發(fā)動(dòng)機轉速信號模擬器設計方案

引言

隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機電控系統的結構和控制策略日趨復雜，電控系統的研發(fā)工作難度以及實(shí)驗工作量大大增加，成本也大幅度提高。V型開(kāi)發(fā)模式已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)開(kāi)發(fā)流程的主流，其中的硬件在環(huán)仿真中，為了配合ECU軟件的開(kāi)發(fā)，需要模擬發(fā)動(dòng)機的轉速信號來(lái)驗證軟件算法的正確性。

目前已經(jīng)有很多研發(fā)人員已經(jīng)做了這方面的研究。例如，清華大學(xué)的章健勇開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機轉速模擬器系統利用數字端口實(shí)現了大轉速范圍內發(fā)動(dòng)機轉速霍爾信號的模擬；北京理工大學(xué)的王宇明設計的便攜式發(fā)動(dòng)機工況信號模擬器，能夠比較真實(shí)地模擬發(fā)動(dòng)機傳感器信號的類(lèi)型、形態(tài)，基于模型的信號產(chǎn)生方法能夠較好地反映發(fā)動(dòng)機工況變化中傳感器的內在關(guān)系，并且提出了把霍爾信號通過(guò)硬件逐步轉化成為磁電信號的方法；北京城建設計研究總院的趙華偉設計的轉速模擬器采用硬件方式產(chǎn)生頻率方波信號和電流信號的方法，不僅能夠提供發(fā)動(dòng)機所需的方波信號，而且頻率調節精度高，能夠實(shí)現電流的輸出。

這些模擬器尚不能模擬得到理想的磁電信號，并且對發(fā)動(dòng)機參數變化的適應性很差。本文提出一種生成標準磁電正弦信號的方法，并在此基礎上設計了一款便攜、靈活的發(fā)動(dòng)機轉速信號模擬系統。磁電正弦信號可以通過(guò)硬件轉化和軟件逼近兩種方法得到，實(shí)驗證明前者得到的磁電信號精度不高，與真實(shí)磁電信號差異較大，所以本文采用軟件逼近的方法。軟件分段逼近分為DA分段逼近和PWM分段逼近。DA分段逼近的方法需要外擴一塊D／A芯片，且轉化過(guò)程需要占用大量單片機資源，不能滿(mǎn)足高頻的需求，所以本文選用PWM分段逼近的方法。本系統以MC9S08為處理器，通過(guò)面板鍵盤(pán)或RS232通信方式來(lái)設定發(fā)動(dòng)機參數和實(shí)時(shí)在線(xiàn)修改發(fā)動(dòng)機轉速，并通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示信息。

1 系統總體方案設計

發(fā)動(dòng)機轉速模擬器系統原理框圖如圖1所示。整個(gè)系統包括電源模塊、中央處理器、面板按鍵輸入模塊、碼盤(pán)信號和霍爾信號輸入模塊、液晶顯示模塊、發(fā)動(dòng)機信號輸出模塊、調理電路、分壓電路、繼電器驅動(dòng)電路、通信模塊。

電源模塊采用12 V供電，為整個(gè)系統提供5 V電源和士15 V電源。發(fā)動(dòng)機型號、傳感器參數等信息可以選擇面板按鍵輸入方式或者上位機輸入方式。發(fā)動(dòng)機實(shí)時(shí)轉速可以選用手動(dòng)模式或者自動(dòng)模式。若采用手動(dòng)模式，由面板鍵盤(pán)輸入特定值；若采用自動(dòng)模式，由上位機輸入隨時(shí)間變化的速度曲線(xiàn)，或者采集碼盤(pán)信息得到實(shí)時(shí)速度值。液晶模塊來(lái)顯示發(fā)動(dòng)機、傳感器參數和當前發(fā)動(dòng)機轉速。輸出模塊包括凸輪軸信號輸出和曲軸信號輸出，繼電器1為凸輪軸信號選擇模式，繼電器2為曲軸信號選擇模式。輸入模塊中有外部凸輪軸霍爾信號和外部曲軸霍爾信號，兩信號由單片機采集后，經(jīng)輸出模塊轉換輸出磁電信號。

