基于帶通濾波的電控柴油機(jī)各缸均勻性控制

1、-基于帶通濾波電控柴油機(jī)各缸不均勻性控制作者簡(jiǎn)介：周泉1985 ，男，碩士研究生，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)電控技術(shù).( 270613867qq.)通訊 王貴勇1971 ，男，副教授，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)電控技術(shù)(wangguiyonggmail.)周泉，王貴勇，申立中理工大學(xué) 省燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， (650224)摘要：以云動(dòng)力YN30電控柴油機(jī)為研究載體，設(shè)計(jì)一種基于帶通濾波的控制各缸均勻性的算法。首先通過(guò)曲軸信號(hào)傳感器獲取瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波、重采樣等處理后，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速頻率，以帶通濾波的形式獲取各缸不均勻性特征，再以PI算法量化不均勻得到具體各缸所需修正的油量。最終在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上對(duì)各缸噴油

2、量進(jìn)展相應(yīng)的修正，并再次采集瞬時(shí)轉(zhuǎn)速以驗(yàn)證各缸不均勻的變化情況。關(guān)鍵詞：帶通濾波，各缸均勻性，控制，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速中圖：TK421文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ControlforCylinder ImbalanceofElectronic-controlledDiesel Based on BandpassFiltersZHOU quan，WANG guiyoug, SHEN LizhongProvincial Key Lab of IC Engine，Science and Technology University of Kunming，Kunming, PRC( 650224)Abstract：Using Y

3、N30 electronic-controlled diesel of KUNMING YUNNEI POWERas carrier,an algorithmwhich is based on bandpass filters was designed. Firstly instantaneous speed signal was accessed through the crankshaft signal sensors,then it was processed by low-pass filter and resample.According to speed frequency and

4、 in the form of bandpass filters,the uniformity of cylinder by cylinder was obtained.In order to gain the specific oil correction, PI algorithm was used. Finally, the correction was performedin the e*perimental bed, after that the instantaneous speed signal will detected again to check the situation

5、 of uniformitys change.Key words:Bandpass, Cylinder by cylinder uniformity, Control, Instantaneous speed1引言在電控柴油機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，許多因素都可能引發(fā)各缸工作不均勻。例如各缸噴油不均，摩擦阻力不均，缸密封不均等等。各缸工作的不均勻可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、振動(dòng)變大、惡化發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH特性、縮短使用壽命，尤其是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低怠帶工況下時(shí)，因各缸不均勻性所帶來(lái)的規(guī)律性抖動(dòng)最為明顯。在高檔轎車(chē)柴油機(jī)上，對(duì)舒適性要求極高，各缸均勻性的檢測(cè)與控制是極其必要的，同時(shí)它也成為現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)OBD系統(tǒng)中的重要組成

6、模塊。圖1 信號(hào)流程圖Fig .1 Thesignalprocess各缸工作不均勻性的檢測(cè)是一個(gè)高精度的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集過(guò)程，不均勻性的提取涉及到DSP，以及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)特性。不均勻性的檢測(cè)與調(diào)整都需要在*些特定的工況下進(jìn)展主要受當(dāng)前轉(zhuǎn)速、主噴油量的限制。圖1為整個(gè)功能模塊的信號(hào)流程，首先對(duì)電控柴油機(jī)曲軸端原配磁電式傳感器的信號(hào)進(jìn)展準(zhǔn)確的測(cè)量，獲取準(zhǔn)確的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化信息，經(jīng)過(guò)帶通濾波等各類(lèi)數(shù)字信號(hào)處理后，計(jì)算出各缸的修正油量并輸出到油量調(diào)節(jié)模塊中，再綜合當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)工況來(lái)調(diào)整各缸的不均勻性。在這里對(duì)各缸油量的修正是逐次完成的，當(dāng)各缸油量得到修正后，再次測(cè)量曲軸信號(hào)進(jìn)展反響，并計(jì)算下次的修正量，如此反

