一种氨氢发动机控制器的制作方法

本发明属于氨氢发动机系统的控制，具体涉及一种氨氢发动机控制器。

背景技术：

1、随着经济社会的不断发展，环境问题日益突出。开发清洁能源技术对于实现可持续社会发展至关重要。氨气和氢气作为无碳清洁可再生能源，能够替代传统化石能源，以满足大规模能源消耗的需求，减少温室气体的排放。氨是世界上第二大合成的工业化学物质，全球年产量约2亿吨，相关基础及产业链完善。氨不但能够作为氢能的载体用于制氢，而且氨的物化特性决定它能够作为发动机的替代燃料。与氢一样，氨也能够从可再生能源的各种资源中生产得到。作为内燃机燃料，与氢相比，氨的体积能量密度为14.9mj/m3，高于氢气的体积能量密度10.7mj/m3。而且氨在常压下，-33℃就变成液体，具有易储存携带，续航里程长等优势；同时氨的自燃温度和最小点火能力高，可燃范围小，使用安全可靠。

2、氨氢发动机系统是一个涉及化学反应动力学、流体动力学、热力学、电工学及自动控制等多学科的复杂系统，该系统在运行过程中，需要调节与控制的物理量和参数非常多，为了使氨氢发动机系统安全可靠运行，必须配置控制器对其进行管理控制。氨氢发动机控制器需要具备较强的运算处理能力和丰富的外设资源接口才能够在系统运转过程中，有效管理和协调各个参数和控制执行部件，保障氨氢发动机能正常工作，不出现异常燃烧现象。

3、氨氢发动机控制器需要连续监测并控制发动机正常运转，并根据各路传感器的输入数据测试和计算所需空燃比及发动机点火提前角度，实现高效率和高功率输出并抑制爆震。氨氢发动机控制器涉及各环节的管理、协调、监控和通信，以确保系统可靠和高效的运行，包括气路管理，水热管理，电气管理，数据通信和故障诊断等。

4、但现有的氨氢发动机控制器还存在以下缺点：

5、(1)支持的传感器信号类型少，无法接收、处理某些传感器信号，通用性较低。

6、(2)部分通道输出功率低、频率低，无负载监控，无法快速进行执行器切换。

7、(3)抗电磁干扰性能差，容易受外界电磁辐射干扰。

8、(4)传感器信号采集精度低、误差大，进而无法精准控制燃料喷射，有出现异常燃烧现象的风险。

9、(5)硬件资源的占用程度较高，部分功能模块通道数较少，仅能满足目前的功能需求，后续的功能扩展较难，满足不了日益复杂系统的控制需求。

10、(6)硬件电路结构复杂，体积大且成本高。

11、(7)部分通道功能单一，无法灵活配置以适配不同应用场景。

12、(8)没有以太网通信模块，无法应对未来整车网络的发展趋势。

13、为此，需要开发更加精准，安全可靠，多功能性的氨氢发动机控制器，以适应日益复杂氨氢发动机系统的控制需求。

技术实现思路

1、针对现有氨氢发动机控制器存在的上述技术问题，本发明提供一种氨氢发动机控制器，设计了各种功能模块和实现电路，使控制器能够支持模拟量、数字量、sent信号接收，以及can、lin信号收发，高效快速的传递外部信号，满足各类传感器的信号传输需求。其中，以太网模块提供快速远程、高速信号的传输，对于远程更新提供便捷的接口。控制器具有多路大功率、高频率的高边、低边、h桥功率输出，并对部分功率输出进行电流检测，以便在多负载驱动时也能实时了解负载状态，还能够提供大功率快速启动信号输出，使电磁阀类负载能快速响应，从而保证控制精准无误。各种功能模块集成化设计使系统体积及成本均有所降低，同时提高了系统可靠性。其具体技术方案如下：

2、一种氨氢发动机控制器，控制器包括微处理器模块和电源模块，微处理器模块连接电源模块，且微处理器模块和电源模块分别连接功能模块，功能模块包括can通信模块、lin通信模块、以太网通讯模块、模拟信号检测模块、数字信号检测模块、peak&hold输出模块、高边&h桥输出模块、低边&点火&数字输出模块和传感器信号采集模块；所述电源模块为微处理器模块和每个功能模块供电；所述微处理器模块是控制器的算法和控制策略的载体；所述can通信模块用于控制器与外部控制器进行通信，收发can信号；所述lin通信模块作为lin总线的主节点与从节点进行通讯；所述以太网通讯模块用于扩展通讯方式为以太网通讯；所述模拟信号检测模块用于外部模拟信号和内部供电电压的实时监测；所述数字信号检测模块用于将外部输入的数字信号处理后传送给微处理器模块；所述peak&hold输出模块用于驱动电磁阀，加快电磁阀的开启速度；所述高边&h桥输出模块用于输出驱动信号；所述低边&点火&数字输出模块用于驱动设备；所述传感器信号采集模块用于采集爆震传感器信号、氧传感器信号、凸轮轴传感器信号和曲轴传感器信号。

