电控发动机ECU标定系统

电控发动机ECU标定系统

杨庆恒

广西玉柴机器股份有限公司  广西玉林市537000

摘要：汽车作为一种重要的交通工具，对社会生产力的提高和人们生活水平的改善起了重要的作用。目前，许多国家都将汽车工业作为国民经济的支柱产业，随着汽车工业高速发展，这使得世界汽车保有量急剧增加。基于 CAN 总线通讯的发动机电子控制单元标定系统。标定系统包括标定系统软件、通信模块、待标定发动机电子控制单元和被测发动机，采用多主结构 CAN-bus 数据通信方式。实现了上位机的标定表格设计，表格数据的整理，标准协议与自定义协议的转换接口的设计，基于协议的数据传输、在线烧录、采集、控制与诊断等功能。

关键词：电控发动机；标定；电子控制  

为了实现对发动机不同工况下的有效和良好的控制，必须对发动机电控单元进行匹配标定以确定各控制参数。根据发动机不同的工作状态，对发动机基本点火提前角和喷射脉宽等进行MAP标定，向电控单元发出控制命令，按照在线修改的控制策略和一控制数据实施控制，是发动机电控系统中最高层控制软件。某一型号发动机 ECU 内部有固定的控制算法和数千个可调的自由参数，对于不同的车型这些参数都需要通过发动机匹配标定进行优化，使得整车达到各种排放与驾驶性能指标。依靠标定系统可以测量 ECU 内部的 MAP 以及动态实时数据，调整、优化和确定电控系统的运行参数、控制参数和各控制数学模型，来对ECU 中的参数进行全局优化，并最终确定这些参数的最佳值。

一、发动机标定的概念

标定是根据发动机及整车的各项性能要求，如动力性、经济性、排放等，调整、优化和确定电控系统软件的运行参数(发动机转速、冷却水温)、控制参数(喷油脉宽、喷油提前角、点火提前角、EGR阀开度等)和各控制数学模型的整个过程。一个制成的电控系统在匹配任何一种形式的发动机时，其软件中的控制程序和数学模型以及硬件模式基本确定，能不能使匹配的发动机在动力性、经济性和排放诸方面发挥最佳水平，将取决于能否获得软件中的最佳标定参数。这一取得最佳标定参数的过程，就是匹配标定上作的主要任务，称之为标定。

发动机电控技术的核心是电子技术、计算机技术和控制技术在发动机领域内的全面应用，其目的是使发动机的潜力充分发挥，使功率、油耗、排放等多方面的性能达到综合最佳的状况。发动机:电控系统主要由传感器、电控单元(ECU)和执行器组成。发动机电控系统的开发一般可分为研制开发和应用开发两个阶段。‘研制开发主要包括传感器的研制(或选型)、电控单元的软硬件的设计、执行器的研制;应用开发主要将电控系统与发动机及整车相匹配，并通过调试和优化使发动机和整车性能达到最佳。应用开发阶段是整个电控系统研制的最终阶段，也是工作量最大、最困难的阶段。这个阶段的工作目标就是保证发动机和汽车的性能指标满足当前排放法规和使用要求的情况下，获得最佳的汽车动力性和燃油经济性。运用发动机标定系统对安装了ECU的发动机进行喷油特性、点火特性、怠速特性及瞬态过渡工况的综合实验，使ECU在实际应用中获得理想效果，让发动机具有较大的柔性，可以对应各种工况、环境和状态，让发动机在最优状态下运行，获得最佳动力性和燃油经济性。

电控系统性能的发挥主要依赖于各种脉谱图(MAP)、数据表和常数的质量，获得这些ECU内部参数的标定上作是相当烦琐的。标定工作需要反复进行发动机台架试验和道路试验，反复修改电控单元(ECU)中的数据，而且，发动机的许多指标是相互矛盾的，寻求一种良好的全局优化，最终确定ECU的各种内部参数，需要性能优良的标定系统的支持。一般来说，要求标定系统能够实现对发动机运行参数和电控单元控制参数的实时采集和数字方式显示，能够对控制参数进行离线或者在线优化，同时还可以对数据结果以一定的格式保存。