2 硬件設計

2．1 處理器選擇

該模擬器是汽車(chē)電子系統開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要工具，所以要選擇滿(mǎn)足寬溫度限、強抗電磁干擾等最基本要求的汽車(chē)級別單片機。同時(shí)，為了縮減成本，價(jià)格低廉也是非常必要的。模擬器選擇Freescale公司的8位處理器MC9S08DZ60。它具有4 KB的RAM、2 KB的EEPROM、60 KB的可編程Flash；包含2路定時(shí)脈沖寬度調節器，其中TPM1具有6個(gè)PWM通道，TPM2具有2個(gè)PWM通道。

2．2 磁電信號調理電路

實(shí)際發(fā)動(dòng)機轉速的磁電信號是一組近似于正弦波信號的模擬信號，低速下其幅值為-1～+1，高速時(shí)幅值變化可達到-15～+15。本模擬器采用PWM信號逼近正弦的方式來(lái)生成磁電信號。

磁電信號調理電路如圖2所示。

信號的調理過(guò)程分為以下3個(gè)部分：

①整形。輸入信號是頻率固定為1 MHz的PWM信號，其占空比按照正弦規律變化，經(jīng)過(guò)LMV931整形后得到向上平移后的正弦波。

②濾波。電容C1起到濾波的作用，濾除信號中的直流分量，正弦信號整體向下平移，得到標準的正弦波形。

③放大。標準正弦波最大幅值只有2．5 V，不能滿(mǎn)足磁電信號的要求，所以經(jīng)過(guò)LM7332放大一次，放大倍數β=R1／R2。

信號變換過(guò)程如圖3所示。


3 軟件設計

整個(gè)軟件部分分為模擬器配置狀態(tài)和模擬器輸出狀態(tài)。配置狀態(tài)主要功能為通過(guò)面板鍵盤(pán)或者RS232通信設定發(fā)動(dòng)機參數。輸出狀態(tài)主要功能是根據發(fā)動(dòng)機參數和傳感器的組合輸出當前需求轉速下的曲軸信號和凸輪軸信號。

3．1 逼近磁電正弦信號

模擬器是通過(guò)PWM信號軟件逼近的方式產(chǎn)生磁電信號。隨著(zhù)一個(gè)周期所分段數的逐漸增加，逼近的精度也逐步提高。但為了防止高速時(shí)程序頻繁進(jìn)出中斷會(huì )影響程序其他部分的運行，逼近所分段數不可過(guò)多。綜合逼近精度、單片機的總線(xiàn)頻率和正弦信號的對稱(chēng)性考慮，把凸輪軸磁電信號的一個(gè)正弦周期平分20等份，通過(guò)不同占空比的PWM信號來(lái)逼近正弦信號中的20段，如圖4(a)所示；把曲軸信號的一個(gè)正弦周期平分12等份，通過(guò)不同占空比的PWM信號來(lái)逼近其中的12段，如圖4(b)所示。

計算逼近各點(diǎn)時(shí)間間隔。計算公式如下：

其中，TimeIntervalCrank為曲軸信號逼近各點(diǎn)時(shí)間的間隔計數值；TimeIntervalCam為凸輪軸信號逼近各點(diǎn)時(shí)間的間隔計數值；fbus為時(shí)鐘總線(xiàn)頻率(Hz)；Cranknumber為曲軸齒數(60、48)；Camwidth為凸輪軸齒寬(1，2，3…)；n為發(fā)動(dòng)機目標轉速(rpm)。

圖4中，實(shí)線(xiàn)為逼近的目標曲線(xiàn)，虛線(xiàn)為逼近得到的曲線(xiàn)，逼近后的曲線(xiàn)相對于目標曲線(xiàn)向右平移了一小段相位，在程序中應提前逼近的開(kāi)始時(shí)間，以消除逼近相位誤差。

PWM通道的模數寄存器的值恒定為19，正弦信號最大值對應的值寄存器的值為Rang，如圖4中的“6”點(diǎn)和“4”點(diǎn)。為了保證正弦信號的幅值隨著(zhù)轉速值而變化，Rang隨發(fā)動(dòng)機轉速增加而增大，

