劉永春，王秋花，劉海濤，齊善東，路志強(qiáng)（中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東濟(jì)南　250002）

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電控柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號的處理與判缸設(shè)計(jì)

劉永春，王秋花，劉海濤，齊善東，路志強(qiáng)
（中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心，山東濟(jì)南250002）

摘要：以磁電式發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號作為研究對象，結(jié)合磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，設(shè)計(jì)分析電控柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號的硬件處理電路和軟件判缸策略。通過在環(huán)測試試驗(yàn)臺（HIL）和發(fā)動機(jī)臺架上試驗(yàn)驗(yàn)證，表明設(shè)計(jì)完全滿足柴油機(jī)電控系統(tǒng)的控制要求。

關(guān)鍵詞：電控柴油機(jī)；磁電式傳感器；判缸；轉(zhuǎn)速

電控柴油機(jī)所有的噴射控制功能，均以轉(zhuǎn)速信號為基礎(chǔ)，因此發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的處理是所有信號處理中最為重要的一部分。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號一般采用曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號來實(shí)現(xiàn)，是整個(gè)柴油機(jī)工作時(shí)序的基礎(chǔ)。曲軸在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)旋轉(zhuǎn)兩周，其特征齒不能反映到底是壓縮上止點(diǎn)還是燃燒上止點(diǎn)，無法完成判缸功能；凸輪軸在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)旋轉(zhuǎn)一周，其特征齒能完成判缸，但凸輪軸傳感器信號變化慢、頻率低，在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速情況下容易造成較大的誤差，電控柴油機(jī)中一般是凸輪軸和曲軸傳感器信號相互配合，共同完成判缸功能和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的計(jì)算［1］。因此，曲軸和凸輪軸信號的處理和判缸設(shè)計(jì)，對整個(gè)電控柴油機(jī)的高效控制至關(guān)重要。

1　磁電式傳感器的工作原理

常用的發(fā)動機(jī)曲軸和凸輪軸傳感器有霍爾式傳感器和磁電式傳感器兩種。磁電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛采用。它是利用電磁感應(yīng)定律將輸入量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢輸出的一種傳感器，主要由旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)輪和相對靜止的感應(yīng)線圈兩部分組成，并且傳感器的磁頭與觸發(fā)齒需滿足一定間隙要求。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器和觸發(fā)輪之間的間隙周期性變化，從而不斷改變繞組的磁通量，磁通量的變化使繞組線圈感應(yīng)出近似正弦波的連續(xù)變化的電壓值。

曲軸傳感器所對應(yīng)的信號齒盤采用60齒減2齒的形式，在均布60個(gè)齒的齒盤上有58個(gè)標(biāo)準(zhǔn)齒和2個(gè)缺齒，對于六缸機(jī)來說，曲軸每轉(zhuǎn)動一周，曲軸傳感器輸出58個(gè)近似正弦波信號和2個(gè)缺齒信號。凸輪軸傳感器所對應(yīng)的信號齒盤采用6齒加1齒的形式，齒輪上每隔120°有一個(gè)齒，外加一個(gè)額外齒，發(fā)動機(jī)每轉(zhuǎn)動兩圈，凸輪軸傳感器將會輸出7個(gè)近似正弦波信號［2］。兩者的信號幅值都是隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨鐵心與齒頂間隙的增加而減小。

2　轉(zhuǎn)速信號處理電路設(shè)計(jì)

2.1核心芯片的選擇

由于車輛電子化程度越來越高，需要處理的電子信息越來越多，通信速率也越來越快，而車輛特別是發(fā)動機(jī)對控制的實(shí)時(shí)性要求極高，這就對發(fā)動機(jī)控制的核心（CPU）提出了更高的要求：更快的運(yùn)算速率、更大的內(nèi)存、超強(qiáng)時(shí)序信號處理能力、豐富的外設(shè)、強(qiáng)大的抗干擾能力等?；谝陨弦螅x擇了基于Power Architecture技術(shù)的MPC5644A作為主控CPU芯片，該芯片是專為滿足未來汽車電子控制需求而推出的新一代32位高性能處理器，同時(shí)也滿足ISO 26262功能安全要求。

