關(guān)于汽車(chē)傳動(dòng)系統應用管理論文
前言
目前，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展和消費者對車(chē)輛安全、舒適度等方面要求的不斷提高，用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機和傳動(dòng)系統的電子系統幾乎要占到整車(chē)的35，據Selantek報道，1998年汽車(chē)半導體銷(xiāo)售達到了94億美元，其中，用于傳動(dòng)系統的占到44，到了2003年，該市場(chǎng)達到了144億美元，其中用于傳動(dòng)的占到40。
汽車(chē)傳動(dòng)系統
傳動(dòng)系統中32位微控制器應該屬于現代汽車(chē)中最為復雜的系統，它通過(guò)各類(lèi)傳感器對設備與環(huán)境的監測來(lái)控制相關(guān)設備（如圖1）。盡管與臺式電腦的計算單元相類(lèi)似，但是汽車(chē)微處理器卻公認要復雜的多，同時(shí)還要考慮到通過(guò)優(yōu)化設計和制作工藝來(lái)降低整車(chē)成本。汽車(chē)微處理器通常運行頻率為33MHz，而不是400MHz或者更高，這只相當于臺式機的一部分，它通常包括中央處理器存儲器、時(shí)鐘振蕩器和I/O等。有時(shí)會(huì )用過(guò)把一些常用的I/O函數整合在MCU來(lái)降低新產(chǎn)品的成本，例如Motorola發(fā)動(dòng)機控制模塊68332。
傳動(dòng)系統以前采用的是8位的MCU，隨著(zhù)噴射系統標準逐漸變得更加嚴格，對精確性和執行性能的要求的提高，16位甚至32位的MCU逐步開(kāi)始采用，不久前推出了專(zhuān)用于發(fā)動(dòng)機控制的32位RISC（reducedinstructionsetcomputer）結構，該結構的目的不僅滿(mǎn)足現在的要求，同時(shí)還要滿(mǎn)足未來(lái)的需求。用這種產(chǎn)品控制發(fā)動(dòng)機效果非常明顯，如EMV（electromagneticvalve），扭距增加50，燃料消耗減少25，排放降低了40~90。
用于Rolls—Royce（勞斯萊斯）和AstonMartin（阿斯頓·馬�。┢�(chē)上的Zytec發(fā)動(dòng)機管理系統。
輸入輸出
發(fā)動(dòng)機速率和同步傳感器進(jìn)氣歧管絕對壓力（MAP）傳感器車(chē)載大氣絕對壓力傳感器空氣溫度傳感器發(fā)動(dòng)機冷卻液傳感器燃油溫度傳感器機油溫度傳感器怠速節氣門(mén)位置傳感器自動(dòng)變速箱廢氣再循環(huán)閥傳感器空調系統速度傳感器燃料槽傳感器點(diǎn)火線(xiàn)圈控制尾氣排放控制尾氣再流動(dòng)控制空氣泵控制凈化器控制發(fā)動(dòng)機冷卻風(fēng)扇控制空調控制接口怠速控制接口燃料泵繼電器控制車(chē)載計算機接口轉速計驅動(dòng)。
雙向接口
串行通訊汽車(chē)安全系統接口自動(dòng)變速箱管理ISO9141OBD2掃描接口。
同時(shí)，利用EMV系統可以通過(guò)減少凸輪軸、調速帶和鏈輪（sprocket）簡(jiǎn)化復雜的機械系統及減輕車(chē)身重量。在發(fā)動(dòng)機控制單元增加一個(gè)EMV需要增加I/O和軟件需求，甚至需要數字信號處理功能。數字信號處理器（DSP）以嵌入式或者軟件的形式廣泛的應用于點(diǎn)火系統和爆振探測系統或者類(lèi)似的環(huán)境。
發(fā)動(dòng)機控制系統的這些子系統通過(guò)DSP運算法則有效的執行著(zhù)運算指令，將來(lái)通過(guò)綜合的工具可以通過(guò)集合不引擎點(diǎn)火和爆振算法計算并分析發(fā)動(dòng)機熱點(diǎn)或者高溫區域，這些熱點(diǎn)通過(guò)集成在微處理器性芯片上的DSP進(jìn)一步處理而減少。與此相類(lèi)似的是現代系統中的臨界定時(shí)系統，在這一系統中有一個(gè)時(shí)鐘處理單元為發(fā)動(dòng)機運行提供所必需的點(diǎn)火和燃料信號，該信號是恒態(tài)的，主處理單元中不存在任何形式的中斷。通過(guò)應用嵌入式外圍設備取代DSP可以大幅的降低成本，圖1中MPC555就具有兩個(gè)TPU。
