關於汽車傳動系統應用管理論文
關於汽車傳動系統應用管理論文
前言
目前，隨著電子技術的發展和消費者對車輛安全、舒適度等方面要求的不斷提高，用於汽車發動機和傳動系統的電子系統幾乎要佔到整車的35，據Selantek報道，1998年汽車半導體銷售達到了94億美元，其中，用於傳動系統的佔到44，到了2003年，該市場達到了144億美元，其中用於傳動的佔到40。
汽車傳動系統
傳動系統中32位微控制器應該屬於現代汽車中最為複雜的系統，它透過各類感測器對裝置與環境的監測來控制相關裝置（如圖1）。儘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複雜的多，同時還要考慮到透過最佳化設計和製作工藝來降低整車成本。汽車微處理器通常執行頻率為33MHz，而不是400MHz或者更高，這隻相當於桌上型電腦的一部分，它通常包括中央處理器儲存器、時鐘振盪器和I/O等。有時會用過把一些常用的I/O函式整合在MCU來降低新產品的成本，例如Motorola發動機控制模組68332。
傳動系統以前採用的是8位的MCU，隨著噴射系統標準逐漸變得更加嚴格，對精確性和執行效能的要求的提高，16位甚至32位的MCU逐步開始採用，不久前推出了專用於發動機控制的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。
用於Rolls—Royce（勞斯萊斯）和AstonMartin（阿斯頓·馬丁）汽車上的Zytec發動機管理系統。
輸入輸出
發動機速率和同步感測器進氣歧管絕對壓力（MAP）感測器車載大氣絕對壓力感測器空氣溫度感測器發動機冷卻液感測器燃油溫度感測器機油溫度感測器怠速節氣門位置感測器自動變速箱廢氣再迴圈閥感測器空調系統速度感測器燃料槽感測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淨化器控制發動機冷卻風扇控制空調控制介面怠速控制介面燃料泵繼電器控制車載計算機介面轉速計驅動。
雙向介面
序列通訊汽車安全系統介面自動變速箱管理ISO9141OBD2掃描介面。
同時，利用EMV系統可以透過減少凸輪軸、調速帶和鏈輪（sprocket）簡化複雜的機械系統及減輕車身重量。在發動機控制單元增加一個EMV需要增加I/O和軟體需求，甚至需要數字訊號處理功能。數字訊號處理器（DSP）以嵌入式或者軟體的形式廣泛的應用於點火系統和爆振探測系統或者類似的環境。
發動機控制系統的這些子系統透過DSP運演算法則有效的執行著運算指令，將來透過綜合的工具可以透過集合不引擎點火和爆振演算法計算並分析發動機熱點或者高溫區域，這些熱點透過整合在微處理器性晶片上的DSP進一步處理而減少。與此相類似的是現代系統中的臨界定時系統，在這一系統中有一個時鐘處理單元為發動機執行提供所必需的點火和燃料訊號，該訊號是恆態的，主處理單元中不存在任何形式的中斷。透過應用嵌入式外圍裝置取代DSP可以大幅的降低成本，圖1中MPC555就具有兩個TPU。
電子系統的改變推動了硬體的變化：嚴格的噴射標準更復雜的診斷系統直接噴射系統高溫執行環境提高燃料利用率電動機械固態演化多功能/綜合/機電裝置（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、儀表盤、ABS、牽引控制、便攜電話和娛樂系統等透過2線與動力傳動系統相連，車載檢測裝置需要建立在汽車發動機控制和各種相關器件之間的通訊協議。
分割槽：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。整個系統需不需要整合在一片晶片上哪？儘管這是可行的，其實這種方法在簡單的系統中是可行並且非常有效的，但不適合龐大的系統。這裡合理的劃分還包括微控制器介面電路，獨立的還是把它設計到感測器上或者電源IC上（如圖2）？將來的系統將會擴充儲存能力和軟體功能，同時還會增加無線射頻介面功能。
發動機控制中的電源
汽車發動機電源必須效能可靠、便於維護，並且比其他半導體裝置更能承受大功率暫態衝擊和非同尋常的溫度考驗，靈活的介面及其綜合裝置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發明的，結合了雙極型和分離柵極電晶體的優點，並在特定的電壓/開關速度域中具明顯優勢。目前幾乎所有新點火系統的設計中都使用IGBT。
