一種片上模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的方法*

蔡佳超王貴勇余苧仕胡海龍（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室云南昆明650500）

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·振動·噪聲·

一種片上模擬發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的方法*

蔡佳超王貴勇余苧仕胡海龍
（昆明理工大學(xué)云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室云南昆明650500）

針對傳統(tǒng)模擬的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號不能漸變、實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、同步精度不高、信號盤齒數(shù)不可調(diào)、硬件開發(fā)復(fù)雜等問題，提出采用簡單模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法。將旋轉(zhuǎn)可調(diào)的電壓信息轉(zhuǎn)化成發(fā)動機(jī)的模擬轉(zhuǎn)速信號，兩路模擬信號使用同一個(gè)基定時(shí)器，通過改變程序中的參數(shù)滿足不同的信號盤特點(diǎn)，無需借助外部轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)真實(shí)轉(zhuǎn)速信號的輸入直接就能有效地滿足發(fā)動機(jī)ECU系統(tǒng)的開發(fā)?；赥C1728的仿真結(jié)果表明：該方法靈活可靠，通用性、真實(shí)性和實(shí)時(shí)性強(qiáng)，模擬出來的轉(zhuǎn)速信號完全同步，臺架試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

發(fā)動機(jī)ECU轉(zhuǎn)速模擬片上

引言

在發(fā)動機(jī)電子控制單元ECU（Electronic Control Unit）開發(fā)中，曲軸和凸輪軸信號是整個(gè)ECU工作時(shí)序的基礎(chǔ)，它關(guān)系到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的測量、判缸、噴油和點(diǎn)火等事件的精確控制。在ECU開發(fā)過程中，若使用來自真實(shí)的發(fā)動機(jī)的信號，則不便于控制程序的離線測試與開發(fā)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本也很高。市場上已有一些可以產(chǎn)生此類信號的成熟產(chǎn)品［1］，王孝等人［2］也研究設(shè)計(jì)了模擬轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器，但是價(jià)格昂貴而且不方便ECU的開發(fā)；朱澄、田飛和張永光等人［3-5］通過復(fù)雜的模型設(shè)計(jì)和硬件或是軟件算法來實(shí)現(xiàn)，這類系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、同步精度不高且開發(fā)周期長；馬志磊、章健勇和朱澄等人［6-8］仿真的模擬信號在調(diào)試時(shí)突變或者漸變響應(yīng)的速度不快，不能真實(shí)地模擬發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號。

針對以上存在的不足，本文采用簡單模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，通過快速采樣模式，快速真實(shí)地模擬漸變的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，最后在開發(fā)板上調(diào)試與臺架試驗(yàn)對比驗(yàn)證。在發(fā)動機(jī)ECU開發(fā)中直接在ECU開發(fā)板上產(chǎn)生轉(zhuǎn)速模擬信號，并提供給ECU開發(fā)和驗(yàn)證使用，這對簡化開發(fā)流程，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本具有重要意義。

1　發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號描述

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號包括曲軸信號及凸輪軸信號，這兩個(gè)信號是發(fā)動機(jī)ECU中最主要的兩個(gè)輸入信號。曲軸信號盤與凸輪軸信號盤的外圓上都加工有刻度均勻的凹齒或凸齒，當(dāng)傳感器感知有齒通過時(shí)，則輸出相應(yīng)的模擬或數(shù)字信號，即曲軸及凸輪軸信號。

為了利用轉(zhuǎn)速信號判別發(fā)動機(jī)的工作位置，在曲軸和凸輪軸的信號盤上加工有標(biāo)記齒，當(dāng)檢測到曲軸和凸輪軸信號盤的標(biāo)記齒時(shí)可以組合形成獨(dú)特的標(biāo)記號，以此來確定發(fā)動機(jī)所處的工作位置，這種判缸的方法能將判缸周期縮減到360°之內(nèi)［9］。此外，倍頻后的曲軸信號可以用來計(jì)算發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和噴油提前角。

2　發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)原則

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)具有靈活性、真實(shí)性、實(shí)用性。靈活性是指當(dāng)曲軸和凸輪軸的信號盤標(biāo)記齒改變時(shí)，軟件設(shè)計(jì)上能夠隨之很容易地修改相應(yīng)的參數(shù)達(dá)到所需要的轉(zhuǎn)速信號輸出。真實(shí)性是指能夠輸出漸變的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，且模擬出來的曲軸和凸輪軸信號要同步。實(shí)用性是指模擬的系統(tǒng)方便簡單，以降低ECU開發(fā)的成本。