片內(nèi)集成了高達(dá)4M Byte Flash和192K Byte片上RAM，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、超強(qiáng)的時(shí)序處理能力、豐富的外圍資源和強(qiáng)大的抗干擾能力，不僅能實(shí)現(xiàn)對高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，還能實(shí)現(xiàn)對整個(gè)柴油機(jī)系統(tǒng)的控制參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)性管理，完全滿足共軌柴油機(jī)電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制的需要。它具有一個(gè)突出的特點(diǎn)：擁有多通道時(shí)間處理單元（ETPU），它是一個(gè)智能化、獨(dú)立化的微控制器，專門處理高分辨率的實(shí)時(shí)控制。ETPU特別適用于對智能判缸、上止點(diǎn)位置監(jiān)測、多缸噴射等控制要求嚴(yán)格的系統(tǒng)中。本文中設(shè)計(jì)的曲軸和凸輪軸信號采集以及智能判缸，都是利用MPC5644A中的ETPU處理單元。圖1為主控芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。

圖1　MPC5644A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.2轉(zhuǎn)速處理芯片的選擇

基于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的特點(diǎn)，選用美信公司的MAX9926型號芯片，對電磁式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號進(jìn)行調(diào)理，它可以將傳感器輸出的正選波信號，轉(zhuǎn)化為頻率相同且占空比適當(dāng)?shù)姆讲?，曲軸和凸輪軸傳感器輸出的信號，經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理之后，以方波的形式進(jìn)入MPC5644A的ETPU處理單元。

芯片MAX9926克服了針對傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號采集電路閾值固定、抗干擾性差的缺點(diǎn)，可根據(jù)輸入發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號幅值的改變而自動改變滯回比較器的比較閾值，提高了接口電路的抗干擾性能。能夠有效地抑制噪聲干擾，從而被廣泛應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)部件傳感器的處理電路中。它的工作溫度區(qū)間為-40～125℃，供電電壓4.5～5.5 V，16針QSOP的封裝尺寸，其內(nèi)部集成了動態(tài)鉗位電路，同時(shí)可以處理兩路電磁信號的輸入，完全滿足我們的應(yīng)用要求。MAX9926的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2　MAX9926內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

通過引腳13 ZERO-EN和引腳1 INT-THRS接電源VCC或搭鐵GND，可配置4種操作模式A1、A2、B和C，操作模式下是過零監(jiān)測使能還是自適應(yīng)峰值監(jiān)測使能，詳見表1。ZERO-EN、INT-THRS1和INTTHRS2分別連接到單片機(jī)MPC5644A的IO端口，在不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下由單片機(jī)控制引腳的高低電平來選擇采用的控制模式，曲軸NE信號通過引腳ZERO-EN和INT-THRS1來選擇，凸輪軸GS信號通過ZERO-EN和INT-THRS2來選擇。引腳4 COUT1和引腳5 COUT2分別連接到單片機(jī)MPC544A的ETPUA1和ETPUA2，將信號調(diào)理后的方波信號輸入到單片機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。

圖3給出了轉(zhuǎn)速信號處理的電路原理圖。該電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠準(zhǔn)確完成對曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號的整形限幅和頻率跟蹤，具有較好的電磁兼容性能。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)速信號的幅值不斷增大，該電路可根據(jù)幅值的改變而自動改變滯回比較器的比較閾值，減少了漏齒現(xiàn)象的發(fā)生，又濾除了不必要的干擾信號。電路既滿足了高抗干擾能力的要求，又滿足了控制系統(tǒng)的高精度需求。圖4和圖5分別為某個(gè)轉(zhuǎn)速下采集到曲軸傳感器、凸輪軸傳感器的原始信號和處理后的信號波形圖。

表1　MAX9926的4種操作模式

圖3　轉(zhuǎn)速信號處理接口電路圖

圖4　曲軸傳感器的原始信號和處理后信號的波形圖

圖5　凸輪軸傳感器的原始信號和處理后信號的波形圖

3　軟件轉(zhuǎn)速計(jì)算和判缸設(shè)計(jì)