3、上述技术方案中，所述微处理器模块包括微处理器芯片，所述微处理器芯片连接有时钟信号电路、气压监测电路、jtag接口电路、供电接口电路；所述时钟信号电路的时钟信号源使用20m无源晶振，并联2个电容，形成两路输出信号直接连接于微处理器芯片的时钟引脚上；所述气压监测电路的芯片通过i2c总线连接于微处理器芯片的i2c引脚，用于实时监测气压状态，使外部设备在不同气压值的情况下做出合理的调整，确保氨氢发动机控制器及外部系统能够稳定工作；所述jtag接口电路直接由微处理器芯片的引脚引出到8-pin jtag触点上，且串联10k电阻上拉到5v或下拉接地，用于实现程序的下载及调试功能；供电接口电路是在微处理器芯片的供电引脚连接去耦电容，滤除供电线路的噪声干扰，使微处理器芯片能够稳定工作，供电电压来自于电源模块的5v和3.3v供电，微处理器芯片的每路供电线路均外接去耦电容，在5v和3.3v的源头处额外加设抗振型电容，确保电压稳定以及滤除低频干扰。

4、上述技术方案中，所述电源模块采用汽车专用供电buck1芯片、开关ic1芯片、ldo1芯片、ldo2芯片、ldo3芯片、ldo4芯片和ldo5芯片；buck1芯片的供电范围为4.5v～40v，产生一个7v的电压轨作为开关ic1芯片、ldo1芯片、ldo3芯片、ldo4芯片和ld o5芯片的供电输入，以及作为peak&hold输出模块的供电输入；开关ic1芯片提供24v电压输出为外部供电；采用4个ldo1芯片输出4路5v电压输出作为外部传感器供电使用，每路5v电压输出为外部传感器提供400ma电流；ldo2芯片输出5v电压，2个ldo3芯片均输出5v电压，ldo4芯片输出3.3v电压，ldo5芯片输出5v电压，作为控制器的内部芯片供电，其中，ldo2供电来自于供电滤波电路的输出，ldo3芯片、ldo4芯片和ldo5芯片供电来自于buck1芯片输出的7v电压轨；在buck1芯片的使能引脚连接唤醒信号输入电路的输出端，支持多种唤醒信号输入以及唤醒源检测功能；

5、其中，供电滤波电路的布局为，在连接器端口并联1个tvs保护二级管、3个4.7uf电容、1个100nf电容后，再依次串联1个共模电感和1个二极管，之后并联1个680uf电解电容、1个10uf电容，之后串联1个磁珠，最后并联1个10uf电容、1个100nf电容，形成供电滤波电路；

6、其中，唤醒信号输入电路分为唤醒信号输入和唤醒信号回采两部分；唤醒信号输入部分，每路唤醒信号都串联二级管，防止其他唤醒信号串扰导致唤醒信号识别不准；唤醒信号回采部分，直接由唤醒信号输入部分的每条信号线引出，经100k和10k电阻分压后连接到微处理器芯片的引脚，同时在分压点分别串联二极管上拉到3v3以及串联100nf电容连接到地，起到保护微处理器芯片安全，以及滤除外界干扰造成唤醒信号误报的作用。

7、上述技术方案中，所述can通信模块以6路can收发器为核心，其中，前3路can收发器均带有使能和禁能控制功能，同时具有唤醒功能，发出的唤醒信号是电源模块的唤醒源之一；每路can收发器的一端与微处理器芯片搭载的can控制器相连，每路can收发器的另一端分别连接有can总线接口电路，每路can总线接口电路的实现方式相同，都是在输出端的两路差分信号上串接共模扼流圈、旁路电容和平衡电阻。

8、上述技术方案中，所述lin通信模块用于lin总线的主节点与从节点进行通讯，接收从节点发来的lin信号；lin通信模块采用lin通信芯片，即lin收发器，lin通信芯片的inh引脚和lin引脚之间串联有二极管，以及串联有并联的2k电阻，来实现lin通信模块的主动工作模式。

9、上述技术方案中，所述模拟信号检测模块提供34路外部模拟信号输入检测通道和6路5v电源输出检测通道；其中，有30路外部模拟信号输入检测通道能够根据具体需求变换为电压型检测或电阻型检测，满足不同检测需求，有4路外部模拟信号输入检测通道为电阻型温度采集检测，通过差分电路增益10倍，采集外部传感器实际测量值；每路的外部模拟信号输入检测通道均设置保护电路，当超过5v的电压或高电压脉冲信号干扰时能够保护模拟信号检测模块的安全性，以及保护微处理器芯片不会损坏，提高系统可靠性。