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。利用微控制器的快速采樣模塊與定時(shí)比較器模塊，結(jié)合模塊化的軟件算法。外部旋轉(zhuǎn)采樣電壓，即模擬油門踏板的位置，在采樣中斷程序中通過一定的算法將采集到的模擬電壓按比例轉(zhuǎn)化成實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速信號值，最后將該值賦給定時(shí)比較器，模擬生成同步的曲軸與凸輪軸PWM信號。其中，可在定時(shí)比較器中斷程序中按照轉(zhuǎn)速信號盤的參數(shù)修改相應(yīng)的程序參數(shù)就能模擬產(chǎn)生出所需的同步轉(zhuǎn)速信號。

圖1　系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

2.3軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，在快速采樣模塊和定時(shí)比較器模塊的中斷中添加相應(yīng)的程序來模擬產(chǎn)生信號盤可變的同步轉(zhuǎn)速PWM信號。

圖2　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

在快速采樣中斷程序中：根據(jù)有無采樣數(shù)據(jù)的更新來轉(zhuǎn)化計(jì)算實(shí)時(shí)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號值，轉(zhuǎn)化公式為：

其中：nmin為模擬的最小轉(zhuǎn)速（r/min）、nmax為模擬的最大轉(zhuǎn)速（r/min）、umin為采樣的最小電壓（V）、umax為采樣的最大電壓（V）、u為旋鈕電壓（V）、Ns為采樣電壓的數(shù)字量、k為采樣單元的分辨率。

在定時(shí)比較器中斷程序中：根據(jù)調(diào)用在快速采樣中斷程序中實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)速n來進(jìn)行修改定時(shí)比較器的值，根據(jù)曲軸信號盤和凸輪軸信號盤的物理裝配關(guān)系及其結(jié)構(gòu)來確定在哪一個(gè)相位同步輸出齒盤結(jié)構(gòu)為K+L的凸輪軸同步轉(zhuǎn)速模擬信號。其中K為凸輪軸信號盤正常齒的個(gè)數(shù)，L為凸輪軸信號盤多齒的個(gè)數(shù)。

曲軸和凸輪軸信號周期的算法為：

其中：N為當(dāng)曲軸信號盤無缺齒時(shí)的總齒數(shù)、M為曲軸信號盤缺齒數(shù)、Tcrk_nor為曲軸信號盤有缺齒時(shí)每一個(gè)正常齒的周期（us）、Tcrk_mis為曲軸信號盤缺齒的周期（us）、Tcam_mul為凸輪軸信號盤每一個(gè)正常齒的周期（us）、Tcam_mul為凸輪軸信號盤多齒的周期（us）。

3　模擬仿真及結(jié)果分析

3.1模擬信號的物理同步關(guān)系分析

以某型號四缸高壓共軌柴油機(jī)ECU的開發(fā)需求為例，其曲軸及凸輪軸的信號物理同步關(guān)系如圖3所示，曲軸信號盤的結(jié)構(gòu)為60-2，凸輪軸信號盤的結(jié)構(gòu)為4+1。曲軸信號盤的物理安裝位置是以缺齒后的第一個(gè)下降沿為基準(zhǔn)，確定φgap=108°為第一缸上止點(diǎn)TDC1；凸輪軸信號盤的物理安裝位置是以TDC1為基準(zhǔn)，確定φgap=60°為凸輪軸信號盤多齒前第一個(gè)正常齒的下降沿。

3.2硬件設(shè)計(jì)

選用英飛凌公司的TC1728作為控制芯片。TC1728包含兩個(gè)差分輸入通道的快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Fast Analog to Digital Converter，F(xiàn)ADC），因此可以進(jìn)行高頻率信號的采樣，每個(gè)差分輸入通道都可用作單端輸入且支持偏移校準(zhǔn)，有定時(shí)器模式和觸發(fā)轉(zhuǎn)換模式；通用定時(shí)器陣列模塊（General Purpose Timer Array 0，GPTA0）提供一組定時(shí)、比較、捕獲，且可靈活級聯(lián)組合構(gòu)成信號測量和信號產(chǎn)生的局部定時(shí)器單元（Local Timer Cells，LTC）和全局定時(shí)器單元（Global Timer Cells，GTC）［10］。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

