楊學(xué)平+申立中

摘 要： 通過LabCar軟硬件結(jié)合實現(xiàn)了曲軸與凸輪軸位置傳感器信號模擬，對比分析研究了模擬信號與理論轉(zhuǎn)速信號的差異。結(jié)果表明，基于LabCar模擬出的曲軸凸輪軸位置信號與理論信號一致，模擬信號能被ECU精確識別，從而提高了高壓共軌ECU硬件在環(huán)測試效率，具有很好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 曲軸與凸輪軸傳感器； LabCar； 信號模擬； ECU

中圖分類號： TN911.7?34； TK422 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0126?03

Research on signals of crankshaft and camshaft position sensors based on LabCar

YANG Xue?ping， SHEN Li?zhong

（Traffic Engineering Institute， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650500， China）

Abstract： The simulation of crankshaft and camshaft position sensor signals is realized by combining LabCar hardware with software. The difference between analog signal and theory speed signal is compared and analyzed. The results show that the crankshaft and camshaft position sensor signals simulated by LabCar are consistent with theory signal. The analog signals can be exactly identified by ECU. The test efficiency of high?pressure common rail ECU hardware in loop was improved. It is of practical value.

Keywords： crankshaft and camshaft sensor； LabCar； signal simulation； ECU

0 引 言

車輛的動力性、舒適性和排放很大程度上依賴于發(fā)動機控制單元（ECU）的質(zhì)量。面對電控系統(tǒng)功能不斷增強而開發(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。

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。硬件在環(huán)仿真技術(shù)（Hardware In the Loop）實際上就是將實際仿真對象用高速運行的實時仿真模型來代替，而結(jié)構(gòu)復(fù)雜部分用實物接入的方式構(gòu)成一個虛擬的測試環(huán)境進行測試，這個虛擬的測試環(huán)境將盡可能模擬實際被測對象的運行狀態(tài)。

ECU硬件在環(huán)中，各種傳感器信號的模擬產(chǎn)生決定了測試的基礎(chǔ)，傳感器信號的正確與否，關(guān)系到ECU能否滿足測試需求，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對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

傳感器信號的物理特性是指曲軸信號盤和凸輪軸信號盤的均布齒數(shù)、缺齒數(shù)（或多齒數(shù)）以及兩個信號盤之間的安裝角度相對位置關(guān)系。

為保證“判缸”的精度，曲軸信號盤的齒數(shù)應(yīng)該較密一些，而凸輪軸信號盤的齒數(shù)可以相對稀疏一些。由于待測ECU是根據(jù)四缸高壓共軌柴油機而開發(fā)的，以四缸高壓共軌柴油機為例，其中凸輪軸信號盤為（4+1）齒，即4個正常齒和一個多余的齒。曲軸信號盤為（60-2）齒，即58個正常齒和2個缺齒；齒盤勻速轉(zhuǎn)動一周，傳感器輸出信號為58個等周期的方波和一個2倍周期的異形波（大齒方波），齒盤連續(xù)轉(zhuǎn)動，信號周而復(fù)始。

發(fā)動機在一個工作循環(huán)中，曲軸轉(zhuǎn)兩周，凸輪軸轉(zhuǎn)一周。根據(jù)發(fā)動機特性，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（相當于缺齒后120°CA），如圖2所示。凸輪軸第一齒的下降沿距離1缸上止點為60°CA，凸輪軸多齒下降沿距離1缸上止點為15°CA。

圖2 曲軸和凸輪軸傳感器信號

當然，這幾個角度差沒有特別的要求，意味著凸輪軸信號盤和曲軸信號盤之間的相對位置，以及它們相對TDC1的位置是可以自由安裝的，安裝后根據(jù)裝配關(guān)系對LabCar軟硬件進行編輯關(guān)聯(lián)即可。

2 LabCar軟硬件仿真?zhèn)鞲衅餍盘?/p>

2.1 模擬原理

LabCar是汽車電子控制單元硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)，主要由軟件、硬件及信號接口組成。軟件主要用于汽車發(fā)動機模型的修改和創(chuàng)建、實時仿真的控制、信號的排序以及硬件的驅(qū)動；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，以及產(chǎn)生控制單元所需的輸入信號。信號接口實際上起著連接虛擬和真實世界的橋梁；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ECU。仿真原理框圖如圖3所示。

圖3 信號產(chǎn)生原理框圖

2.2 LabCar軟硬件配置

由于4沖程發(fā)動機在一個工作循環(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)凸輪軸信號來確定發(fā)動機相位，根據(jù)曲軸信號來獲得更精確的角度。

DEVM模型包含真實發(fā)動機所有模塊（包括噴油模塊、增壓模塊、共軌模塊等等）。在軟件運行DEVM[4]，能輸出各個工況下的發(fā)動機轉(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缸壓縮上止點為曲軸缺齒后第20齒（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對應(yīng)曲軸缺齒后第10齒（60°CA）下降沿；凸輪軸多齒對應(yīng)大約在曲軸缺齒后第17齒到18齒（105°CA）。

