死区时间可调节的h桥驱动电路52、低端输出模块、喷油器驱动电路51、中央处理器4模块。
54.本实用新型是基于arm内核的国产中央处理器4实现的。通过该中央处理器4实现can通讯，模拟信号的采集，数字信号的采集，频率信号的采集。该架构下的中央处理器4在调试工具链上开源，满足柴油机各种场景的测试需求。
55.本实用新型的喷油器驱动电路51可驱动多种不同参数的喷油器8，一个中央处理
器4的数字输出信号的脉宽可以控制多达两种驱动电压，三种驱动电流波形，所述驱动电流大小均可实现软件调节，其中的两段电流脉宽可实现硬件调节。喷油驱动电流调节可以通过修改中央处理器4的pwm信号占空比来实现；喷油驱动的精准延时和脉宽长短可以通过定时中断来调节；喷油驱动的boost脉宽和pk脉宽可以通过修改触发器5104电路的阻容参数调节。具体说明如下，如图6所示，本实用新型中喷油器8驱动控制，基于曲轴与凸轮的频率信号采集，和中央处理器4的不同通道的定时中断功能，可以使中央处理器4控制的数字输出通道在任一时刻/角度实现高低电平的翻转，从而实现喷油脉宽的微秒级控制，该喷油脉宽信号进入两个逻辑控制模块，产生额外的两段喷油脉宽，如图2所示结合主驱回路510中的电流采样模块5101、流压转换模块5102和电压比较模块5103，控制喷油器8正极的两个pmos的通断，从而达到没有etpu/gtm等智能正时技术，也可以实现喷油时刻与喷油脉宽的精准控制的目的。该喷油脉宽主要功能是控制喷油器8负极的nmos通断以及触发高压脉宽和二次电流脉宽，故而能实现3段式电流控制。其所用方法适用于arm内核架构下的所有中央处理器4，可以实现柴油机喷油器8驱动复杂控制中的预喷、主喷和后喷三种功能。
56.本实用新型中h桥驱动电路52支持高达10a的驱动电流，具备驱动电流反馈功能。h桥的驱动控制，通过中央处理器4的pwm信号，经过电阻电容的迟滞参数，产生h桥高边与低边不会同时导通的控制信号。如图3所示，高边的控制信号控制高边驱动回路523的通断，低边的控制信号通过低边的nmos间接控制电荷泵的升压与降压以及低边的通断。从而实现h桥中半桥驱动回路523的控制。此时h桥的另外一个半桥使用相同的逻辑电路，通过中央处理器4的另一个pwm通道，给与100％与0％的占空比，从而实现通断；当h桥需要换向时，仅需通过控制中央处理器4的这两个pwm通道在功能上实现互换即可实现。
57.如图5所示，本实用新型中喷油器8驱动电路51、h桥驱动电路52等复杂驱动的保护电路5均可分解为高边驱动保护电路525与低边驱动保护电路524。保护电路5的阈值大小可以通过修改采样电阻的大小调节，也可以通过修改运放的放大倍数和比较电压来调节。其中的高边驱动通过一个采样电阻与pnp型三极管产生。电流采样5101模块会将流经该模块的电流转换为电压，当电压超过pnp型三极管的导通阈值，会产生一个与供电电压相同的高电压，该高电压与高边的控制信号非逻辑和与逻辑芯片，共同控制高边驱动pmos的g极信号，从而实现驱动回路523的关断，达到保护的目的；其中低边驱动通过电流采样5101模块，产生一个0-5v范围区间内的电压，该电压与一个中央控制器4输出的基准电压，共同输入一个比较器5240，产生一个的低电平的关断信号，该关断信号与低边的控制信号通过“与逻辑”芯片，控制低边驱动nmos的g极信号关断，从而实现驱动回路523的关断。
58.进一步地，在本实用新型中，h桥驱动电路52死区时间如图4所示，根据不同的n型mosfet，可以通过修改硬件的电阻电容迟滞时间参数，实现死区时间宽范围的调节，死区时间调节范围包括但不限于100纳秒至1ms的区间范围。并且h桥驱动电路52通过电流采样5101模块将电流转换为电压，通过中央处理器4可以实现导通电流的采集。
59.更进一步地，在本实用新型中，喷油驱动的电流调节可以通过中央处理单元的pwm输出信号，经过低通滤波，产生基准电压，实现对不同喷油器8所需的电流挡位调节；喷油驱动的额外两个触发脉宽的时间长度可以通过修改触发器5104的阻容比例值进行调节。
60.本实用新型的关键之处在于100％使用了国产化车规级中央处理器4和逻辑器件实现了喷油驱动和h桥驱动的控制以及保护。由于中央处理器4并不具有etpu/gtm等智能喷
油正时功能，使用了定时中断与数字输出结合的方式，实现了喷油正时与喷油脉宽的控制。同时基于电路的基本原理，使用逻辑芯片，应用分立器件搭建的方法，避免了预驱芯片卡脖子的问题，并且实现车规控制器所要求的破坏性故障的诊断与保护。
