基于LabCar曲軸與凸輪軸傳感器信號(hào)的開發(fā)策略

1、基于LabCar曲軸與凸輪軸傳感器信號(hào)的開發(fā)策略0 引 言車輛的動(dòng)力性、舒適性和排放很大程度上依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）的質(zhì)量。面對(duì)電控系統(tǒng)功能不斷增強(qiáng)而開發(fā)周期卻不斷縮短的要求，軟件硬件開發(fā)工程師的壓力也越來越大【1】。傳統(tǒng)的ECU開發(fā)流程已經(jīng)難以完成現(xiàn)代控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)代的ECU開發(fā)流程采用V模式，如圖1所示。在V模式中，硬件在環(huán)仿真測(cè)試環(huán)節(jié)是非常關(guān)鍵的一環(huán)【2】，利用它可以大大縮短ECU的開發(fā)周期和減少所花的經(jīng)費(fèi)。硬件在環(huán)仿真技術(shù)（Hardware In the Loop）實(shí)際上就是將實(shí)際仿真對(duì)象用高速運(yùn)行的實(shí)時(shí)仿真模型來代替，而結(jié)構(gòu)復(fù)雜部分用實(shí)物接入的方式構(gòu)成一個(gè)虛擬的測(cè)試環(huán)境進(jìn)

2、行測(cè)試，這個(gè)虛擬的測(cè)試環(huán)境將盡可能模擬實(shí)際被測(cè)對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。ECU硬件在環(huán)中，各種傳感器信號(hào)的模擬產(chǎn)生決定了測(cè)試的基礎(chǔ)，傳感器信號(hào)的正確與否，關(guān)系到ECU能否滿足測(cè)試需求，關(guān)系到能否開發(fā)出高效穩(wěn)定的ECU。正是由于上述原因，曲軸與凸輪軸位置傳感器信號(hào)的研究成為了重中之重，利用LabCar軟件和硬件模擬出傳感器信號(hào)對(duì)ECU開發(fā)具有重要意義【3】。圖1 V模式1 曲軸和凸輪軸位置傳感器物理特性傳感器信號(hào)的物理特性是指曲軸信號(hào)盤和凸輪軸信號(hào)盤的均布齒數(shù)、缺齒數(shù)（或多齒數(shù)）以及兩個(gè)信號(hào)盤之間的安裝角度相對(duì)位置關(guān)系。為保證判缸;的精度，曲軸信號(hào)盤的齒數(shù)應(yīng)該較密一些，而凸輪軸信號(hào)盤的齒數(shù)可以相對(duì)稀疏一些

3、。由于待測(cè)ECU是根據(jù)四缸高壓共軌柴油機(jī)而開發(fā)的，以四缸高壓共軌柴油機(jī)為例，其中凸輪軸信號(hào)盤為（4+1）齒，即4個(gè)正常齒和一個(gè)多余的齒。曲軸信號(hào)盤為（60-2）齒，即58個(gè)正常齒和2個(gè)缺齒；齒盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)一周，傳感器輸出信號(hào)為58個(gè)等周期的方波和一個(gè)2倍周期的異形波（大齒方波），齒盤連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，信號(hào)周而復(fù)始。發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中，曲軸轉(zhuǎn)兩周，凸輪軸轉(zhuǎn)一周。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)特性，做如下安裝定義，曲軸缺齒后第20齒的下降沿為1缸壓縮上止點(diǎn)（相當(dāng)于缺齒后120CA），如圖2所示。凸輪軸第一齒的下降沿距離1缸上止點(diǎn)為60CA，凸輪軸多齒下降沿距離1缸上止點(diǎn)為15CA。圖2 曲軸和凸輪軸傳感器信號(hào)當(dāng)然，這幾個(gè)角

4、度差沒有特別的要求，意味著凸輪軸信號(hào)盤和曲軸信號(hào)盤之間的相對(duì)位置，以及它們相對(duì)TDC1的位置是可以自由安裝的，安裝后根據(jù)裝配關(guān)系對(duì)LabCar軟硬件進(jìn)行編輯關(guān)聯(lián)即可。2 LabCar軟硬件仿真?zhèn)鞲衅餍盘?hào)2.1 模擬原理LabCar是汽車電子控制單元硬件在環(huán)仿真測(cè)試系統(tǒng)，主要由軟件、硬件及信號(hào)接口組成。軟件主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模型的修改和創(chuàng)建、實(shí)時(shí)仿真的控制、信號(hào)的排序以及硬件的驅(qū)動(dòng)；硬件主要用于仿真汽車傳感器和執(zhí)行器，接收由控制單元輸出的控制信號(hào)，以及產(chǎn)生控制單元所需的輸入信號(hào)。信號(hào)接口實(shí)際上起著連接虛擬和真實(shí)世界的橋梁；LabCar模型輸出轉(zhuǎn)速模擬值，硬件板卡接收處理后，轉(zhuǎn)換成電壓量傳輸給EC