7、復(fù)直到將各缸不均勻性修正到一定圍。2瞬時(shí)轉(zhuǎn)速信號(hào)的檢測(cè)圖2曲軸傳感器與信號(hào)齒Fig.2The crankshaft sensors and signal tooth圖3曲軸電壓信號(hào)Fig .3The voltage signal of crankshaft如圖2所示，YN30電控柴油機(jī)的曲軸上有專(zhuān)門(mén)用于信號(hào)檢測(cè)的信號(hào)齒矩形，不同于啟動(dòng)齒圈，信號(hào)齒的數(shù)量為60-2個(gè)，其中的兩個(gè)缺齒用于判缸。每個(gè)齒在經(jīng)過(guò)磁電傳感器時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正弦電壓信號(hào)。再以2V觸發(fā)方波上升沿，以0V觸發(fā)下降沿，再以下降沿為基準(zhǔn)將正弦信號(hào)量化為方波信號(hào)，如圖3所示。圖4 (a)曲軸時(shí)段信 Fig. 4(a)The timeseg

8、ment of crankshaft圖4 (b) 瞬時(shí)轉(zhuǎn)速 Fig .4 (b) Instantaneous speed將圖3中各個(gè)方波信號(hào)的周期準(zhǔn)確讀取出來(lái)就得到了可以表達(dá)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化的時(shí)段信號(hào)，如圖4(a)所示。在這里由于各缸輪流做功所引起的時(shí)段大小變化是非常微小的量，數(shù)量級(jí)在10-5到10-6秒之間，這就要求對(duì)曲軸電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)化頻率不得低于250K赫茲，以確保足夠的測(cè)量精度。如果將曲軸每轉(zhuǎn)認(rèn)作是60個(gè)齒將兩個(gè)缺齒補(bǔ)上，經(jīng)過(guò)運(yùn)算可知，每個(gè)齒的倒數(shù)就是瞬時(shí)轉(zhuǎn)速r/m，如圖4(b)。但在程序設(shè)計(jì)中為了防止除法運(yùn)算，在整個(gè)運(yùn)算過(guò)程中都直接使用時(shí)段信號(hào)來(lái)表征瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化情況。時(shí)段越小表示瞬

9、時(shí)轉(zhuǎn)速越高，時(shí)段越大則表示瞬時(shí)轉(zhuǎn)速越低。3信號(hào)的預(yù)處理由于兩個(gè)缺齒的存在，曲軸每轉(zhuǎn)一圈都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大時(shí)段為普通時(shí)段的三倍，如圖5(a)所示。這個(gè)大時(shí)段是判缸的依據(jù)，以它來(lái)確定各時(shí)段的相位。但在判缸以后，需要將它處理成普通時(shí)段以便后面的信號(hào)處理。經(jīng)缺齒處理后的時(shí)段所圖5(b)所示。原始時(shí)段信號(hào)上會(huì)帶有一些小毛刺，主要是由信號(hào)采集的過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)和曲軸各信號(hào)齒之間的外形偏差等因素引起的。為了去除這些干擾，使用了一個(gè)FIR有限沖擊響應(yīng)濾波器進(jìn)展低通過(guò)濾，公式如下：1(1)式為一個(gè)九階的FIR數(shù)字濾波器，hk為濾波器的抽頭權(quán)重，其中h4最大，h0和 h8最小，且h0+ h1+ h81。這樣輸入序

10、列經(jīng)過(guò)處理后就得到了平滑的的輸出序列如圖5(c)所示。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)電控來(lái)說(shuō)，曲軸每轉(zhuǎn)60個(gè)齒的密度有利于準(zhǔn)確的找到噴油相位，但對(duì)于不均勻性的提取來(lái)說(shuō)，并不需要這么高的信號(hào)密度，為了節(jié)約運(yùn)算資源，需要對(duì)過(guò)濾后時(shí)段信號(hào)進(jìn)展降采樣。經(jīng)歷證，可將降采樣因子定為每5，即從每5個(gè)時(shí)段值中抽取一個(gè)，再經(jīng)過(guò)放大得到簡(jiǎn)化后的時(shí)段圖5(d)。圖5 (a) 曲軸原時(shí)段 Fig .5 (a) The original timeegment圖5 (b) 缺齒處理后 Fig.5(b) After missing teethprocessing圖5 (c) 低通濾波后 Fig .5 (c) After low-pass fi