由於ECU和點火模組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組來提供。這就意味著在點火模組中又增加了電路複雜度。為了簡化電纜以及減少點火模組介面的數量，多路複用管腳的使用就成了首選。但是，多路複用管腳又需要將更多的電子器件整合到點火開關中。所有的`這些特點都需要更多的空間來實現，於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。用片上晶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
智慧電源IC在同一塊晶片上集成了一些功率驅動器和控制電路，因而可以透過單一的介面實現與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，透過在同一封裝上實現幾個介面，允許驅動4、6甚至8缸發動機的所有噴射系統，與此同時，更復雜的診斷和保護電路也被整合起來。該電路在晶片上還提供了16埠的輸出，每一個輸出裝置還允許熱關閉。附加的電路具有和主微控制器主機之間序列通訊介面，並且具備開路負載和螺線管。
矽感測器
已經應用的微機械壓力感測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，這些單元的電磁相容通常透過模組內部的遮蔽或者模組機架來實現。最近具有整合訊號處理功能的分壓阻感測器已經通過了在汽車上應用的資格認證。
綜合壓力感測器的主要特點是在一個獨立且很小的矽片擁有所有的執行演算法，這種小的尺寸允許它安裝在汽車電子模組中，當模組設計好之後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並且不利於安裝。
EMC是塑封綜合壓力感測器特別是帶有電火線圈驅動程式的安裝在模組內的感測器，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資料測試技術。相關的測試證明塑封完全適合汽車的應用。
儲存器最佳化
現在汽車傳動控制系統包含了10，000至14，000個標準點，這主要取決於汽車製造商和噴射系統標準對於該系統的要求，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，即系統越複雜其標準點也就越多。
未來系統的解決的答案在於程式碼，即執行在這些傳動控制模組的軟體。現在的查表是在開發階段功率計上的擴充套件引擎影射建立的，然後在車輛執行時訪問，主要基於由發動機每秒轉速（rpm）、溫度和其他的感測器測量值確定的工作點。透過編寫程式碼的方式也可以夠改善效能，帶有支援庫的先進工具將允許工程師以方程或基於模型演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，這些方程將允許發動機的效能（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於高效能微控制器，而方程式則取代了校準點。
在一些先進的傳動系統中，編碼的長度在未來幾年中將很輕鬆的達到兆位元組，就這一點而言，傳動系統的微處理器在本質上也是一個儲存晶片（儲存器將仍然主要是矽的領域），不過這些裝置中的儲存器可能由嵌入式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模擬，這樣才能減少故障及系統成本。
此外半導體供應商也必須採用系統方法來幫助他們的客戶降低成本和縮短系統設計週期，例如Motorola，開發出了一系列的具有自主智慧財產權的傳動系統方案和多種封裝方法，包括傳統的結構和軟體驅動電路等。在控制系統中，如引擎不點火和爆振演算法，甚至燃料等，也將完全由半導體供應商封裝以後提供。
封裝
封裝對於減小發動機電子部件的尺寸和提高執行時的溫度有著極為重要的作用，對於很多產品（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膠封裝（150oC熔化），將裸晶片固定在陶瓷片上。這就要求半導體供應商在提供裸晶片前對晶片做很好的測試。另一個方法之是採用倒裝晶片（flipchip）封裝技術，它是直接透過晶片上呈陣列排布的凸點來實現晶片與封裝襯底（或電路板）的互連。由於晶片是倒扣在封裝襯底上，與常規封裝晶片放置方向相反。
綜述
未來發動機控制裝置可能直接或透過螺栓結合安裝在發動機內，發動機將徹底變成綜合的裝置，控制系統透過裝配線控制。因此，這裡需要高溫控制模組，發動機智慧控制是一種機電控制方法將機械裝置與電控裝置緊密相聯並控制。這樣通常會減少一些額外的附件，特別是配線，因此也將有助於減少成本。這種技術已經應用在一些子系統，如HVAC系統中步進馬達巡航控制。