關于汽車傳動系統(tǒng)應用管理論文
前言
目前，隨著電子技術的發(fā)展和消費者對車輛安全、舒適度等方面要求的不斷提高，用于汽車發(fā)動機和傳動系統(tǒng)的電子系統(tǒng)幾乎要占到整車的35，據Selantek報道，1998年汽車半導體銷售達到了94億美元，其中，用于傳動系統(tǒng)的占到44，到了2003年，該市場達到了144億美元，其中用于傳動的占到40。
汽車傳動系統(tǒng)
傳動系統(tǒng)中32位微控制器應該屬于現代汽車中最為復雜的系統(tǒng)，它通過各類傳感器對設備與環(huán)境的監(jiān)測來控制相關設備（如圖1）。盡管與臺式電腦的計算單元相類似，但是汽車微處理器卻公認要復雜的多，同時還要考慮到通過優(yōu)化設計和制作工藝來降低整車成本。汽車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、時鐘振蕩器和I/O等。有時會用過把一些常用的I/O函數整合在MCU來降低新產品的成本，例如Motorola發(fā)動機控制模塊68332。
傳動系統(tǒng)以前采用的是8位的MCU，隨著噴射系統(tǒng)標準逐漸變得更加嚴格，對精確性和執(zhí)行性能的要求的提高，16位甚至32位的MCU逐步開始采用，不久前推出了專用于發(fā)動機控制的32位RISC（reducedinstructionsetcomputer）結構，該結構的目的不僅滿足現在的要求，同時還要滿足未來的需求。用這種產品控制發(fā)動機效果非常明顯，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·馬丁）汽車上的Zytec發(fā)動機管理系統(tǒng)。
輸入輸出
發(fā)動機速率和同步傳感器進氣歧管絕對壓力（MAP）傳感器車載大氣絕對壓力傳感器空氣溫度傳感器發(fā)動機冷卻液傳感器燃油溫度傳感器機油溫度傳感器怠速節(jié)氣門位置傳感器自動變速箱廢氣再循環(huán)閥傳感器空調系統(tǒng)速度傳感器燃料槽傳感器點火線圈控制尾氣排放控制尾氣再流動控制空氣泵控制凈化器控制發(fā)動機冷卻風扇控制空調控制接口怠速控制接口燃料泵繼電器控制車載計算機接口轉速計驅動。
雙向接口
串行通訊汽車安全系統(tǒng)接口自動變速箱管理ISO9141OBD2掃描接口。
同時，利用EMV系統(tǒng)可以通過減少凸輪軸、調速帶和鏈輪（sprocket）簡化復雜的機械系統(tǒng)及減輕車身重量。在發(fā)動機控制單元增加一個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火系統(tǒng)和爆振探測系統(tǒng)或者類似的環(huán)境。
發(fā)動機控制系統(tǒng)的這些子系統(tǒng)通過DSP運算法則有效的執(zhí)行著運算指令，將來通過綜合的工具可以通過集合不引擎點火和爆振算法計算并分析發(fā)動機熱點或者高溫區(qū)域，這些熱點通過集成在微處理器性芯片上的DSP進一步處理而減少。與此相類似的是現代系統(tǒng)中的臨界定時系統(tǒng)，在這一系統(tǒng)中有一個時鐘處理單元為發(fā)動機運行提供所必需的點火和燃料信號，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TPU。
電子系統(tǒng)的改變推動了硬件的變化：嚴格的噴射標準更復雜的診斷系統(tǒng)直接噴射系統(tǒng)高溫運行環(huán)境提高燃料利用率電動機械固態(tài)演化多功能/綜合/機電設備（如電磁氣門驅動）。
通訊
在更復雜的車輛中，空調、照明、汽車動力、門和座椅的調節(jié)、儀表盤、ABS、牽引控制、便攜電話和娛樂系統(tǒng)等通過2線與動力傳動系統(tǒng)相連，車載檢測設備需要建立在汽車發(fā)動機控制和各種相關器件之間的通訊協議。
分區(qū)：系統(tǒng)設計小組必須要正確的劃分系統(tǒng)的結構，給出合理的系統(tǒng)節(jié)點。整個系統(tǒng)需不需要集成在一片芯片上哪？盡管這是可行的，其實這種方法在簡單的系統(tǒng)中是可行并且非常有效的，但不適合龐大的系統(tǒng)。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）？將來的系統(tǒng)將會擴充存儲能力和軟件功能，同時還會增加無線射頻接口功能。
發(fā)動機控制中的電源
汽車發(fā)動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現這一功能時也起著重要的作用。
IGBT點火線圈驅動
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，并在特定的電壓/開關速度域中具明顯優(yōu)勢。目前幾乎所有新點火系統(tǒng)的設計中都使用IGBT。