11、lter圖5 (d) 降采樣后 Fig .5 (d) After drop sampling4帶通濾波與不均勻性的提取YN30為四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，曲軸每?jī)赊D(zhuǎn)完成一個(gè)工作循環(huán)。在這里定義每一個(gè)工作循環(huán)所對(duì)應(yīng)周期下的頻率為基頻例如800r/m時(shí)基頻約為6.67Hz。這時(shí)，凸輪軸轉(zhuǎn)速頻率等于基頻，曲軸轉(zhuǎn)速頻率為基頻的2倍。之前信號(hào)的處理都是從時(shí)域的角度進(jìn)展的，下面從頻域的角度來(lái)分析各缸的不均勻性。如圖6所示，將降采樣后的時(shí)段作為輸入序列，進(jìn)展單邊FFT變換，得到頻譜圖。圖6a 各缸工作均勻時(shí)的時(shí)段圖及其頻譜圖6b 各缸工作不均勻時(shí)的時(shí)段圖及其頻譜根據(jù)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性，當(dāng)各缸工作非常均勻時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)

12、速的波動(dòng)規(guī)律根本只受缸氣體壓力與活塞連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)慣性力的影響。從頻譜的角度分析，800r/m時(shí)，頻譜圖中的四倍基頻26.67Hz即發(fā)火頻率所對(duì)應(yīng)的幅度是最大的，其次較大的是八倍基頻53.33Hz、十二倍基頻106.67Hz等等。因?yàn)楹竺娴姆递^小，在頻譜圖中只顯示到八倍基頻。a僅一缸工作不均b相鄰兩缸工作不均c不相鄰兩缸工作不均圖 7 不同的工作不均勻性當(dāng)各缸工作出現(xiàn)不均時(shí)，原本接近為零的一倍與二倍基頻就會(huì)變大，因?yàn)楦鞲坠ぷ鞯牟痪鶆蛐远紩?huì)表達(dá)在一倍和二倍基頻上，如圖6(b)頻譜圖所示。原因分析如下：圖 8 兩帶通濾波器的結(jié)果與頻譜當(dāng)僅有一缸或是相鄰兩缸出現(xiàn)不均時(shí)圖7(a)、(b)，非正常波動(dòng)在

13、每一個(gè)工作循環(huán)720度出現(xiàn)一次，振幅會(huì)表達(dá)在一倍基頻上；當(dāng)不相鄰兩缸出現(xiàn)不均時(shí)圖7(c)，即每半個(gè)工作循環(huán)360度出現(xiàn)一次，振幅則會(huì)表達(dá)在二倍基頻上。因而只要將一倍與二倍基頻的分量抽取出來(lái)，就可以用于表達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)不均勻性的情況。所以需要2個(gè)帶通濾波器，帶通的中心頻率分別為一倍和二倍基頻。濾波的結(jié)果幅值越大說(shuō)明不均勻性越大。同理也可推斷出六缸機(jī)不均勻性的分析則需要一倍、二倍和三倍基頻，即需要要Z/2個(gè)帶通濾波器Z為缸數(shù)。圖 9 (a) 兩帶通輸出結(jié)果相加圖 9 (b) 一個(gè)工作循環(huán)四缸各自的不均勻性圖8中，兩個(gè)帶通濾波的結(jié)果直接就表達(dá)出了各自階次下不均勻性的特性，包括大小和相位。將兩個(gè)帶通濾波輸出