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)動機轉(zhuǎn)速（n_Engine）與ES1335進行關(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表。曲軸編輯表格取一個發(fā)動機循環(huán)即720°轉(zhuǎn)角，曲軸表格的0°處默認為第一個缺齒的上升沿處。但是板卡默認0°位置是1缸壓縮上止點，所以根據(jù)實際曲軸位置有相位差。實際1缸上止點為曲軸缺齒后第20齒下降處，故定相位的時候，曲軸信號應(yīng)向左移120°CA，如圖5所示。同理可推出凸輪軸相位。

圖5 曲軸信號參考相位

3 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軟件中編譯進行了模擬仿真。

曲軸與凸輪軸位置傳感器信號的來源為LabCar模型DEVM輸出的轉(zhuǎn)速，這兩個信號的頻率隨轉(zhuǎn)速的變換而改變。ES1335的作用是根據(jù)DEVM輸出的轉(zhuǎn)速值（瞬時值為定常數(shù)），通過自身的各種轉(zhuǎn)化模塊，計算出匹配轉(zhuǎn)速值的方波信號。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 測試結(jié)果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號，不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的曲軸傳感器信號的周期不同，示波器測試結(jié)果如圖6，圖7所示。不同轉(zhuǎn)速下理論周期與實際周期見表1。

圖6 轉(zhuǎn)速為800 r/min時曲軸、凸輪軸信號

圖7 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時曲軸、凸輪軸信號

分析表1，結(jié)果表明模擬信號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，是因為轉(zhuǎn)速越高，周期越短，越難精確的測量）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下周期統(tǒng)計表

[轉(zhuǎn)速 /（r/min）＼&800＼&1 400＼&2 000＼&2 800＼&3 600＼&理論周期 /ms＼&1.25＼&0.72＼&0.50＼&0.35＼&0.27＼&測量周期 /ms＼&1.24＼&0.71＼&0.51＼&0.36＼&0.28＼&誤差 /%＼&0.8＼&1.3＼&2.0＼&2.8＼&3.7＼&]

4 結(jié) 論

使用LabCar能方便實現(xiàn)曲軸、凸輪軸信號的生成，而且信號精度高，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)試打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 何勇靈，徐斌譯.柴油機管理系統(tǒng)：系統(tǒng)、組成和新實踐經(jīng)驗[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2] 岳繼光，董延超.汽車發(fā)動機模型硬件在環(huán)仿真研究[J].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[J].世界汽車，2002（11）：22?24.

[4] ETAS. Diesel engine vehicle model V5.0 users guide [R]. Schwieberdingen， Germany： ETAS， 2001.

[5] ETAS. LabCar： operator users guide [R]. Schwieberdingen， Germany： ETAS， 2000.

[6] 王偉達，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計及其在ASR控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（7）：139?143.

圖3 信號產(chǎn)生原理框圖

2.2 LabCar軟硬件配置

由于4沖程發(fā)動機在一個工作循環(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)凸輪軸信號來確定發(fā)動機相位，根據(jù)曲軸信號來獲得更精確的角度。

DEVM模型包含真實發(fā)動機所有模塊（包括噴油模塊、增壓模塊、共軌模塊等等）。在軟件運行DEVM[4]，能輸出各個工況下的發(fā)動機轉(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缸壓縮上止點為曲軸缺齒后第20齒（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對應(yīng)曲軸缺齒后第10齒（60°CA）下降沿；凸輪軸多齒對應(yīng)大約在曲軸缺齒后第17齒到18齒（105°CA）。

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)動機轉(zhuǎn)速（n_Engine）與ES1335進行關(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表。曲軸編輯表格取一個發(fā)動機循環(huán)即720°轉(zhuǎn)角，曲軸表格的0°處默認為第一個缺齒的上升沿處。但是板卡默認0°位置是1缸壓縮上止點，所以根據(jù)實際曲軸位置有相位差。實際1缸上止點為曲軸缺齒后第20齒下降處，故定相位的時候，曲軸信號應(yīng)向左移120°CA，如圖5所示。同理可推出凸輪軸相位。

圖5 曲軸信號參考相位

3 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軟件中編譯進行了模擬仿真。

曲軸與凸輪軸位置傳感器信號的來源為LabCar模型DEVM輸出的轉(zhuǎn)速，這兩個信號的頻率隨轉(zhuǎn)速的變換而改變。ES1335的作用是根據(jù)DEVM輸出的轉(zhuǎn)速值（瞬時值為定常數(shù)），通過自身的各種轉(zhuǎn)化模塊，計算出匹配轉(zhuǎn)速值的方波信號。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 測試結(jié)果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號，不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的曲軸傳感器信號的周期不同，示波器測試結(jié)果如圖6，圖7所示。不同轉(zhuǎn)速下理論周期與實際周期見表1。