5、U。仿真原理框圖如圖3所示。圖3 信號(hào)產(chǎn)生原理框圖2.2 LabCar軟硬件配置由于4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)工作循環(huán)中曲軸轉(zhuǎn)兩周，凸輪軸轉(zhuǎn)一周，在考慮到信號(hào)盤齒數(shù)的稀密程度不一，判缸方法的基本原則是根據(jù)凸輪軸信號(hào)來確定發(fā)動(dòng)機(jī)相位，根據(jù)曲軸信號(hào)來獲得更精確的角度。DEVM模型包含真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)所有模塊（包括噴油模塊、增壓模塊、共軌模塊等等）。在軟件運(yùn)行DEVM【4】，能輸出各個(gè)工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在LabCar軟硬件配置中，根據(jù)安裝定義（見圖2），在軟件中編輯曲軸和凸輪軸信息：曲軸的齒形為（60-2）齒；凸輪軸的齒形為（4+1）齒；1缸壓縮上止點(diǎn)為曲軸缺齒后第20齒（120CA）下降沿；凸輪軸第1齒對(duì)應(yīng)曲

6、軸缺齒后第10齒（60CA）下降沿；凸輪軸多齒對(duì)應(yīng)大約在曲軸缺齒后第17齒到18齒（105CA）。2.3 配置參數(shù)轉(zhuǎn)速與板卡關(guān)聯(lián)在LabCar?Operator中添加板卡，并將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（n_Engine）與ES1335進(jìn)行關(guān)聯(lián)【5】，如圖4所示。圖4 轉(zhuǎn)速與板卡關(guān)聯(lián)根據(jù)安裝定義，編輯曲軸凸輪軸信號(hào)表。曲軸編輯表格取一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)即720轉(zhuǎn)角，曲軸表格的0處默認(rèn)為第一個(gè)缺齒的上升沿處。但是板卡默認(rèn)0位置是1缸壓縮上止點(diǎn)，所以根據(jù)實(shí)際曲軸位置有相位差。實(shí)際1缸上止點(diǎn)為曲軸缺齒后第20齒下降處，故定相位的時(shí)候，曲軸信號(hào)應(yīng)向左移120CA，如圖5所示。同理可推出凸輪軸相位。圖5 曲軸信號(hào)參考相位3

7、仿真及結(jié)果3.1 仿真環(huán)境及程序編譯根據(jù)以上思路步驟，在ETAS公司的LabCar軟件中編譯進(jìn)行了模擬仿真。曲軸與凸輪軸位置傳感器信號(hào)的來源為L(zhǎng)abCar模型DEVM輸出的轉(zhuǎn)速，這兩個(gè)信號(hào)的頻率隨轉(zhuǎn)速的變換而改變。ES1335的作用是根據(jù)DEVM輸出的轉(zhuǎn)速值（瞬時(shí)值為定常數(shù)），通過自身的各種轉(zhuǎn)化模塊，計(jì)算出匹配轉(zhuǎn)速值的方波信號(hào)。板卡自身帶有同步功能，故輸出的曲軸與凸輪軸是同步的。3.2 測(cè)試結(jié)果用示波器在LabCar BOB面板上測(cè)試信號(hào)，不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的曲軸傳感器信號(hào)的周期不同，示波器測(cè)試結(jié)果如圖6，圖7所示。不同轉(zhuǎn)速下理論周期與實(shí)際周期見表1。圖6 轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)曲軸、凸輪軸信

8、號(hào)圖7 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)曲軸、凸輪軸信號(hào)分析表1，結(jié)果表明模擬信號(hào)周期與理論周期在誤差范圍內(nèi)（注：誤差隨轉(zhuǎn)速的升高而有所增加，是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，周期越短，越難精確的測(cè)量）。表1 不同轉(zhuǎn)速下周期統(tǒng)計(jì)表4 結(jié) 論使用LabCar能方便實(shí)現(xiàn)曲軸、凸輪軸信號(hào)的生成，而且信號(hào)精度高，滿足ECU硬件在環(huán)仿真要求，為后續(xù)LabCar的開環(huán)調(diào)試，閉環(huán)調(diào)試打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)【1】 何勇靈，徐斌譯.柴油機(jī)管理系統(tǒng)：系統(tǒng)、組成和新實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.【2】 岳繼光，董延超.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)模型硬件在環(huán)仿真研究.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2008，4（2）：34?37.【3】 邵華，錢人一，郭曉潞.LabCar的功能與構(gòu)成.世界汽車，2002（11）：22?24.【4】 ETAS. Diesel engine vehicle model V5.0