14、波形對(duì)齊相位再疊加在一起就得到了可以完整表達(dá)各缸不均勻性的曲線，將圖8中兩個(gè)帶通輸出波形疊加就得到了圖9的波形。圖9(a)中顯示的是三個(gè)工作循環(huán)的波動(dòng)情況，將中間的一個(gè)完整的工作循環(huán)提取出來(lái)即橫坐標(biāo)從144168的波動(dòng)情況即可用于表達(dá)四缸的不均勻性情況。圖 10 各缸所需的修正油量mg在圖9(b)中，當(dāng)各缸工作絕對(duì)均勻時(shí)，波動(dòng)的曲線應(yīng)該保持在零，當(dāng)*缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速偏高時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)段就會(huì)變小，表達(dá)在圖9(b)中就會(huì)偏向Y軸負(fù)半軸方向，如一缸。反過(guò)來(lái)如果*缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速偏低其波動(dòng)則會(huì)偏向Y軸正半軸方向，如四缸。最后，對(duì)9(b)中的波動(dòng)曲線進(jìn)展積分計(jì)算也可認(rèn)作是各缸區(qū)域以Y軸為邊界進(jìn)展的面積計(jì)算，且正負(fù)面積

15、相互抵消。將計(jì)算的結(jié)果根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的主噴油量按比例縮放就得到了各缸實(shí)際所需的修正油量，如圖10所示原主噴油量為10mg。其中正的修正值表示需要增加噴油量以提高這一缸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，而負(fù)的則反之。在圖12中列舉了6類(lèi)不均勻性，分別是：各缸工作均勻、單缸轉(zhuǎn)速偏低、相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低、相鄰兩缸轉(zhuǎn)速一高一低、不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低、不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速一高一低。并都給出了對(duì)應(yīng)的帶通濾波情況與經(jīng)比例積分計(jì)算后的修正油量。從各自的頻譜圖來(lái)看，不同種類(lèi)的不均勻性會(huì)以其對(duì)應(yīng)的形式表達(dá)在一倍與二倍基頻上，例如，當(dāng)單缸出現(xiàn)不均勻與相鄰兩缸一高一低時(shí)，一倍與二倍基頻幅值都較大。當(dāng)相鄰兩缸偏低與不相鄰兩缸一高一低時(shí)，一倍基頻幅值較

16、大。當(dāng)不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低時(shí)，二倍基頻幅值較大。這樣在兩帶通輸出相加的結(jié)果中就能夠準(zhǔn)確地表達(dá)出各缸的不均勻性情況，最后計(jì)算出的修正油量與各自的不均勻性完全吻合。以帶通濾波的形式提取各缸不均勻性在準(zhǔn)確與穩(wěn)定上有著顯著的優(yōu)越性。首先在圖12的*些頻譜圖中可以看到，在非常低的階次上可能也會(huì)存在較大幅值，這是由于平均轉(zhuǎn)速的波動(dòng)所引起的。別外，當(dāng)轉(zhuǎn)速變大時(shí)，隨著往復(fù)慣性力作用的增大，在瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波峰上會(huì)出現(xiàn)新的波谷。在這兩點(diǎn)的影響下，使得直接以瞬時(shí)轉(zhuǎn)速波峰或波谷來(lái)計(jì)算不均勻性變得不夠可靠。但對(duì)于帶通濾波來(lái)說(shuō)，是不受低頻波動(dòng)與往復(fù)慣性力波動(dòng)干擾的，它只提取因各缸不均勻工作而引起的一倍與二倍基頻上的分量，因而

