湯惠淞，吳長(zhǎng)水

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)位置管理由原來(lái)的機(jī)械式發(fā)展到精確的電子控制，通過(guò)傳感器對(duì)曲軸和凸輪軸信號(hào)的采集和算法標(biāo)記，可確定發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)位置和最佳噴射正時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。黃宇［1］研究雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)改造關(guān)鍵技術(shù)，即對(duì)噴射系統(tǒng)的改造技術(shù)；趙叢姣等［2］研究噴射正時(shí)對(duì)燃燒規(guī)律的影響，即實(shí)現(xiàn)噴射系統(tǒng)精確控制，發(fā)現(xiàn)燃油噴射系統(tǒng)參數(shù)噴射提前角、噴射正時(shí)控制等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性、經(jīng)濟(jì)性和排放性等有重要影響；楊騏菲等［3］對(duì)曲軸信號(hào)處理和倍頻進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)有效的倍頻信號(hào)可提高噴射系統(tǒng)控制精度；張暉等［4］、李利平等［5］對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射系統(tǒng)進(jìn)行研究，精確的噴射系統(tǒng)控制都是以準(zhǔn)確的曲軸信號(hào)為基準(zhǔn)，因此曲軸信號(hào)精度將影響整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。本文根據(jù)TC1728 微控制器的豐富資源，設(shè)計(jì)高精度倍頻曲軸信號(hào)算法，可從倍頻后的曲軸信號(hào)獲取豐富的發(fā)動(dòng)機(jī)位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)精準(zhǔn)的噴射控制。

1 控制單元

1.1 微控制器TriCore1728

本文以英飛凌公司AUDO MAX 系列中32 位高時(shí)鐘頻率微處理器TC1728［6］作為主控芯片。TC1728 具有多個(gè)內(nèi)核，其中央處理器和片上外圍設(shè)備的工作頻率相互獨(dú)立，中央處理器最高工作頻率可達(dá)133MHz，片上外圍設(shè)備工作頻率可達(dá)80MHz。還具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器構(gòu)架、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）操作和尋址模式、片上存儲(chǔ)器和豐富的外設(shè)資源，如中央處理器（CPU）、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、外圍控制處理器（PCP）、通用定時(shí)器陣列（GP?TA）、微妙級(jí)通道（MSC）等。同時(shí)，還具有豐富的中斷源，具有181 個(gè)中斷節(jié)點(diǎn)，256 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)可向CPU 和PCP請(qǐng)求中斷服務(wù)。

1.2 倍頻模塊GPTA 功能

定時(shí)器陣列GPTA 內(nèi)部包含一組高速數(shù)字信號(hào)處理單元：濾波和預(yù)分頻單元（FPC）支持輸出信號(hào)噪聲濾波和預(yù)分頻操作；占空比測(cè)量單元（DCM）實(shí)現(xiàn)脈沖周期測(cè)量；數(shù)字鎖相環(huán)單元（PLL）在一個(gè)輸入信號(hào)周期中產(chǎn)生數(shù)量可編程的模塊時(shí)鐘標(biāo)記；全局定時(shí)器單元（GT）用作全局定時(shí)器單元（GTC）的時(shí)間基準(zhǔn)，GTC 具有捕獲/比較功能，多個(gè)GTC 可以邏輯級(jí)聯(lián)生成復(fù)雜的波形并輸出到外部端口；本地定時(shí)器單元（LTC）可實(shí)現(xiàn)定時(shí)、信號(hào)捕捉和比較功能，多個(gè)LTC 可用于提供觸發(fā)或門控信號(hào)，同時(shí)可觸發(fā)LTC 和GTC 相關(guān)操作。GPTA 模塊內(nèi)核關(guān)系如圖1 所示。

Fig.1 The kernel relationship of GPTA圖1 GPTA 內(nèi)核關(guān)系

2 曲軸信號(hào)配置

曲軸信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)精準(zhǔn)控制的基礎(chǔ)，噴射系統(tǒng)主要依托曲軸信號(hào)，因此獲得有效的曲軸信號(hào)，是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵［7］。為獲得曲軸信號(hào)，一般采用光電傳感器和霍爾傳感器進(jìn)行采集［8-10］。但光電傳感器輸出信號(hào)為正弦波信號(hào)，必須通過(guò)信號(hào)處理電路處理后，才能被CPU 處理，增加了電路設(shè)計(jì)的難度和成本。而霍爾傳感器可直接輸出方波信號(hào)并由GPTA 模塊處理，無(wú)需特定處理電路，簡(jiǎn)單方便，本文使用霍爾傳感器進(jìn)行曲軸信號(hào)采集。

