基于LabCar曲軸與凸輪軸傳感器信號(hào)的研究

楊學(xué)平+申立中

摘 要： 通過LabCar軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了曲軸與凸輪軸位置傳感器信號(hào)模擬，對(duì)比分析研究了模擬信號(hào)與理論轉(zhuǎn)速信號(hào)的差異。結(jié)果表明，基于LabCar模擬出的曲軸凸輪軸位置信號(hào)與理論信號(hào)一致，模擬信號(hào)能被ECU精確識(shí)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(jià)值。

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

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TK422 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(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)虛擬的測試環(huán)境進(jìn)行測試，這個(gè)虛擬的測試環(huán)境將盡可能模擬實(shí)際被測對(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。由于待測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120°CA），如圖2所示。凸輪軸第一齒的下降沿距離1缸上止點(diǎn)為60°CA，凸輪軸多齒下降沿距離1缸上止點(diǎn)為15°CA。

圖2 曲軸和凸輪軸傳感器信號(hào)

當(dāng)然，這幾個(gè)角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ECU。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（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對(duì)應(yīng)曲軸缺齒后第10齒（60°CA）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（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(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120°CA，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 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LabCar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 測試結(jié)果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號(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，越難精確的測量）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下周期統(tǒng)計(jì)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(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)[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(dòng)機(jī)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(dá)，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計(jì)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(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（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對(duì)應(yīng)曲軸缺齒后第10齒（60°CA）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（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(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120°CA，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 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LabCar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 測試結(jié)果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號(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，越難精確的測量）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下周期統(tǒng)計(jì)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(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)[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(dòng)機(jī)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(dá)，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計(jì)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(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（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對(duì)應(yīng)曲軸缺齒后第10齒（60°CA）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（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(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120°CA，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 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LabCar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 測試結(jié)果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號(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，越難精確的測量）。

表1 不同轉(zhuǎn)速下周期統(tǒng)計(jì)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(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)[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(dòng)機(jī)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(dá)，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)ECU設(shè)計(jì)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.