Rang=Rang(nspeed)。

當逼近一個(gè)曲軸信號正弦波時(shí)，正弦信號中各點(diǎn)對應的正弦值如表1所列。各點(diǎn)對應的單片機值寄存器的值為T(mén)PM2CV0=Rang(nspeed)×Sin(Number)。同理，可以得到逼近凸輪軸磁電信號20個(gè)點(diǎn)對應值寄存器的值TPM2CV1。

為了省去單片機做乘除法運算所占的時(shí)間，在程序中將各點(diǎn)對應的寄存器值做成數組，直接調用。如果要逼近與圖4極性相反(先負后正)的正弦波，只需顛倒各點(diǎn)逼近順序，即逼近順序為20，19，18，…，2，1。

3．2 生成凸輪軸信號和曲軸信號

曲軸信號流程如圖5所示。首先判斷曲軸信號模式。

若模式為霍爾，則輸出PWM霍爾信號。在溢出定時(shí)中斷內累加曲軸齒數，若判斷曲軸缺齒有效，則改變PWM頻率，得到2個(gè)缺齒信號后，一個(gè)循環(huán)結束，曲軸齒數重新計數。在主程序中判斷何時(shí)輸出凸輪軸信號。

若模式為磁電，則輸出PWM逼近信號，開(kāi)始逼近定時(shí)。在定時(shí)中斷中設置逼近各點(diǎn)的占空比，記錄逼近點(diǎn)個(gè)數，一個(gè)正弦周期結束后，曲軸齒數累加1。若判斷缺齒有效，則輸出圖4中恒定“1”點(diǎn)所對應占空比的PWM信號，兩個(gè)缺齒后一個(gè)曲軸循環(huán)結束，曲軸齒數重新計數。在主程序中判斷何時(shí)輸出凸輪軸信號。

凸輪軸信號流程：若信號模式為霍爾，則在主程序中通過(guò)I／O口輸出霍爾信號。若信號模式為磁電，則輸出逼近PWM信號，在定時(shí)中斷中設置逼近各點(diǎn)的占空比，記錄逼近點(diǎn)個(gè)數，一個(gè)正弦周期結束后結束逼近定時(shí)，輸出圖4中恒定“1”點(diǎn)所對應占空比的PWM信號。

4 實(shí)驗驗證

設定模擬器參數如下：曲軸齒數為(60-2)個(gè)齒，凸輪軸齒數為(4+1)個(gè)齒，凸輪軸齒寬為6個(gè)曲軸齒寬，多齒超缺齒12℃A(曲軸轉角是以℃A表示)，凸輪多齒超凸輪1齒為60℃A。通過(guò)示波器觀(guān)察得到圖6所示的信號。

圖6所示曲軸信號模式和凸輪軸信號模式均為磁電。模擬信號滿(mǎn)足設定參數要求，并且幅值、相位準確，相對相位準確，頻率穩定。上下兩組信號的轉速分別為2000rpm和1000 rpm。比較可知，磁電信號幅值隨轉速而變化。

真實(shí)測得的磁電信號以及經(jīng)ECU處理后的信號如圖7所示。該信號在ECU中經(jīng)過(guò)比較器處理后轉換為方波信號，進(jìn)而被單片機采集。模擬得到的磁電信號經(jīng)過(guò)比較器后，同樣轉換為一個(gè)方波信號。雖然模擬信號與真實(shí)磁電信號存在差異，但是經(jīng)過(guò)比較器后得到形同的方波信號，對單片機來(lái)說(shuō)就是相同的信號，所以模擬信號能夠替代真實(shí)的磁電信號。

5 結論

實(shí)驗證明，PWM信號逼近正弦信號的方法可以在8位機上模擬出標準的磁電正弦信號，并且該信號可以替代真實(shí)的磁電信號。本模擬器系統可以在100～6000 rpm范圍內精確模擬發(fā)動(dòng)機轉速信號，滿(mǎn)足設計要求。由于8位單片機的處理能力有限，該模擬器不能實(shí)現磁電信號幅值隨著(zhù)轉速連續、線(xiàn)性地變化，但是并不影響模擬器的功能。若改為使用。DSP處理器，采用級數逼近或者迭代逼近的方法即可實(shí)現。