電子系統的改變推動(dòng)了硬件的變化：嚴格的噴射標準更復雜的診斷系統直接噴射系統高溫運行環(huán)境提高燃料利用率電動(dòng)機械固態(tài)演化多功能/綜合/機電設備（如電磁氣門(mén)驅動(dòng)）。
通訊
在更復雜的車(chē)輛中，空調、照明、汽車(chē)動(dòng)力、門(mén)和座椅的調節、儀表盤(pán)、ABS、牽引控制、便攜電話(huà)和娛樂(lè )系統等通過(guò)2線(xiàn)與動(dòng)力傳動(dòng)系統相連，車(chē)載檢測設備需要建立在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制和各種相關(guān)器件之間的通訊協(xié)議。
分區：系統設計小組必須要正確的劃分系統的結構，給出合理的系統節點(diǎn)。整個(gè)系統需不需要集成在一片芯片上哪？盡管這是可行的，其實(shí)這種方法在簡(jiǎn)單的系統中是可行并且非常有效的，但不適合龐大的系統。這里合理的劃分還包括微控制器接口電路，獨立的還是把它設計到傳感器上或者電源IC上（如圖2）？將來(lái)的系統將會(huì )擴充存儲能力和軟件功能，同時(shí)還會(huì )增加無(wú)線(xiàn)射頻接口功能。
發(fā)動(dòng)機控制中的電源
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機電源必須性能可靠、便于維護，并且比其他半導體設備更能承受大功率暫態(tài)沖擊和非同尋常的溫度考驗，靈活的接口及其綜合設備在實(shí)現這一功能時(shí)也起著(zhù)重要的作用。
IGBT點(diǎn)火線(xiàn)圈驅動(dòng)
IGBT（Insulated—gatebipolartransistors）是在19年前由FrankWheatly在前RCA發(fā)明的，結合了雙極型和分離柵極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，并在特定的電壓/開(kāi)關(guān)速度域中具明顯優(yōu)勢。目前幾乎所有新點(diǎn)火系統的設計中都使用IGBT。
由于ECU和點(diǎn)火模塊的距離可能有幾米遠，所以半導體和點(diǎn)火線(xiàn)圈的保護以及診斷就必須由點(diǎn)火模塊來(lái)提供。這就意味著(zhù)在點(diǎn)火模塊中又增加了電路復雜度。為了簡(jiǎn)化電纜以及減少點(diǎn)火模塊接口的數量，多路復用管腳的使用就成了首選。但是，多路復用管腳又需要將更多的電子器件集成到點(diǎn)火開(kāi)關(guān)中。所有的這些特點(diǎn)都需要更多的空間來(lái)實(shí)現，于是有限的安放空間就成為分散式點(diǎn)火輸出級的主要設計因素之一。用片上芯片技術(shù)生產(chǎn)的靈巧型IGBT就可能滿(mǎn)足對空間的嚴格要求。
噴射驅動(dòng)
智能電源IC在同一塊芯片上集成了一些功率驅動(dòng)器和控制電路，因而可以通過(guò)單一的接口實(shí)現與MCU間的保護和自診斷。更先進(jìn)的技術(shù)可以提供更復雜的產(chǎn)品，通過(guò)在同一封裝上實(shí)現幾個(gè)接口，允許驅動(dòng)4、6甚至8缸發(fā)動(dòng)機的所有噴射系統，與此同時(shí)，更復雜的診斷和保護電路也被集成起來(lái)。該電路在芯片上還提供了16端口的輸出，每一個(gè)輸出設備還允許熱關(guān)閉。附加的電路具有和主微控制器主機之間串行通訊接口，并且具備開(kāi)路負載和螺線(xiàn)管。
硅傳感器
已經(jīng)應用的微機械壓力傳感器比汽車(chē)多路絕對壓力和大氣絕對壓力測量10年中的應用還要多得多，這些單元的電磁兼容通常通過(guò)模塊內部的屏蔽或者模塊機架來(lái)實(shí)現。最近具有集成信號處理功能的分壓阻傳感器已經(jīng)通過(guò)了在汽車(chē)上應用的資格認證。