本文研究對(duì)象是四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其曲軸信號(hào)盤采用均勻布置的60 個(gè)齒［9］。為了獲得缸號(hào)和上止點(diǎn)位置信息，一般去掉2 個(gè)齒，即采用60-2 個(gè)齒，并稱去掉的齒為缺齒。正常齒產(chǎn)生的方波信號(hào)每個(gè)周期為6CA，缺齒為18CA。曲軸信號(hào)盤和采集信號(hào)波形如圖2 所示。

Fig.2 Crankshaft signal panel and signal waveform圖2 曲軸信號(hào)盤和信號(hào)波形

3 曲軸信號(hào)倍頻算法設(shè)計(jì)

曲軸信號(hào)通過(guò)霍爾傳感器采集，由濾波電路處理后，將得到的方波信號(hào)通過(guò)I/O 端口輸入到TC1728，由GPTA內(nèi)核中的各個(gè)單元進(jìn)行倍頻處理。倍頻后的信號(hào)由GTC/LTC 單元生成PWM 波控制噴射驅(qū)動(dòng)單元并進(jìn)行噴射控制［11-12］。曲軸信號(hào)控制噴射系統(tǒng)整個(gè)過(guò)程如圖3 所示。

Fig.3 Crankshaft signal flow relationship圖3 曲軸信號(hào)流動(dòng)關(guān)系

3.1 軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 濾波單元FPC

曲軸信號(hào)為高頻方波信號(hào)，容易受到外界干擾，形成錯(cuò)誤波形。如果采集到錯(cuò)誤的波形，會(huì)對(duì)后面的控制產(chǎn)生嚴(yán)重影響。利用FPC 對(duì)曲軸信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到干凈的曲軸信號(hào)。FPC 的濾波模式可分為即時(shí)去抖濾波法和延遲去抖濾波法。即時(shí)去抖濾波法，檢測(cè)到輸入信號(hào)邊沿后，在編程設(shè)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)輸入信號(hào)的跳變和毛刺進(jìn)行濾波；延遲去抖濾波法，用一個(gè)比選定的時(shí)鐘周期和比寄存器值的乘積稍小的信號(hào)寬度，對(duì)輸入信號(hào)上的所有跳變和毛刺進(jìn)行濾波。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，對(duì)輸入信號(hào)的濾波用兩種濾波法隨意組合，本文采用上升沿延遲濾波、下降沿即時(shí)濾波?；旌蠟V波模式下的波形如圖4 所示。

3.1.2 占空比測(cè)量單元DCM

GPTA 模塊含有4 個(gè)DCM 單元（DCM0-DCM3），每個(gè)DCM 由24 位定時(shí)器、24 位捕獲寄存器、24 位捕獲/比較寄存器、24 位比較器和DCM 控制單元組成。測(cè)量曲軸周期使用DCM 的定時(shí)器/捕獲寄存器CAV，設(shè)置捕獲寄存器為下降沿觸發(fā)中斷，將GPTA 總線時(shí)鐘fGPTA遞增計(jì)數(shù)至下一次觸發(fā)，并將捕獲的時(shí)鐘個(gè)數(shù)保存在寄存器DMU 中。捕獲完成后定時(shí)器自動(dòng)復(fù)位，重新計(jì)數(shù)，定時(shí)器所記錄的一個(gè)曲軸齒的周期長(zhǎng)度Cur_period=TGPTA*GPTA_DCMCAV0。

本文根據(jù)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為4 000rpm，曲軸信號(hào)的最大頻率小于4KHz，將GPTA 模塊的時(shí)鐘頻率fGPTA設(shè)置為5MHz。由于輸入信號(hào)不一定是fGPTA的整數(shù)倍，故存在最大捕獲誤差?δ1為一個(gè)周期的TGPTA（圖5 為DCM 捕獲誤差原理圖），即在GPTA 總線fGPTA為5MHz 的頻率下，DCM 捕獲誤差時(shí)間控制在0.2us 內(nèi)。對(duì)于傳統(tǒng)的捕獲模式，也會(huì)產(chǎn)生相同的誤差?ε1=Tcapture。