使用定時(shí)器模塊GPTA0的7個(gè)局部定時(shí)器LTC模擬產(chǎn)生曲軸和凸輪軸PWM信號：

圖3　模擬信號的物理同步關(guān)系圖

圖4　TC1728硬件設(shè)計(jì)框圖

1）LTC03為模擬曲軸信號盤的正常齒周期、LTC04為模擬曲軸信號盤的正常齒占空比，其為一組；

2）LTC01為模擬曲軸信號盤的缺齒周期、LTC02為模擬曲軸信號盤的缺齒占空比，其為一組；

3）SLO是時(shí)間基定時(shí)器LTC00的一個(gè)控制位，置1或置0來選擇模擬產(chǎn)生曲軸信號盤的正常齒和缺齒信號；

4）LTC05為模擬凸輪軸信號盤的正常齒周期、LTC06為模擬凸輪軸信號盤的占空比，其為一組。

使用了同一個(gè)時(shí)間基定時(shí)器LTC00以及凸輪軸的正常齒信號與多齒信號的位置是在程序中根據(jù)曲軸的齒編號決定，所以模擬出來的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號會完全同步。使用快速采樣模塊FADC的通道0來中斷換算轉(zhuǎn)速，F(xiàn)ADC有極高的轉(zhuǎn)化速率，轉(zhuǎn)化時(shí)間為21個(gè)fFADC時(shí)鐘周期，接入的轉(zhuǎn)化范圍為0～3.3V，分辨率為10位；使用2個(gè)通用IO口作為模擬轉(zhuǎn)速信號輸出接口，連接示波器，用來觀察輸出信號的正確與否。

在臺架試驗(yàn)中，可以把輸出的轉(zhuǎn)速模擬信號引入GPTA0模塊中的占空比測量單元（Duty Cycle Measurement Cells，DCM），當(dāng)檢測到曲軸和凸輪軸信號盤的標(biāo)記齒時(shí)，可以組合形成獨(dú)特的標(biāo)記號，實(shí)現(xiàn)判缸功能。還可以將模擬的曲軸信號引入GPTA0模塊中的數(shù)字鎖相環(huán)單元（A Digital Phase Locked Loop cell，PLL）實(shí)現(xiàn)倍頻，以此可以計(jì)算出噴油提前角和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖5　轉(zhuǎn)速為2 770 r/min時(shí)的凸輪軸和曲軸信號PWM

圖6　轉(zhuǎn)速從800 r/min漸變到900 r/min時(shí)的凸輪軸和曲軸信號PWM

圖7　轉(zhuǎn)速從800 r/min漸變到900 r/min時(shí)放大的凸輪軸和曲軸信號PWM

3.3仿真結(jié)果及分析

模擬的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0～5 000 r/min，該范圍符合該型號高壓共軌柴油機(jī)的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速范圍。圖5所示為當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 770 r/min時(shí)在開發(fā)板上模擬的凸輪軸和曲軸PWM信號。圖6為在開發(fā)板上模擬的轉(zhuǎn)速從800 r/min漸變到900 r/min時(shí)的凸輪軸和曲軸PWM信號。圖7為在開發(fā)板上模擬的轉(zhuǎn)速從800 r/min漸變到900 r/min時(shí)放大的凸輪軸和曲軸PWM信號。

分析圖5至圖7可知，該開發(fā)系統(tǒng)能夠靈活真實(shí)地模擬漸變的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)停止旋轉(zhuǎn)電壓旋鈕時(shí)，圖5所示為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為2 770 r/min時(shí)的凸輪軸和曲軸信號PWM；當(dāng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)電壓旋鈕時(shí)，圖6所示為瞬時(shí)轉(zhuǎn)速從800 r/min漸變到900 r/min時(shí)的凸輪軸和曲軸信號PWM。

從圖6可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的增加，曲軸和凸輪軸信號PWM周期越來越小，即符合發(fā)動機(jī)實(shí)際工作中凸輪軸和曲軸每一齒轉(zhuǎn)過的時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小這一規(guī)律。從圖7中也可以看出：相鄰兩個(gè)曲軸信號齒所轉(zhuǎn)過的時(shí)間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，圖7左圖中兩光標(biāo)之間的間隔為其中一個(gè)曲軸信號齒的周期1.2 ms，圖7右圖中兩光標(biāo)之間的間隔為其下一個(gè)相鄰的曲軸信號齒的周期1.1 ms。從圖7上光標(biāo)的位置可知，曲軸和凸輪軸信號PWM完全同步。