MAX9926處理后的方波信號進(jìn)入ETPU單元模塊后，由于ETPU可以高精度定時(shí)，所以采集到的曲軸齒周期更為精確，達(dá)到微秒級。發(fā)動機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速可以實(shí)時(shí)計(jì)算，但需判斷曲軸信號的有效性。曲軸脈沖信號軟件可以設(shè)定為檢測上升沿或下降沿，每轉(zhuǎn)過N個(gè)齒的時(shí)間作為一個(gè)時(shí)間元素，ETPU模塊通過計(jì)算當(dāng)前捕獲到的信號沿時(shí)間與上次捕獲到的信號沿時(shí)間差，轉(zhuǎn)過N個(gè)齒后取平均值，完成發(fā)動機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的計(jì)算［3］。曲軸信號的缺齒和凸輪軸信號的多余齒的判斷，是通過計(jì)算齒周期而實(shí)現(xiàn)的，可以設(shè)定為檢測上升沿或下降沿。在計(jì)算齒周期時(shí)，為了避免各種干擾而造成的誤判，信號有效性監(jiān)測采用窗口技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)窗口，在窗口打開期間進(jìn)行轉(zhuǎn)速信號的尋找。窗口未打開或關(guān)閉后，任何信號沿的輸入將被過濾。若在窗口打開期間未尋找到信號沿，系統(tǒng)將按超時(shí)處理，新一輪的計(jì)算將重新開始?？紤]到信號的波動性，在窗口計(jì)算中齒周期一般采用平均周期。

當(dāng)判斷缺齒特征匹配后，便可認(rèn)定為曲軸同步。凸輪軸同步的判斷也是如此，當(dāng)兩者滿足設(shè)定的時(shí)序相位關(guān)系時(shí)，認(rèn)為判缸成功。同時(shí)軟件也設(shè)計(jì)了有信號干擾或信號異常情況下的處理方法，曲軸信號或凸輪軸信號其中之一正常的話，也能確保發(fā)動機(jī)的正常起動，但起動時(shí)間稍長，這時(shí)系統(tǒng)會進(jìn)入跛行回家模式。采用此控制方法進(jìn)行試驗(yàn)測試，能夠精確地判斷出第1缸，從而準(zhǔn)確地進(jìn)行噴油等控制。圖6為采集到的處理后曲軸信號、凸輪軸信號和第1缸的噴油器電流波形圖。

4　結(jié)語

轉(zhuǎn)速信號的處理和軟件計(jì)算方法，分別在HIL和發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并進(jìn)行了長期的實(shí)車測試驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：此設(shè)計(jì)方法可在不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，準(zhǔn)確地輸出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，精確地進(jìn)行發(fā)動機(jī)瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的計(jì)算，迅速地完成智能判缸，完全滿足電控柴油機(jī)起動控制和噴油控制等多方面的控制需求，同時(shí)高效的主控芯片和轉(zhuǎn)速信號處理芯片相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)高實(shí)時(shí)性和高精確性的要求。

圖6　曲軸、凸輪軸和噴油器電流波形圖形

參考文獻(xiàn)：

［1］章健勇，陳林，位正，等.基于Atmega88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.

［2］李建秋，歐陽明高.柴油機(jī)噴油泵凸輪軸轉(zhuǎn)速波動的特征分析［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1999（3）：：32-36.

［3］司愛國，李輝，路斌，等.基于STM32的發(fā)動機(jī)曲軸位置傳感器的電路設(shè)計(jì)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33（2）：101-103.

（編輯心翔）

Design of Speed Signal and Cylinder Detection on Electrical Controlled Diesel Engine

LIU Yong-chun，WANG Qiu-hua，LIU Hai-tao，QI Shan-dong，LU Zhi-qiang
（China National Heavy Duty Truck Group R&D Centre，Jinan 250002，China）

Abstract：Based on the speed signal of magneto-electric engine，combined with structure features and working principle of magneto-electric sensor，the author designs and analyzes speed signal hardware handling circuit and software cylinder detection strategy on electrical controlled diesel engines.Through the verification test on HIL and engine bench，the design is proved perfectly satisfied with requirements of diesel engine electrical control system.

Key words：electrical controlled diesel engine；magneto-electric sensor；cylinder detection；speed

中圖分類號：U463.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）06－0021－03

收稿日期：2015-12-16；修回日期：2015-12-30

作者簡介：劉永春（1982-），女，碩士，主要從事柴油機(jī)電控系統(tǒng)的開發(fā)研究。