Fig.5 Acquisition error principle of DCM unit圖5 DCM 單元捕獲誤差原理

3.1.3 倍頻單元PLL

PLL 是具有倍頻功能的數(shù)字鎖相環(huán)單元，在一個(gè)輸入信號(hào)周期內(nèi)，在規(guī)定的時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生期望數(shù)目的時(shí)鐘脈沖。PLL 還具有自動(dòng)調(diào)速功能，當(dāng)自動(dòng)結(jié)束模式位（PLLC?TR.AEN）置位時(shí)，可以根據(jù)輸入信號(hào)的加速和減速進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。若自動(dòng)結(jié)束模式復(fù)位，PLL 將不與輸入信號(hào)沿同步連續(xù)產(chǎn)生輸出脈沖。與傳統(tǒng)倍頻方式對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)定時(shí)陣列GPTA 處理后的倍頻信號(hào)，誤差遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方式，提高了控制精度。圖6 為TP=20 個(gè)TGPTA下，分頻因子n=6 時(shí)，兩種方式倍頻后的波形對(duì)比，易得出傳統(tǒng)方式形成的波形不均勻，而本文倍頻方式信號(hào)更均勻有效。

在實(shí)際過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并不是恒定的，存在加減速過(guò)程，因此轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，設(shè)計(jì)的算法應(yīng)能自動(dòng)補(bǔ)償。PLL 具有自動(dòng)補(bǔ)償功能，能有效減少倍頻信號(hào)誤差。如在減速情況下，信號(hào)周期的長(zhǎng)度逐漸變大，因?yàn)樵赑LL設(shè)置時(shí)GPTA0_PLLMTI 為固定值，在不同的周期長(zhǎng)度下將生成相同個(gè)數(shù)倍頻脈沖，因此倍頻脈沖的周期會(huì)發(fā)生變化。脈沖周期不同，對(duì)GT 單元波形也產(chǎn)生很大誤差。本文設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲軸信號(hào)周期，當(dāng)監(jiān)測(cè)到曲軸信號(hào)周期變化時(shí)，將對(duì)PLL 中的寄存器GP?TA0_PLLMTI 和GPTA0_PLLREV 進(jìn)行算法控制，提高倍頻精度。在轉(zhuǎn)速變化下PLL 倍頻波形如圖7 所示。

Fig.6 PLL frequency doubling waveform圖6 PLL 倍頻波形

Fig.7 PLL frequency doubling waveform comparison圖7 PLL 倍頻波形對(duì)比

3.2 倍頻原理分析與誤差分析

經(jīng)過(guò)FPC 濾波后得到干凈的曲軸信號(hào)，由DCM 測(cè)量出周期長(zhǎng)度Tp，在PLL 中設(shè)置倍頻初始值。設(shè)置DCM 和PLL 中斷，在DCM 中斷中，讀取實(shí)時(shí)的周期長(zhǎng)度值Tp，在PLL 中斷中利用測(cè)得的Tp設(shè)置算法，得到均勻的倍頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)DCM 測(cè)得的實(shí)際曲軸信號(hào)周期后，輸入到PLL進(jìn)行倍頻。DCM 測(cè)得的周期長(zhǎng)度Tp存在如式（1）所示關(guān)系：

PLL 根據(jù)測(cè)得的周期長(zhǎng)度Tp和倍頻因子n確定倍頻信號(hào)周期的長(zhǎng)度。倍頻因子大小，決定了倍頻信號(hào)周期的大小。倍頻因子越大，倍頻后的頻率越高，精度越高，反之精度越低。由式（1）可知，PLL 倍頻時(shí)存在兩種情況：一種是曲軸周期長(zhǎng)度與倍頻因子可整除，只需要計(jì)數(shù)n次；第二種是不能整除，留有余數(shù)，需要計(jì)算（n+1）次。PLL 倍頻方式通過(guò)余數(shù)再分配到每個(gè)周期上，使周期更加均勻，有效減少了誤差，誤差最大為：

因此，曲軸信號(hào)通過(guò)GPTA 模塊處理后的最大誤差為：

傳統(tǒng)的倍頻方式是直接除以分頻因子n，將余數(shù)全部放在最后一個(gè)周期上，導(dǎo)致產(chǎn)生誤差，最大誤差可達(dá)：

式中，Tbus為傳統(tǒng)倍頻時(shí)的時(shí)鐘周期。傳統(tǒng)方式曲軸信號(hào)處理后的最大誤差為：

例如，現(xiàn)以倍頻因子n=20，在2 500rpm 轉(zhuǎn)速下，GPTA的總線時(shí)鐘頻率設(shè)置為5MHz，DCM 測(cè)量出正常齒的周期長(zhǎng)度為：