17、具有很好的準(zhǔn)確性與可靠性。5結(jié)合工況對(duì)各缸工作不均勻性的控制當(dāng)獲得如圖10所示的各缸修正油量后，并不能盲目的對(duì)各缸進(jìn)展修正，在圖1中的信號(hào)流程中，這只走完了上半條路線，只有下半條路線給出的當(dāng)前工況也滿(mǎn)足修正要求時(shí)才會(huì)對(duì)各缸噴油進(jìn)展修正。對(duì)各缸油量的修正必須密切結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的工況，經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，當(dāng)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)存在不均勻性時(shí)，低怠速工況下會(huì)表達(dá)得最為明顯。隨著轉(zhuǎn)速或是負(fù)荷的上升其不均勻性會(huì)自動(dòng)衰減，因而在離開(kāi)低怠速工況后，可逐步停頓對(duì)各缸不均勻性進(jìn)展修正。對(duì)各缸不均勻性的修正的主要作用在于提高發(fā)動(dòng)機(jī)低怠速時(shí)的舒適性。另外，為了保證對(duì)各缸不均勻性進(jìn)展檢測(cè)時(shí)不受外部因素的干擾，要求僅在*些

18、特定的工況條件下進(jìn)展不均勻性的檢測(cè)，例如：1、發(fā)動(dòng)機(jī)處于正常工況下。2、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩可正可負(fù)的絕對(duì)值低于*個(gè)域值。參考圍 -55Nm。3、轉(zhuǎn)速和主噴油量處在*個(gè)圍。圖11給出了參考值。圖11 控制區(qū)域劃分在11中，是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的噴油量與轉(zhuǎn)速來(lái)劃分控制區(qū)域的，在閉環(huán)控制區(qū)，不斷對(duì)各缸的不均勻性進(jìn)展學(xué)習(xí)并計(jì)算出的各缸修正油量，同時(shí)也在以最新的計(jì)算結(jié)果修正各缸噴油量。在開(kāi)環(huán)控制區(qū)，則只進(jìn)展各缸不均勻性的修正，修正值為在閉環(huán)控制區(qū)給出最后的計(jì)算結(jié)果。到了無(wú)效區(qū)，將完全停頓平衡各缸不均勻性的所有功能。7 結(jié) 論準(zhǔn)確測(cè)量曲軸飛輪端信號(hào)齒所提供的時(shí)段信息可以直接準(zhǔn)確的表達(dá)各缸瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況，并可以

19、從中得到發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)工況的一些信息。同時(shí)也證明發(fā)動(dòng)機(jī)在低怠速工況下各缸不均勻性會(huì)表達(dá)得最為明顯，隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的增大不均勻性會(huì)逐漸被掩蓋。發(fā)動(dòng)機(jī)各缸不均勻性大小主要會(huì)表達(dá)在低怠速時(shí)的振動(dòng)與噪聲上，因而對(duì)其的修正可以提高此工況下的舒適性?；趲V波來(lái)提取各缸不均勻性的算法具有較高的準(zhǔn)確性與可靠性，對(duì)于因發(fā)動(dòng)機(jī)外部扭矩干擾引發(fā)的平均轉(zhuǎn)速波動(dòng)和往復(fù)慣性力波動(dòng)所帶來(lái)的干擾具有很好免疫力。針對(duì)因各缸噴油不均所產(chǎn)生的不均勻性可以快速穩(wěn)定的進(jìn)展修正。根據(jù)當(dāng)前工況具體劃分學(xué)習(xí)與控制區(qū)域后再結(jié)合計(jì)算出來(lái)的修正結(jié)果，能夠讓各缸的平衡功能更好地發(fā)揮作用。各缸工作均勻單缸轉(zhuǎn)速偏低相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低相鄰兩缸轉(zhuǎn)速一高一低不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速偏低不相鄰兩缸轉(zhuǎn)速一高一低曲軸時(shí)段時(shí)段頻譜兩帶通結(jié)果之和修正油量圖12 各類(lèi)不均勻性下的帶通結(jié)果與修正油量參考文獻(xiàn)1 M. J. van Nieuwstadt，I. V. KolmanovskyDetecting and Correcting Cylinder Imbalance in Direct Injection EnginesJJournal of Dynamic Systems, Measurement,