电控单元（ECU）又称控制器或电控器，是柴油机电控系统的核心部件，它实际上是一个微型计算机管理中心，即以信号（数据）采集作为输入，经过计算处理、分析判断、决定对策，然后输出控制指令指挥执行器动作，有时它还要给传感器提供稳压电源或参考电压，其全部功能是通过各种硬件和软件的总和来完成的。借助于大规模集成电路，已经可以将复杂多样的几百个元器件全都做在1～2块多层电路板上，封装在一个十分紧凑的盒子里，用铝制外壳屏蔽起来，图8-14所示即为一个用于柴油机燃料共轨系统的电控单元外形结构和组成框图，以下拟就电控单元的技术要求、硬件和软件系统以及控制策略作一简要介绍。

图8-14 电控单元的结构和组成

a）外形结构 b）组成框图 1—大气压力传感器 2—稳压电源 3—低能耗终端模块 4—插座 5—控制器局域网络（CAN）接口（在仪表板背面） 6—高功率终端模块 7—用于终端控制的专用集成电路（ASIC） 8—用于共轨 系统的升压贮存器9—微处理器（CPU）

1.对电控单元的技术要求

（1）实时性 由于柴油机转速很高，例如轿车柴油机转速高达4000r/min以上，一台4缸柴油机每秒钟喷油100多次，两次喷油之间的间隔不超过10ms，由于还有许多其他工作要做，电控单元用于处理每次喷油过程的时间不应超过5ms，由此可见，只有电控单元具有很高的计算和反应速度，才能对电控柴油机进行实时有效的控制，这也就是说，电控单元的实时性（Real-Time-Compatibility）要好。随着计算机技术的进步，包括实时性在内的ECU功能已经并必将得到更大的改善。

（2）紧凑性 为了便于在汽车或柴油机上的布置与安装，电控单元的尺寸应尽可能小，重量则应尽可能轻，也就是结构紧凑性要好。在ECU设计制造中采取了各种先进工艺，如多层印刷线路（层厚为0.035～0.07mm），尽量减少接线而采用焊接与粘接方法制造集成电路板的SMD（Surface Mounted Devices）技术和ASIC（Application Specific Integrated Circuit）专用集成线路方案等，以保证ECU的结构紧凑性。

（3）可靠性 电控单元的工作条件十分恶劣，工作时受到环境中热、振动与电磁等诸多不利因素的干扰，为此对其工作可靠性应有很高的要求，具体来说应当能承受温度变化范围为-40～120℃，抗振动冲击能力不低于30g（g为地心引力产生的重力加速度），并具有抗各种电磁干扰（手机、收音机和其他电磁信号）的能力，为此，除了注意提高原器件的制造与连接质量以外，还需采用相应的防护措施（如冷却和隔振等），以保证电控单元工作的可靠性。

2.电控单元的结构（硬件）

电控单元的硬件按功能可分为以下三个部分：

（1）输入信息的处理部分 它将各种传感器送来的信号经过整形、放大处理，模拟量还要经过A/D转换，转变成计算机能接受且量程合适的数字信号。

（2）微处理器系统 它根据输入的信息和内在的控制策略及数据、图表等进行分析和运算以产生控制命令。微处理器系统包括微型处理器（CPU）、各种存储器、输入输出接口（I/O），以及在CPU、存储器和I/O之间传递信息的数据总线、地址总线和控制总线以及产生时间节拍脉冲以控制微机操作的计时器等，微机系统的各部分通常全部集中在一块芯片上，即所谓的单片机。

