一種高效實用的發(fā)動機片上爆震檢測解決方案

發(fā)動機爆震及控制

現(xiàn)代發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS) 中，爆震控制是核心算法之一。由于頻繁爆震會損壞發(fā)動機，ECU必須采取措施制止爆震。為避免爆震，可以保守地設(shè)置點火提前角。但這以犧牲最佳點火時機為代價，使動力和燃油效率性能降低。增加爆震控制功能，發(fā)動機就可以實時調(diào)節(jié)點火時間。它可以逐漸加快點火正時，以提供更大的動力。當(dāng)監(jiān)測到爆震時，點火正時才后跳幾度來消除爆震，一般來說，爆震系統(tǒng)能提升約3%的動力性和5%的燃油經(jīng)濟性。

爆震控制算法的最大挑戰(zhàn)是實現(xiàn)有效的爆震檢測。因為要快速準(zhǔn)確地(如千分之一秒內(nèi))從發(fā)動機的正常噪音中分辨出爆震絕非易事，通常用專門的ASIC來完成。但MCU的功能日益強大，在系統(tǒng)設(shè)計中，要求MCU在控制發(fā)動機的同時完成精準(zhǔn)的爆震檢測，目的是降低成本并提高系統(tǒng)可靠性。典型的MCU如飛思卡爾的Copperhead(MPC5554)，其內(nèi)核強大的數(shù)字信號處理能力可以勝任各種爆震檢測算法。

爆震檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法

爆震發(fā)生在做功沖程剛開始的時間里(壓縮沖程活塞運動到最高點(TDC)稍后的時間里)。我們不僅知道爆震共鳴聲的大致頻率(約為7K及其諧波)，還知道爆震發(fā)生的大致曲軸角度范圍。圖1是根據(jù)該原理的一個標(biāo)準(zhǔn)的爆震檢測框圖。常用的爆震傳感器內(nèi)部封裝一個壓電陶瓷，將監(jiān)聽到的發(fā)動機運行聲音轉(zhuǎn)換為電信號。來自爆震傳感器的電信號通過一個帶通濾波器。帶通濾波器將所需要的頻率信號提取出來。根據(jù)曲軸角度信號產(chǎn)生一個角度窗口，這個窗口覆蓋了爆震可能發(fā)生的時段。這樣，從檢測窗口輸出的信號就是在時域和頻域都做了選擇的，我們感興趣的爆震信號。為了判斷爆震的強度，最直接的方法就是將信號絕對值加起來，即能量集成。將能量集成后的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的爆震能量參考值進行比較，就可以判斷出爆震是否發(fā)生。

基于Monaco的片上爆震檢測方案

飛思卡爾推出了第一款90納米技術(shù)的專門針對中低端EMS應(yīng)用的微處理器系列Monaco(MPC563xM)。 Monaco是基于Power Architecture架構(gòu)的32位微處理器，其許多片上外設(shè)的及聯(lián)動邏輯設(shè)計充分考慮了爆震檢測的需要。把這些外設(shè)有效的配置運作起來就能夠高效地實現(xiàn)各種爆震檢測方案。對于相對簡單的爆震算法，一旦CPU將這些外設(shè)初始化好，它們甚至可以自治地運作，不再需要CPU的實時干預(yù)。即使對比較復(fù)雜的爆震算法，這些外設(shè)也能夠完成絕大部分的工作，極大降低了CPU的運算負(fù)荷。圖2是基于Monaco的一個比較典型的片上爆震檢測方案結(jié)構(gòu)圖。圖中展示了所有與爆震功能有關(guān)的外設(shè)及邏輯連接。ADC的輸入端有可配置阻值的4個偏置電阻和一個可變增益放大器(VGA)，用于使動態(tài)范圍最大化以及補償發(fā)動機傳感器輸出信號幅度的變化。