汽车传动系统应用管理论文

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前言

目前，随着电子技术的发展和消费者对车辆安全、舒适度等方面要求的不断提高，用于汽车发动机和传动系统的电子系统几乎要占到整车的35，据Selantek报道，1998年汽车半导体销售达到了94亿美元，其中，用于传动系统的占到44，到了2003年，该市场达到了144亿美元，其中用于传动的占到40。

汽车传动系统

传动系统中32位微控制器应该属于现代汽车中最为复杂的系统，它通过各类传感器对设备与环境的监测来控制相关设备（如图1）。尽管与台式电脑的计算单元相类似，但是汽车微处理器却公认要复杂的多，同时还要考虑到通过优化设计和制作工艺来降低整车成本。汽车微处理器通常运行频率为33MHz，而不是400MHz或者更高，这只相当于台式机的一部分，它通常包括中央处理器存储器、时钟振荡器和I/O等。有时会用过把一些常用的I/O函数整合在MCU来降低新产品的成本，例如Motorola发动机控制模块68332。

传动系统以前采用的是8位的MCU，随着喷射系统标准逐渐变得更加严格，对精确性和执行性能的要求的提高，16位甚至32位的MCU逐步开始采用，不久前推出了专用于发动机控制的32位RISC（reducedinstructionsetcomputer）结构，该结构的目的不仅满足现在的要求，同时还要满足未来的需求。用这种产品控制发动机效果非常明显，如EMV（electromagneticvalve），扭距增加50，燃料消耗减少25，排放降低了40~90。

用于Rolls-Royce（劳斯莱斯）和AstonMartin（阿斯顿·马丁）汽车上的Zytec发动机管理系统。

输入输出

发动机速率和同步传感器进气歧管绝对压力(MAP)传感器车载大气绝对压力传感器空气温度传感器发动机冷却液传感器燃油温度传感器机油温度传感器怠速节气门位置传感器自动变速箱废气再循环阀传感器空调系统速度传感器燃料槽传感器点火线圈控制尾气排放控制尾气再流动控制空气泵控制净化器控制发动机冷却风扇控制空调控制接口怠速控制接口燃料泵继电器控制车载计算机接口转速计驱动。

双向接口

串行通讯汽车安全系统接口自动变速箱管理ISO9141OBD2扫描接口。

同时，利用EMV系统可以通过减少凸轮轴、调速带和链轮（sprocket）简化复杂的机械系统及减轻车身重量。在发动机控制单元增加一个EMV需要增加I/O和软件需求，甚至需要数字信号处理功能。数字信号处理器(DSP)以嵌入式或者软件的形式广泛的应用于点火系统和爆振探测系统或者类似的环境。

发动机控制系统的这些子系统通过DSP运算法则有效的执行着运算指令，将来通过综合的工具可以通过集合不引擎点火和爆振算法计算并分析发动机热点或者高温区域，这些热点通过集成在微处理器性芯片上的DSP进一步处理而减少。与此相类似的是现代系统中的临界定时系统，在这一系统中有一个时钟处理单元为发动机运行提供所必需的点火和燃料信号，该信号是恒态的，主处理单元中不存在任何形式的中断。通过应用嵌入式外围设备取代DSP可以大幅的降低成本，图1中MPC555就具有两个TPU。

电子系统的改变推动了硬件的变化:严格的喷射标准更复杂的诊断系统直接喷射系统高温运行环境提高燃料利用率电动机械固态演化多功能/综合/机电设备（如电磁气门驱动)。

通讯

在更复杂的车辆中，空调、照明、汽车动力、门和座椅的调节、仪表盘、ABS、牵引控制、便携电话和娱乐系统等通过2线与动力传动系统相连，车载检测设备需要建立在汽车发动机控制和各种相关器件之间的通讯协议。

分区：系统设计小组必须要正确的划分系统的结构，给出合理的系统节点。整个系统需不需要集成在一片芯片上哪？尽管这是可行的，其实这种方法在简单的系统中是可行并且非常有效的，但不适合庞大的系统。这里合理的划分还包括微控制器接口电路，独立的还是把它设计到传感器上或者电源IC上（如图2）？将来的系统将会扩充存储能力和软件功能，同时还会增加无线射频接口功能。

发动机控制中的电源

汽车发动机电源必须性能可靠、便于维护，并且比其他半导体设备更能承受大功率暂态冲击和非同寻常的温度考验，灵活的接口及其综合设备在实现这一功能时也起着重要的作用。

IGBT点火线圈驱动

IGBT（Insulated-gatebipolartransistors）是在19年前由FrankWheatly在前RCA发明的，结合了双极型和分离栅极晶体管的优点，并在特定的电压/开关速度域中具明显优势。目前几乎所有新点火系统的设计中都使用IGBT。