由于ECU和點火模塊的距離可能有幾米遠，所以半導體和點火線圈的保護以及診斷就必須由點火模塊來提供。這就意味著在點火模塊中又增加了電路復雜度。為了簡化電纜以及減少點火模塊接口的數量，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火開關中。所有的這些特點都需要更多的空間來實現，于是有限的安放空間就成為分散式點火輸出級的主要設計因素之一。用片上芯片技術生產的靈巧型IGBT就可能滿足對空間的嚴格要求。
噴射驅動
智能電源IC在同一塊芯片上集成了一些功率驅動器和控制電路，因而可以通過單一的接口實現與MCU間的保護和自診斷。更先進的技術可以提供更復雜的產品，通過在同一封裝上實現幾個接口，允許驅動4、6甚至8缸發(fā)動機的所有噴射系統(tǒng)，與此同時，更復雜的診斷和保護電路也被集成起來。該電路在芯片上還提供了16端口的輸出，每一個輸出設備還允許熱關閉。附加的電路具有和主微控制器主機之間串行通訊接口，并且具備開路負載和螺線管。
硅傳感器
已經應用的微機械壓力傳感器比汽車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模塊內部的屏蔽或者模塊機架來實現。最近具有集成信號處理功能的分壓阻傳感器已經通過了在汽車上應用的資格認證。
綜合壓力傳感器的主要特點是在一個獨立且很小的硅片擁有所有的執(zhí)行算法，這種小的尺寸允許它安裝在汽車電子模塊中，當模塊設計好之后用金屬封裝來改進抗電磁干擾（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圈驅動程序的安裝在模塊內的傳感器，具有較高的開關頻率所要考慮的。EMC測試需要完整的設計測試方案、詳細的測試方法說明和準確的數據測試技術。相關的測試證明塑封完全適合汽車的應用。
存儲器優(yōu)化
現在汽車傳動控制系統(tǒng)包含了10，000至14，000個標準點，這主要取決于汽車制造商和噴射系統(tǒng)標準對于該系統(tǒng)的要求，如圖4所示，在1988到1998年期間，標準點幾乎增加了一個數量級，即系統(tǒng)越復雜其標準點也就越多。
未來系統(tǒng)的解決的答案在于代碼，即運行在這些傳動控制模塊的軟件。現在的查表是在開發(fā)階段功率計上的擴展引擎影射創(chuàng)建的，然后在車輛運行時訪問，主要基于由發(fā)動機每秒轉速（rpm）、溫度和其他的傳感器測量值確定的工作點。通過編寫代碼的方式也可以夠改善性能，帶有支持庫的先進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。經過具有浮點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)動機的性能（即馬力或扭矩）以抽象的形式描述出來。這些抽象語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。
在一些先進的傳動系統(tǒng)中，編碼的長度在未來幾年中將很輕松的達到兆字節(jié)，就這一點而言，傳動系統(tǒng)的微處理器在本質上也是一個存儲芯片（存儲器將仍然主要是硅的領域），不過這些設備中的存儲器可能由嵌入式DRAM替代ROM—RAM。
BMW公司WolfgangReitzle博士在Convergence會議上提到造成電子系統(tǒng)比較昂貴的原因所在：電子系統(tǒng)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(tǒng)成本。
此外半導體供應商也必須采用系統(tǒng)方法來幫助他們的客戶降低成本和縮短系統(tǒng)設計周期，例如Motorola，開發(fā)出了一系列的具有自主知識產權的傳動系統(tǒng)方案和多種封裝方法，包括傳統(tǒng)的結構和軟件驅動電路等。在控制系統(tǒng)中，如引擎不點火和爆振算法，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)動機電子部件的尺寸和提高運行時的溫度有著極為重要的作用，對于很多產品（可能會達到170oC）而言，其中一個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。另一個方法之是采用倒裝芯片（flipchip）封裝技術，它是直接通過芯片上呈陣列排布的凸點來實現芯片與封裝襯底（或電路板）的互連。由于芯片是倒扣在封裝襯底上，與常規(guī)封裝芯片放置方向相反。
綜述
未來發(fā)動機控制設備可能直接或通過螺栓結合安裝在發(fā)動機內，發(fā)動機將徹底變成綜合的設備，控制系統(tǒng)通過裝配線控制。因此，這里需要高溫控制模塊，發(fā)動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并控制。這樣通常會減少一些額外的附件，特別是配線，因此也將有助于減少成本。這種技術已經應用在一些子系統(tǒng)，如HVAC系統(tǒng)中步進馬達巡航控制。
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