10、上述技术方案中，所述数字信号检测模块包括：20路数字信号检测电路、4路sent信号检测电路、4路频率信号检测电路；数字信号检测电路输入的数字信号通过分压电路、滤波电路、保护电路传输给微处理器模块，并且能够通过增减上拉组件的方式，配置为低有效或者高有效；频率信号检测电路输入的频率信号通过信号处理电路、滤波电路传输给微处理器处理；sent信号检测电路能够处理特殊传感器输出的信号，能够以宽范围处理外部传感器信号；各路信号处理端口均配备保护电路，保证氨氢发动机控制器不被损坏，提高系统安全性。

11、上述技术方案中，所述以太网通讯模块采用以太网芯片，匹配外围电路，提高芯片工作稳定性。

12、上述技术方案中，所述peak&hold输出模块提供18路通道，提供峰值功率小于200w的输出，用于驱动大功率电磁阀，在驱动开始50μs内提供到18a的大电流，以加快电磁阀的开启速度不超过200μs，在达到工作点后减小电流至1a～10a，维持开启状态，提升大功率电磁阀控制的灵敏度及响应速度，进而提升氨氢发动机的瞬时响应能力；peak&hold输出模块以peak&hold专用芯片为核心，匹配外围电路，提供输出；peak&hold输出模块的端口处设置有接口保护电路，确保稳定输出，保护peak&hold输出模块不受干扰或损坏。

13、上述技术方案中，所述高边&h桥输出模块由2个高边输出电路和2个h桥输出电路构成；所述高边输出电路采用2个高边输出芯片，每个芯片提供2路高边输出通道，共提供4路高边输出通道，单路输出电流为1.5a，支持过压、过流、过温、短路保护功能，具有电流检测功能；所述h桥输出电路采用2个h桥输出芯片，每个芯片提供2路h桥输出通道，共提供4路h桥输出通道，单路输出电流为10a；h桥输出电路的芯片控制端由使能引脚控制芯片的工作状态，控制方式采用spi串行总线发送命令，控制4路h桥输出通道的开或关，对spi总线的数据输入线和片选信号进行上拉处理，防止微处理器模块的控制信号及数据在传输过程中受干扰失真，造成意外的控制动作；h桥输出电路的芯片自身具有过流保护机制，当输出电流超过芯片能承受的阈值时，芯片内部自动关断输出，从而保护芯片，防止过流损坏。

14、上述技术方案中，所述低边&点火&数字输出模块由4个低边输出电路、1个栅极驱动电路和3个点火驱动电路构成；低边输出电路共提供24路低边输出；第1路～4路低边输出由1个l9362013芯片提供，输出电流为3a，支持过流、过温功能，兼容pwm输出，其中4路具有电流检测功能；第5路～8路低边输出由1个l9362013芯片提供，输出电流为3a，支持过流、过温功能，兼容pwm输出；第9路～16路低边输出由1个74hct244芯片和8个mos管配合提供，输出电流为2a，支持过流、过温及钳位保护功能，兼容pwm输出，其中2路具有电流检测功能；第17路～24路低边输出由1个l9301芯片提供，输出电流为2a、具备spi保护和诊断功能；每路低边输出的控制方式采用spi串行总线发送命令，控制通道的开或关，对spi总线的数据输入线和片选信号进行上拉处理，防止微处理器模块的控制信号及数据在传输过程中受干扰失真，造成意外的控制动作；低边输出的芯片自身有过流保护机制，当输出电流超过低边输出的芯片能承受的阈值时，低边输出的内部自动关断输出，从而保护低边输出的芯片，防止过流损坏；3个点火驱动电路提共6路输出，每个点火驱动电路采用1个点火驱动芯片，提供2路输出，设计兼容外部线圈自带驱动与外部线圈无驱动两种情况，提高对点火线圈的适配性；栅极驱动电路采用栅极驱动芯片，数字信号输出经过栅极驱动电路直接输出；

15、其中，在第9路～16路低边输出电路中，选取两路低边输出增加电流检测功能，以便实时监测负载情况；采用ina240电流检测芯片的8引脚(out引脚)串接100r电阻后作为信号输出；4引脚(gnd引脚)和7引脚(ref1引脚)连接到地；5引脚(vs引脚)和6引脚(ref2引脚)连接到5v电源，同时5引脚(vs引脚)串联100nf电容连接到地；2引脚(in+引脚)和3引脚(in-引脚)作为电流采样输入引脚，分别串联10r电阻后，与15mr采样电阻串联构成回路，同时15mr采样电阻串联到待测低边输出的主回路中。