（3）输出信息的处理部分 即如图8-14b所示的终端模块，它将微机输出的只有mA级的各种控制命令调制、放大为可以驱动各种执行器的控制信号并输出。

单片机是电控单元的核心，为了提高CPU的运算速度和计算精度，目前通常采用16位或32位单片机。

电控单元中有两类功能不同的存储器：一类是RAM（Random Access Memory，随机存取存储器），用于存取运行信息，如传感器输入的实时信息、计算过程中的数据等，这些信息在柴油机运行中时时被更新，停机后即全部消失；另一类是ROM（Read Only Memory，只读存储器）、EPROM（Erasable Programmable ROM，存储内容可在紫外线照射下擦除，新内容可用专门编程器写入的只读存储器）、EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，电可擦、可编程只读存储器）和FEPROM（Flash EPROM，快擦写只读存储器，简称闪存），用于存储在切断电源后也不能丢失的长期信息，如控制逻辑软件、计算程序以及控制参数的目标数值（如脉谱图等）。但ROM一次存入信息后即不能更改，不如EPROM、Flash EPROM和EEPROM在修改程序和数据上灵活、方便，特别是EEPROM和Flash EPROM可以直接由微机改写其内容，而且可以只改写部分内容，故目前得到越来越广泛的应用，甚至有的单片机不加区分地将所有信息都存储在EEPROM或Flash EPROM中，它们均可以在生产线上根据柴油机型号与要求的不同，写入新的程序或选取一部分已经写入的程序，即具有EOL（End of Line）功能，这就为多种柴油机共用一个型号的ECU提供了可能。

3.电控单元的内存软件

在车用柴油机电控单元内存的软件中，既有各种用于计算机自身运行的驱动程序，也有为控制汽车及其发动机运行而编制的专用程序。这些专用程序就是对每一个受控过程的数字化描述，将各种传感器采集、输送的各种信息、数据经过分辨、计算、比较和逻辑分析，再将得到的结果变换成发给各执行器的驱动器的控制指令，指挥执行器及时动作，完成控制过程。各种用于信号处理的计算公式、逻辑分析方法和数据表格等均可编成程序存储在存储器中。此外，作为抗电磁干扰的措施之一，通常对输入数据要采用软件滤波或采用傅立叶变换、小波变换等成熟的数据处理方法进行处理，这些处理软件也要放入内存。

在软件设计中，还必须考虑运行故障的判断、记载和读出。当然，进行故障自诊断不能只依靠软件，还需要有硬件电路的帮助，需要有更多的传感器提供足以判断故障的信息。(www.daowen.com)

电控系统都采用脉谱图（参见图8-2）来确定控制量的目标值。例如，对于柴油机的电控喷射系统而言，最基本的控制目标就是喷油量与喷油提前角（对于共轨系统还有喷油压力），它们应随柴油机转速与负荷工况而变，当然也视具体柴油机机型而异，为此必须事先经过大量的标定试验找出对应各个转速与负荷下的最佳目标值，以二维数表的形式存入ROM等存储器，运行时只要根据柴油机的具体运行工况，对照脉谱（MAP）图的要求，即可给出相应的指令，以控制相关执行器（喷油泵或喷油器的电磁阀）的动作，从而达到优化控制的目标。

图8-15 脉宽调制（PMW）脉冲信号

除了主要对喷油过程进行控制外，电控单元还要对柴油机其他系统和有关附件的运行进行控制，如废气再循环、增压系统及排气制动等的控制阀门以及冷却风扇、起动机、发电机和空调设备的开关等。所有控制指令均为来自微处理器（CPU）的数字信号，由于它们的电流很小（mA级），还需经输出级（终端模块）调制、放大后，才能生成各种开关、继电器、数显和驱动电磁阀等执行器的输出信号，其中脉宽调制信号（Pulse Width Modulation，缩写为PWM）是ECU最常采用的脉冲输出信号，其特点如图8-15所示。由图可见，这是一种频率一定但通电（脉冲）时间变化的方波数字信号，其中每一个脉冲高电平占据的时间称为脉宽b，它与两个脉冲时间间隔a之比（b/a）称为脉宽率。PWM信号的优点是既可以用于控制惯性较大，反应较缓慢的电磁阀（如用于废气再循环的增压系统的控制），这时只需改变脉宽率，即能改变输出信号的平均电压，从而能控制这类电磁阀的动作；同时也可以用于喷油器高频电磁阀的控制，这时针阀重量轻，惯性小，升起与落座迅速，故只需调整PWM信号的频率，使喷油过程在一个脉冲内完成，即可用PWM信号的脉宽来控制喷油嘴针阀开启时间的长短，以完成对喷油量的精确控制。