圖6 轉(zhuǎn)速為800 r/min時曲軸、凸輪軸信號

圖7 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時曲軸、凸輪軸信號

分析表1，結(jié)果表明模擬信號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，是因為轉(zhuǎn)速越高，周期越短，越難精確的測量）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下周期統(tǒng)計表

[轉(zhuǎn)速 /（r/min）＼&800＼&1 400＼&2 000＼&2 800＼&3 600＼&理論周期 /ms＼&1.25＼&0.72＼&0.50＼&0.35＼&0.27＼&測量周期 /ms＼&1.24＼&0.71＼&0.51＼&0.36＼&0.28＼&誤差 /%＼&0.8＼&1.3＼&2.0＼&2.8＼&3.7＼&]

4 結(jié) 論

使用LabCar能方便實現(xiàn)曲軸、凸輪軸信號的生成，而且信號精度高，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)試打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 何勇靈，徐斌譯.柴油機管理系統(tǒng)：系統(tǒng)、組成和新實踐經(jīng)驗[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2] 岳繼光，董延超.汽車發(fā)動機模型硬件在環(huán)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2008，4（2）：34?37.

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[4] ETAS. Diesel engine vehicle model V5.0 users guide [R]. Schwieberdingen， Germany： ETAS， 2001.

[5] ETAS. LabCar： operator users guide [R]. Schwieberdingen， Germany： ETAS， 2000.

[6] 王偉達，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計及其在ASR控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（7）：139?143.

圖3 信號產(chǎn)生原理框圖

2.2 LabCar軟硬件配置

由于4沖程發(fā)動機在一個工作循環(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)凸輪軸信號來確定發(fā)動機相位，根據(jù)曲軸信號來獲得更精確的角度。

DEVM模型包含真實發(fā)動機所有模塊（包括噴油模塊、增壓模塊、共軌模塊等等）。在軟件運行DEVM[4]，能輸出各個工況下的發(fā)動機轉(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缸壓縮上止點為曲軸缺齒后第20齒（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對應(yīng)曲軸缺齒后第10齒（60°CA）下降沿；凸輪軸多齒對應(yīng)大約在曲軸缺齒后第17齒到18齒（105°CA）。

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)動機轉(zhuǎn)速（n_Engine）與ES1335進行關(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表。曲軸編輯表格取一個發(fā)動機循環(huán)即720°轉(zhuǎn)角，曲軸表格的0°處默認為第一個缺齒的上升沿處。但是板卡默認0°位置是1缸壓縮上止點，所以根據(jù)實際曲軸位置有相位差。實際1缸上止點為曲軸缺齒后第20齒下降處，故定相位的時候，曲軸信號應(yīng)向左移120°CA，如圖5所示。同理可推出凸輪軸相位。

圖5 曲軸信號參考相位

3 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軟件中編譯進行了模擬仿真。

曲軸與凸輪軸位置傳感器信號的來源為LabCar模型DEVM輸出的轉(zhuǎn)速，這兩個信號的頻率隨轉(zhuǎn)速的變換而改變。ES1335的作用是根據(jù)DEVM輸出的轉(zhuǎn)速值（瞬時值為定常數(shù)），通過自身的各種轉(zhuǎn)化模塊，計算出匹配轉(zhuǎn)速值的方波信號。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 測試結(jié)果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號，不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的曲軸傳感器信號的周期不同，示波器測試結(jié)果如圖6，圖7所示。不同轉(zhuǎn)速下理論周期與實際周期見表1。

圖6 轉(zhuǎn)速為800 r/min時曲軸、凸輪軸信號

圖7 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時曲軸、凸輪軸信號

分析表1，結(jié)果表明模擬信號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，是因為轉(zhuǎn)速越高，周期越短，越難精確的測量）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下周期統(tǒng)計表

[轉(zhuǎn)速 /（r/min）＼&800＼&1 400＼&2 000＼&2 800＼&3 600＼&理論周期 /ms＼&1.25＼&0.72＼&0.50＼&0.35＼&0.27＼&測量周期 /ms＼&1.24＼&0.71＼&0.51＼&0.36＼&0.28＼&誤差 /%＼&0.8＼&1.3＼&2.0＼&2.8＼&3.7＼&]

4 結(jié) 論

使用LabCar能方便實現(xiàn)曲軸、凸輪軸信號的生成，而且信號精度高，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)試打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 何勇靈，徐斌譯.柴油機管理系統(tǒng)：系統(tǒng)、組成和新實踐經(jīng)驗[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2] 岳繼光，董延超.汽車發(fā)動機模型硬件在環(huán)仿真研究[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2008，4（2）：34?37.

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[6] 王偉達，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計及其在ASR控制中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（7）：139?143.