61.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种柴油发动机电子控制器，包括模拟输入处理电路(1)、数字输入处理电路(2)、频率信号处理电路(3)和can通讯电路(6)，其特征在于，所述的柴油发动机电子控制器还包括中央处理器(4)、高低边驱动电路(50)、喷油器驱动电路(51)和h桥驱动电路(52)；所述的中央处理器(4)的输入端分别与模拟输入处理电路(1)、数字输入处理电路(2)、频率信号处理电路(3)连接；所述的中央处理器(4)的输出端分别与高低边驱动电路(50)、喷油器驱动电路(51)和h桥驱动电路(52)连接；所述的中央处理器(4)的通信端与can通讯电路(6)连接。2.根据权利要求1所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的高低边驱动电路(50)、喷油器驱动电路(51)和h桥驱动电路(52)的保护电路(5)均可分解为高边驱动保护电路(525)和低边驱动保护电路(524)；所述高边驱动保护电路(525)包括第一电流采样模块和pmos管；所述低边驱动保护电路(524)包括第二电流采样模块和nmos管。3.根据权利要求1所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的喷油器驱动电路(51)包括：用于柴油机喷油器(8)三段式电流控制的三段式触发脉宽逻辑电路；用于喷油器快速打开的高压电路；用于提供喷油器电流回路的主驱回路(510)。4.根据权利要求3所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的主驱回路(510)包括第三电流采样模块、流压转换模块和电压比较模块。5.根据权利要求1所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的喷油器驱动电路(51)与中央处理器(4)中的定时中断模块连接。6.根据权利要求1所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的h桥驱动电路(52)包括：死区时间硬件可调的高低边控制信号电路；电荷泵电路(522)，用于产生高于供电电压的控制信号以实现h桥驱动电路(52)的高边nmos的g极信号控制；驱动回路(523)。7.根据权利要求6所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的高低边控制信号电路包括高边死区时间设置电路(520)和低边死区时间设置电路(521)。8.根据权利要求7所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述高边死区时间设置电路(520)分别与中央处理器(4)、电荷泵电路(522)和驱动回路(523)连接，所述低边死区时间设置电路(521)分别与中央处理器(4)和驱动回路(523)连接。9.根据权利要求8所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的高边死区时间设置电路(520)和低边死区时间设置电路(521)均设有两个，分别用于实现h桥驱动电路(52)的两个半桥驱动回路的控制。10.根据权利要求1所述的一种柴油发动机电子控制器，其特征在于，所述的h桥驱动电路(52)与中央处理器(4)的pwm模块(46)连接。

技术总结
本实用新型涉及一种柴油发动机电子控制器，包括模拟输入处理电路、数字输入处理电路、频率信号处理电路和CAN通讯电路，所述的柴油发动机电子控制器还包括中央处理器、高低边驱动电路、喷油器驱动电路和H桥驱动电路；所述的中央处理器的输入端分别与模拟输入处理电路、数字输入处理电路、频率信号处理电路连接；所述的中央处理器的输出端分别与高低边驱动电路、喷油器驱动电路和H桥驱动电路连接；所述的中央处理器的通信端与CAN通讯电路连接。与现有技术相比，本实用新型具有功能集成度高，体积小等优点。积小等优点。积小等优点。


技术研发人员：祝轲卿 韦雄 张斌 韦鹏
受保护的技术使用者：上海醇增动力科技有限公司
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/9/1