4.电控单元的控制策略和数据交换

柴油机电控系统的控制方式有开环控制和闭环控制两种。开环控制为单一方向的流程（图8-16a），即当柴油机在一定工况下，电控单元从传感器得到该工况的各种信息并从内存中找出适合于该工况的目标值（脉谱图）、相应的修正量与其他信息，通过计算决定当前的控制目标，据此制定出各种控制指令送到相应的执行器去工作。至于各执行器是否正确地执行了预定控制，执行后柴油机工况是否与控制目标一致，电控单元并不进行检查与比较。

闭环控制则为双向操作（图8-16b），与开环控制不同的是，电控单元不断地将待控参数与优化的控制目标值进行比较，据此不断地调节输出指令，使两者差别达到最小。作为闭环控制的特点，系统中一定要有相应的反馈信号，例如，在喷油量和转速控制中采用曲轴转速传感器、在喷油始点判别上采用针阀升程传感器、在混合气浓度和排放性能控制中采用氧传感器等。不言而喻，闭环控制的精度要高于开环控制，而且还可以补偿同一型号各台发动机之间的性能差异以及同一台发动机因使用年限不同而产生的性能变化。尽管如此，并不是所有工况均可以采用闭环控制，例如，柴油机起动与部分过渡工况只能采用开环控制，当缺少针阀升程传感器时，喷油正时的控制也是采用开环控制或在闭环控制中以其他反馈信号来进行间接判断，因此在实际电控柴油机上，往往是闭环与开环两种控制方式并存，有时还因工况的变化，必须从一种控制方式（如闭环）转到另一种控制方式（如开环）上去，这样才能保证整个机器安全可靠地工作。

图8-16 开环与闭环控制系统的方框图

a）开环控制 b）闭环控制

图8-17 电控单元的总线

在柴油机电控系统的工作过程中，有大量的信息需要交换，在ECU内部，CPU、各种存储器与I/O接口是由若干组传递信息的总线（Buses）连接起来的（图8-17），它们是地址总线（用于传递地址码）、数据总线（用于传递数据和指令）和控制总线。

此外，现代柴油机电子控制是与整个车辆密切联系在一起的，因此在柴油机ECU与车辆其他系统（如自动变速器控制、车辆制动与行驶控制、仪表显示等）之间，也有大量的数据需要交换，若是采用传统的连接方法（图8-18a）会因为线路过长，插口过多，而难于实现。为此开发了专门用于汽车使用的控制器局域网络（Controller Area Network），即CAN系统（图8-18b），这是一种按串行原理（Serial Data Transfer）工作的总线系统，它不仅可以同电控单元（控制器），而且也可与各种传感器、执行器和显示装置连接，各部分之间的数据传递和信息交换按串行原理工作，即在ECU的统一协调下，相继有序地进行。这种方法的优点是结构紧凑、可靠性好（与环形与星形方案相比）、传输能力强且传输速率覆盖面广，因而广泛应用在柴油机和车辆控制系统中各类数据的传输和信息交换中，即不仅用于ECU实时控制的高速数据传输（传输速率为500K～1Mbit/s），亦可用于车辆舒适性方面（空调、门锁及坐椅调节等）的低速数据传输（传输速率为10K～150Kbit/s）以及无线电、卫星导航和故障诊断系统等的数据传输（传输速率为125K～500Kbit/s），目前国际标准化组织（ISO）和美国汽车工程师学会（SAE）已为几种（高、低速）CAN系统制定了相关标准，而它们的应用范围也正由汽车领域向其他行业（如建筑业）扩展。

图8-18 传统数据交换方式与控制器局域网络（CAN）的比较

a）传统方式 b）控制器局域网络