16、上述技术方案中，所述传感器信号采集模块包括爆震传感器信号采集电路、氧传感器信号采集电路、磁电型凸轮轴&曲轴传感器信号采集电路、霍尔型凸轮轴&曲轴传感器信号采集电路；爆震传感器信号采集电路采用爆震传感器接口芯片，使用spi串行总线读取数据；爆震传感器信号经过爆震传感器接口芯片的调节，过滤掉信号中的噪声，随后对信号进行整流和积分，使微处理器模块监控信号时能准确无误的判断爆震是否发生；氧传感信号采集电路分为前氧传感器信号采集电路和后氧传感器信号采集电路，前氧传感器信号采集电路能够输出0v～5v的连续线性电压信号来间接反映混合气空燃比，微处理器模块通过spi总线读取空燃比数据，进而精确控制喷气量，使混合气达到最佳空燃比；后氧传感器信号采集电路设置有滤波电路、保护电路和比较电路，保证信号采集精度和控制器不被损坏，提高系统安全性；磁电型凸轮轴&曲轴传感器信号采集电路具有双通道可变磁阻接口，能够将输入的正弦波信号转换为同频率方波信号输出，确保微处理器芯片能够采集处理；霍尔型凸轮轴&曲轴传感器信号采集电路的采集端口配备滤波器件和保护器件，保证信号采集精度以及控制器不被损坏，提高系统安全性。

17、本发明的一种氨氢发动机控制器，与现有技术相比，有益效果为：

18、一、氨氢发动机控制器的微处理器模块采用高性能6核300mhz芯片，片上资源丰富算力强大，安全性高。

19、二、传感器信号采集模块设计，实现了对不同类型传感器的支持，解决了无法接收、处理某些传感器信号，通用性较低的问题。

20、三、peak&hold输出模块设计，提升了功率电路的大功率、高频率输出能力，进而提升了对执行器控制的敏捷性，能够实现执行器快速切换，且部分通道带有负载监控功能，解决了现有控制器无负载监控，过载时造成电路损坏的问题。

21、四、电源模块的工作环境非常恶劣，外部供电电压范围大，有时还要面对浪涌电流对电源模块的冲击。所以，设计电源模块具有宽幅供电输入和高稳定性、高可靠性的供电输出。实现了高稳定性宽幅供电，能够耐受浪涌电压、电流的冲击，保证系统工作的稳定性、可靠性和安全性。

22、电源芯片外围器件选型经过不断的测试优化调整，形成了独有的设计，大大提高了本模块的工作稳定性。还专门设计了蓄电池电压、外部传感器供电电压以及内部5v供电电压监测电路，通过模拟信号检测模块对上述供电电压进行监测，保证系统可实时获得这些供电电压的当前值。电源输入端加入供电滤波电路，一方面滤除供电线路上的干扰信号以及浪涌电压、电流对电源芯片稳定性的影响，另一方面把电源芯片产生的对外电磁干扰信号过滤掉。

23、五、模拟信号检测模块和数字信号检测模块设计，实现了高精度的外部信号检测，能够精准采集模拟信号、数字信号、频率信信号以及各类外部传感器信号，为控制策略提供可靠的数据来源，提高了系统可靠性。

24、六、功能模块的各类硬件资源通道众多、规格多样、部分通道可灵活配置且采用冗余设计，具有很强的兼容性，能够很好的适配不同应用需求。

25、七、氨氢发动机控制器能够支持多种通讯方式，满足外部各类设备的通信需求，易于集成到客户系统中。尤其增加了具有前瞻性的以太网模块，支持低延迟、高速率、大容量的数据传输，符合未来整车网络架构的发展方向。

26、八、所有电子元器件选型均为汽车级，同时硬件电路的pcb设计运用电子学专业知识和大量实践经验，实现了良好的电磁兼容性，具有很好的emc抗干扰能力，大大提高了硬件电路的稳定性、安全性。

27、九、通过高低边输出、h桥、peak&hold功能的集成化设计，实现了功率大、成本较低、体积小的有益效果。

28、十、高边&h桥输出模块和peak&hold输出模块选用多通道、大功率、大电流芯片作为核心器件，能够安全稳定的输出驱动信号，包括驱动继电器、电磁阀和电机设备等。

29、十一、低边&点火&数字输出模块采用多通道、大功率、大电流低边开关芯片作为核心器件，控制端有专门的使能引脚控制芯片工作状态，能够安全稳定的驱动设备，包括车辆水泵和风扇等。