二、标定系统架构

标定系统主要由上位机标定系统软件、通信模块、下位机待标定发动机 ECU 和被测发动机部分组成，系统的控制过程为：标定系统软件通过 USB-CAN 接口卡发送指令,ECU 通过 CAN 总线接受指令并进行相应的操作，ECU 按同样的流程返回数据给上位机。标定系统硬件组成及连接系统各个组成部分的功能分工明确：上位机标定软件完成人机交互、与 ECU 通讯、标定数据管理等功能；USB-CAN 接口实现标定系统主机与 ECU 的快速通讯，完成标定系统软件与 ECU 的数据交互；ECU对发动机传感器执行器的信息进行检测后，将这些信息传递到上位机标定系统，并接收来自上位机标定系统的命令和控制参数，控制发动机按照标定人员设定的参数运行，以保证发动机正常运行。通讯模块采用 USBCAN-I 接口卡连接上位机的USB 接口和 ECU 的 msCAN12 模块，以实现最高1Mbit/s 的高速率通讯。其自带光电隔离模块，使USBCAN-I/II 接口卡避免由于地环流造成的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。

三、标定协议与数据处理

标定系统采用 VC++编写，主要包括通讯模块、数据存储管理模块和人机交互界面三部分，发动机电控系统应用开发过程中，ECU 的标定试验是整个测试工作的基础，发动机台架标定的基本过程如下。

(1) 基本控制参数标定：标定 ECU 中基本控制参数（如基本喷油脉宽、基本点火提前角等）。

(2) 稳态修正参数标定：根据不同的环境变化（如进气温度、大气压力等）对 ECU 参数进行修正。

(3) 怠速工况参数标定：怠速时节气门接近关闭，吸入气缸内的混合气较少，应通过调节参数使 ECU 控制怠速控制阀，使发动机转速始终处于最佳怠速。

(4) 瞬态工况参数标定：启动时发动机转速和喷油量难以确定，此时应该使拖动和暖机时间尽可能缩短，并保证好排放性能。当发动机处于加减速等瞬态工况时，应调节控制参数来防止发动机气缸中的空燃比出现加速偏稀，减速偏浓的现象来保证发动机平稳迅速过渡。

1、标定协议设计。标定系统通常使用的协议主要包括两种：基于KWP2000协议，并通过SCI串口进行通信的标定系统，但其只能实现中低速数据的稳定传输和匹配标定；基于 CAN 总线，使用标准 J1939 协议的标定系统，虽然这种系统的传输速度有了明显改善，但是所采用的协议非常广泛，使各个研发机构开发的标定系统标准不一。

2、数据传输处理与存储管理。通讯模块包括发送数据模块、接收数据模块和计时模块，借助 USB-CAN 板卡自带的库函数文件实现计算机与 USB-CAN 间的数据通讯。SendData()函数给出了数据发送的流程实现，数据发送的伪代码实现如下：

Function SendData(data)

1 FrameObj=GenerateObj(data)

2 for all FrameObj do

3 Transmit(FrameObj)

4 WaitForReply(FrameObj)

5 if WaitForReply then

6 SendData(nextData);

7 else if timeOut and timeOutCount<=3 then

8 SendData(data)

9 end if

数据处理包括报文数据的生成、解析、CCP 协议与 OSCP 协议间报文格式的转换。在发送请求过程中，系统将要发送的数据或提交的命令按当前所选择的协议进行数据报文生成，用户可以选择 OSCP 协议或标准 CCP 协议进行报文发送。报文数据解析进程中，系统将得到的报文，按协议进行解析并存放到相应变量中，同时更新界面视图。为了适应不同协议标准，系统提供了 OSCP 协议与 CCP 协议的转换接口，针对采用不同 ECU 数据收发协议进行选择。系统主要是为了交互式测试使用，所以其存储数据量并不大，同时为了便于数据转换，采用 XML 格式的文件来存取输入输出数据。由于采用 VC++作为开发工具，所以在 MFC 中使用了 MSXML 的DOM文档对象模型接口，DOM 是以层次结构组织的阶段或信息片段的集合，DOM 提供了 API，允许开发人员添加、编辑、移动或删除树中任意位置的节点。设计用于分析文档，实现对数据的操作和管理。

通过在实际发动机 ECU 上试验和应用后，表明该标定系统能够进行可靠的数据传输，对 ECU 待标定数据进行精确标定；对使用不同协议的 ECU 进行有效的标定，适用于不同协议的发动机 ECU 产品。采用自定义的 cal 文件格式，方便了文档数据的分析和管理。

参考文献：

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[4] 李国岫, 张欣, 闫锐方. 电控天然气发动机监控系统的开发[J] . 小型内燃机, 2019(11):21 ～ 25