對(duì)于一個(gè)曲軸正常齒的轉(zhuǎn)角為6CA，通過(guò)倍頻后，倍頻輸出信號(hào)周期Tt為：

角度誤差?θ為：

因此，總誤差為δ=0.006CA，不同轉(zhuǎn)速下，曲軸信號(hào)20倍頻誤差大小如表1 所示?？梢缘贸?，在轉(zhuǎn)速800～4 000rpm 時(shí)，曲軸倍頻信號(hào)的最大誤差小于0.01CA。雖然隨著轉(zhuǎn)速增大，倍頻誤差有所增加，但依然滿足倍頻精度要求，倍頻結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

Table 1 20 times frequency of crankshaft signal at different speeds表1 不同轉(zhuǎn)速下曲軸信號(hào)20 倍頻

4 噴射正時(shí)控制應(yīng)用

進(jìn)入曲軸信號(hào)處理函數(shù)crankshaft（）運(yùn)行流程如圖8所示。根據(jù)DCM 實(shí)時(shí)測(cè)得兩次中斷之間的時(shí)間周期計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)速度，獲得以PLL 倍頻后信號(hào)為時(shí)鐘GT 的當(dāng)前計(jì)數(shù)，作為角度計(jì)算噴油時(shí)刻的基礎(chǔ)。如果當(dāng)前齒長(zhǎng)度大于2.5 倍的上一齒長(zhǎng)度，即DCMCurCrksft＞2.5×DCMLastCrksft，可判斷當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)位置是曲軸缺齒位置，將Flag_Crank?shaft 置1。此時(shí)曲軸角度已經(jīng)同步，可以使用當(dāng)前同步角度控制噴射時(shí)刻。Flag_Syn 復(fù)位，等待下一次判缸，使能夠更新同步角度。例如，如果同步后的角度SynAngle=705CA，可知當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)位置在凸輪軸多齒的下降沿，目前發(fā)動(dòng)機(jī)的位置到1 缸TDC1 的角度TDC_Angle1 為：

計(jì)算1 缸噴油時(shí)刻：

其中，AdvAng為噴油提前角，CapPLLtime是當(dāng)前GT 的時(shí)鐘。根據(jù)曲軸信號(hào)盤設(shè)計(jì)，可以依次計(jì)算出剩余缸的噴射時(shí)刻。

轉(zhuǎn)速為2 000rpm 時(shí)，1 缸噴射波形如圖9 所示（彩圖掃OSID 碼可見），綠色為噴射脈寬PWM 波，控制噴射正時(shí)，黃色為倍頻后的曲軸信號(hào)，紅色為1 缸驅(qū)動(dòng)波形。通過(guò)MAP 圖可以查得噴油脈寬為2.6ms，對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為31.2CA。在傳統(tǒng)控制下，精度為3CA。噴油脈寬整除3CA部分由曲軸齒數(shù)控制，剩余余數(shù)由定時(shí)器控制，增加了程序設(shè)計(jì)難度，而且控制精度差。本文根據(jù)GPTA 獨(dú)特功能設(shè)計(jì)了算法，在倍頻系數(shù)為20 倍時(shí)，曲軸信號(hào)的精度為0.03CA，不需要復(fù)雜的控制算法，直接對(duì)倍頻信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)噴油脈寬的控制。控制算法簡(jiǎn)單，程序穩(wěn)定性高。噴射精度也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)控制方式。

Fig.8 Function flow圖8 函數(shù)流程

Fig.9 Injection waveform圖9 噴射波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用TC1728 芯片的豐富資源，設(shè)計(jì)了倍頻曲軸信號(hào)算法，在硬件支持上，簡(jiǎn)化了算法設(shè)計(jì)，提高了ECU 的性能利用率。利用GPTA 獨(dú)特的功能和算法設(shè)計(jì)，將倍頻誤差控制在兩個(gè)GPTA 時(shí)鐘脈沖內(nèi)，得到了高精度信號(hào)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，精準(zhǔn)的曲軸信號(hào)控制噴射系統(tǒng)更簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，精度也更高。下一步工作將研究高精度信號(hào)在噴射正時(shí)控制中對(duì)燃燒過(guò)程的影響。未來(lái)可將開發(fā)的軟件轉(zhuǎn)化為符合AUTOSAR 架構(gòu)規(guī)范的軟件組件，提高移植性。