綜合壓力傳感器的主要特點(diǎn)是在一個(gè)獨立且很小的硅片擁有所有的執行算法，這種小的尺寸允許它安裝在汽車(chē)電子模塊中，當模塊設計好之后用金屬封裝來(lái)改進(jìn)抗電磁干擾（EMI）的能力。但這樣的.成本比較高并且不利于安裝。
EMC是塑封綜合壓力傳感器特別是帶有電火線(xiàn)圈驅動(dòng)程序的安裝在模塊內的傳感器，具有較高的開(kāi)關(guān)頻率所要考慮的。EMC測試需要完整的設計測試方案、詳細的測試方法說(shuō)明和準確的數據測試技術(shù)。相關(guān)的測試證明塑封完全適合汽車(chē)的應用。
存儲器優(yōu)化
現在汽車(chē)傳動(dòng)控制系統包含了10，000至14，000個(gè)標準點(diǎn)，這主要取決于汽車(chē)制造商和噴射系統標準對于該系統的要求，如圖4所示，在1988到1998年期間，標準點(diǎn)幾乎增加了一個(gè)數量級，即系統越復雜其標準點(diǎn)也就越多。
未來(lái)系統的解決的答案在于代碼，即運行在這些傳動(dòng)控制模塊的軟件�，F在的查表是在開(kāi)發(fā)階段功率計上的擴展引擎影射創(chuàng )建的，然后在車(chē)輛運行時(shí)訪(fǎng)問(wèn)，主要基于由發(fā)動(dòng)機每秒轉速（rpm）、溫度和其他的傳感器測量值確定的工作點(diǎn)。通過(guò)編寫(xiě)代碼的方式也可以夠改善性能，帶有支持庫的先進(jìn)工具將允許工程師以方程或基于模型算法的形式設計控制理論。經(jīng)過(guò)具有浮點(diǎn)數運算功能的強大的微處理機器編譯，這些方程將允許發(fā)動(dòng)機的性能（即馬力或扭矩）以抽象的形式描述出來(lái)。這些抽象語(yǔ)言的輸出相近于高性能微控制器，而方程式則取代了校準點(diǎn)。
在一些先進(jìn)的傳動(dòng)系統中，編碼的長(cháng)度在未來(lái)幾年中將很輕松的達到兆字節，就這一點(diǎn)而言，傳動(dòng)系統的微處理器在本質(zhì)上也是一個(gè)存儲芯片（存儲器將仍然主要是硅的領(lǐng)域），不過(guò)這些設備中的存儲器可能由嵌入式DRAM替代ROM—RAM。
BMW公司W(wǎng)olfgangReitzle博士在Convergence會(huì )議上提到造成電子系統比較昂貴的原因所在：電子系統故障。
因此，在早期的設計中需要更多的計算機模擬仿真，這樣才能減少故障及系統成本。
此外半導體供應商也必須采用系統方法來(lái)幫助他們的客戶(hù)降低成本和縮短系統設計周期，例如Motorola，開(kāi)發(fā)出了一系列的具有自主知識產(chǎn)權的傳動(dòng)系統方案和多種封裝方法，包括傳統的結構和軟件驅動(dòng)電路等。在控制系統中，如引擎不點(diǎn)火和爆振算法，甚至燃料等，也將完全由半導體供應商封裝以后提供。
封裝
封裝對于減小發(fā)動(dòng)機電子部件的尺寸和提高運行時(shí)的溫度有著(zhù)極為重要的作用，對于很多產(chǎn)品（可能會(huì )達到170oC）而言，其中一個(gè)重要的方法是徹底去除這些器件的塑料封裝（150oC熔化），將裸芯片固定在陶瓷片上。這就要求半導體供應商在提供裸芯片前對晶片做很好的測試。另一個(gè)方法之是采用倒裝芯片（flipchip）封裝技術(shù)，它是直接通過(guò)芯片上呈陣列排布的凸點(diǎn)來(lái)實(shí)現芯片與封裝襯底（或電路板）的互連。由于芯片是倒扣在封裝襯底上，與常規封裝芯片放置方向相反。
綜述
未來(lái)發(fā)動(dòng)機控制設備可能直接或通過(guò)螺栓結合安裝在發(fā)動(dòng)機內，發(fā)動(dòng)機將徹底變成綜合的設備，控制系統通過(guò)裝配線(xiàn)控制。因此，這里需要高溫控制模塊，發(fā)動(dòng)機智能控制是一種機電控制方法將機械設備與電控設備緊密相聯(lián)并控制。這樣通常會(huì )減少一些額外的附件，特別是配線(xiàn)，因此也將有助于減少成本。這種技術(shù)已經(jīng)應用在一些子系統，如HVAC系統中步進(jìn)馬達巡航控制。
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