由于ECU和点火模块的距离可能有几米远，所以半导体和点火线圈的保护以及诊断就必须由点火模块来提供。这就意味着在点火模块中又增加了电路复杂度。为了简化电缆以及减少点火模块接口的数量，多路复用管脚的使用就成了首选。但是，多路复用管脚又需要将更多的电子器件集成到点火开关中。所有的这些特点都需要更多的空间来实现，于是有限的安放空间就成为分散式点火输出级的主要设计因素之一。用片上芯片技术生产的灵巧型IGBT就可能满足对空间的严格要求。

喷射驱动

智能电源IC在同一块芯片上集成了一些功率驱动器和控制电路，因而可以通过单一的接口实现与MCU间的保护和自诊断。更先进的技术可以提供更复杂的产品，通过在同一封装上实现几个接口，允许驱动4、6甚至8缸发动机的所有喷射系统，与此同时，更复杂的诊断和保护电路也被集成起来。该电路在芯片上还提供了16端口的输出，每一个输出设备还允许热关闭。附加的电路具有和主微控制器主机之间串行通讯接口，并且具备开路负载和螺线管。

硅传感器

已经应用的微机械压力传感器比汽车多路绝对压力和大气绝对压力测量10年中的应用还要多得多，这些单元的电磁兼容通常通过模块内部的屏蔽或者模块机架来实现。最近具有集成信号处理功能的分压阻传感器已经通过了在汽车上应用的资格认证。

综合压力传感器的主要特点是在一个独立且很小的硅片拥有所有的执行算法，这种小的尺寸允许它安装在汽车电子模块中，当模块设计好之后用金属封装来改进抗电磁干扰(EMI)的能力。但这样的成本比较高并且不利于安装。

EMC是塑封综合压力传感器特别是带有电火线圈驱动程序的安装在模块内的传感器，具有较高的开关频率所要考虑的。EMC测试需要完整的设计测试方案、详细的测试方法说明和准确的数据测试技术。相关的测试证明塑封完全适合汽车的应用。

存储器优化

现在汽车传动控制系统包含了10,000至14,000个标准点，这主要取决于汽车制造商和喷射系统标准对于该系统的要求，如图4所示，在1988到1998年期间，标准点几乎增加了一个数量级，即系统越复杂其标准点也就越多。

未来系统的解决的答案在于代码，即运行在这些传动控制模块的软件。现在的查表是在开发阶段功率计上的扩展引擎影射创建的，然后在车辆运行时访问，主要基于由发动机每秒转速（rpm）、温度和其他的传感器测量值确定的工作点。通过编写代码的方式也可以够改善性能，带有支持库的先进工具将允许工程师以方程或基于模型算法的形式设计控制理论。经过具有浮点数运算功能的强大的微处理机器编译，这些方程将允许发动机的性能(即马力或扭矩)以抽象的形式描述出来。这些抽象语言的输出相近于高性能微控制器，而方程式则取代了校准点。

在一些先进的传动系统中，编码的长度在未来几年中将很轻松的达到兆字节，就这一点而言，传动系统的微处理器在本质上也是一个存储芯片（存储器将仍然主要是硅的领域），不过这些设备中的存储器可能由嵌入式DRAM替代ROM-RAM。

BMW公司WolfgangReitzle博士在Convergence会议上提到造成电子系统比较昂贵的原因所在：电子系统故障。

因此，在早期的设计中需要更多的计算机模拟仿真，这样才能减少故障及系统成本。

此外半导体供应商也必须采用系统方法来帮助他们的客户降低成本和缩短系统设计周期，例如Motorola，开发出了一系列的具有自主知识产权的传动系统方案和多种封装方法，包括传统的结构和软件驱动电路等。在控制系统中，如引擎不点火和爆振算法，甚至燃料等，也将完全由半导体供应商封装以后提供。

封装

封装对于减小发动机电子部件的尺寸和提高运行时的温度有着极为重要的作用，对于很多产品（可能会达到170oC）而言，其中一个重要的方法是彻底去除这些器件的塑料封装（150oC熔化），将裸芯片固定在陶瓷片上。这就要求半导体供应商在提供裸芯片前对晶片做很好的测试。另一个方法之是采用倒装芯片（flipchip）封装技术，它是直接通过芯片上呈阵列排布的凸点来实现芯片与封装衬底（或电路板）的互连。由于芯片是倒扣在封装衬底上，与常规封装芯片放置方向相反。

综述

未来发动机控制设备可能直接或通过螺栓结合安装在发动机内，发动机将彻底变成综合的设备，控制系统通过装配线控制。因此，这里需要高温控制模块，发动机智能控制是一种机电控制方法将机械设备与电控设备紧密相联并控制。这样通常会减少一些额外的附件，特别是配线，因此也将有助于减少成本。这种技术已经应用在一些子系统，如HVAC系统中步进马达巡航控制。