圖8　判缸結(jié)果圖

4　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

所做試驗(yàn)過程為發(fā)動機(jī)從啟動到穩(wěn)定怠速過程，將模擬的0～800r/min快速漸變的曲軸和凸輪軸信號作為真實(shí)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號引入已下載有判缸和噴油的底層代碼的TC1728開發(fā)板中，開發(fā)板接線與四個(gè)噴油器線束連接，該型號發(fā)動機(jī)各缸噴油順序?yàn)?—3—4—2。調(diào)試后產(chǎn)生的判缸結(jié)果如圖8所示。

上圖8中，隨著時(shí)間的增加，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大，判缸結(jié)果波形越來越密集，且判缸結(jié)果完全正確，沒有誤判，開發(fā)的轉(zhuǎn)速信號能夠有效可靠地滿足ECU的開發(fā)。

5　結(jié)論

1）通過仿真與臺架試驗(yàn)結(jié)果可知：模擬的曲軸與凸輪軸PWM信號和判缸結(jié)果波形隨著轉(zhuǎn)速的提高而變密集，該模擬方法能夠快速真實(shí)地模擬輸出發(fā)動機(jī)各種工況下漸變的轉(zhuǎn)速信號，且信號完全同步。

2）采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，將旋轉(zhuǎn)可調(diào)的電壓信息轉(zhuǎn)化成發(fā)動機(jī)的模擬轉(zhuǎn)速信號。軟件算法簡單靈活，硬件資源利用少，真實(shí)性與通用性強(qiáng)。

3）無需借助外部的轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)或發(fā)動機(jī)真實(shí)的轉(zhuǎn)速信號輸入就能夠直接有效可靠地滿足ECU系統(tǒng)的開發(fā)，簡化了開發(fā)流程，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，性價(jià)比高，實(shí)用性強(qiáng)。

1Cebi A，Guvenc I，Demirci M，et a1．A low cost，portable engine electronic control unit hardware-in-the-loop test system［C］.Proceedings of the 2005 IEEE International SymposiumonIndustrialElectronics，Dubrovnik，Croatia：IEEE，2005：293-298

2王孝，焦玉琴，郁國軍．智能柴油機(jī)曲軸與凸輪轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器設(shè)計(jì)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（S）：226-229

3朱澄，龔依民，陳志超．汽車發(fā)動機(jī)曲軸和凸輪軸信號及汽缸壓力信號模擬系統(tǒng)［J］．自動化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24 （6）：67-69，77

4田飛，王貴勇，趙應(yīng)兵，等．電控柴油機(jī)曲軸與凸輪軸同步脈沖信號模擬［J］．信息與電子工程，2012，10（5）：643-647

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6馬志磊．基于英飛凌的高壓共軌柴油機(jī)底層驅(qū)動策略研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2013

7章健勇，陳林，位正，等．基于Atmega 88的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2008（2）：42-44

8朱澄，龔依民，陳志超．基于單片機(jī)的發(fā)動機(jī)信號生成系統(tǒng)［J］．自動化與儀器儀表，2005（4）：46-48

9王貴勇，申立中，徐勁松，等.高壓共軌柴油機(jī)判缸傳感器信號配置研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2011，32（6）：58-62

10Infineon Corporation.TC1728 32-Bit single-chip microcontroller user's manual［EB/OL］.http：//www.infineon.com/ dgdl/TC1728_UM_V1.0.pdf？fileId=db3a304334c41e910134c 736bded3049

A Method of Simulating Engine Speed Signals On Chip

Cai Jiachao，Wang Guiyong，Yu Ningshi，Hu Hailong
Yunnan Key Laboratory of IC Engine，Kunming University of Science and Technology （Kunming，Yunnan，650500，China）

Aiming at the problems that the engine speed signals simulator cannot gradually changed realtime，synchronous precision was low，signal plates of teeth were unadjustable and hardware development was complex in traditional ways.The method of using a simple modular software idea was proposed，which through transforming the adjustable voltage information into the simulation of engine speed signals that using the same base timer and meet the different signal plates characteristics by changing the program parameters，without inputting signals from external engine speed signal simulator system or real engine speed，which were convenient and effective to satisfy the development of engine ECU system.The simulation results based on the TC1728 showed that the proposed one was fully synchronous，more generality，more flexible and more reliable，compared with the traditional method，the bench test results verified the validity of the simulation results.

Engine，ECU，Speed simulation，On chip

TK411+.29

A

2095-8234（2015）06-0071-05

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61164008）。

蔡佳超（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動機(jī)底層驅(qū)動。

（2015-09-07）