| 标题 | 基于LabCar曲轴与凸轮轴传感器信号的研究 |
| 范文 | 杨学平+申立中 摘 要： 通过LabCar软硬件结合实现了曲轴与凸轮轴位置传感器信号模拟，对比分析研究了模拟信号与理论转速信号的差异。结果表明，基于LabCar模拟出的曲轴凸轮轴位置信号与理论信号一致，模拟信号能被ECU精确识别，从而提高了高压共轨ECU硬件在环测试效率，具有很好的应用价值。 关键词： 曲轴与凸轮轴传感器； LabCar； 信号模拟； ECU 中图分类号： TN911.7?34； TK422 文献标识码： A 文章编号： 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 车辆的动力性、舒适性和排放很大程度上依赖于发动机控制单元（ECU）的质量。面对电控系统功能不断增强而开发周期却不断缩短的要求，软件硬件开发工程师的压力也越来越大[1]。传统的ECU开发流程已经难以完成现代控制系统的设计。 现代的ECU开发流程采用V模式，如图1所示。在V模式中，硬件在环仿真测试环节是非常关键的一环[2]，利用它可以大大缩短ECU的开发周期和减少所花的经费。硬件在环仿真技术（Hardware In the Loop）实际上就是将实际仿真对象用高速运行的实时仿真模型来代替，而结构复杂部分用实物接入的方式构成一个虚拟的测试环境进行测试，这个虚拟的测试环境将尽可能模拟实际被测对象的运行状态。 ECU硬件在环中，各种传感器信号的模拟产生决定了测试的基础，传感器信号的正确与否，关系到ECU能否满足测试需求，关系到能否开发出高效稳定的ECU。正是由于上述原因，曲轴与凸轮轴位置传感器信号的研究成为了重中之重，利用LabCar软件和硬件模拟出传感器信号对ECU开发具有重要意义[3]。 图1 V模式 1 曲轴和凸轮轴位置传感器物理特性 传感器信号的物理特性是指曲轴信号盘和凸轮轴信号盘的均布齿数、缺齿数（或多齿数）以及两个信号盘之间的安装角度相对位置关系。 为保证“判缸”的精度，曲轴信号盘的齿数应该较密一些，而凸轮轴信号盘的齿数可以相对稀疏一些。由于待测ECU是根据四缸高压共轨柴油机而开发的，以四缸高压共轨柴油机为例，其中凸轮轴信号盘为（4+1）齿，即4个正常齿和一个多余的齿。曲轴信号盘为（60-2）齿，即58个正常齿和2个缺齿；齿盘匀速转动一周，传感器输出信号为58个等周期的方波和一个2倍周期的异形波（大齿方波），齿盘连续转动，信号周而复始。 发动机在一个工作循环中，曲轴转两周，凸轮轴转一周。根据发动机特性，做如下安装定义，曲轴缺齿后第20齿的下降沿为1缸压缩上止点（相当于缺齿后120°CA），如图2所示。凸轮轴第一齿的下降沿距离1缸上止点为60°CA，凸轮轴多齿下降沿距离1缸上止点为15°CA。 图2 曲轴和凸轮轴传感器信号 当然，这几个角度差没有特别的要求，意味着凸轮轴信号盘和曲轴信号盘之间的相对位置，以及它们相对TDC1的位置是可以自由安装的，安装后根据装配关系对LabCar软硬件进行编辑关联即可。 2 LabCar软硬件仿真传感器信号 2.1 模拟原理 LabCar是汽车电子控制单元硬件在环仿真测试系统，主要由软件、硬件及信号接口组成。软件主要用于汽车发动机模型的修改和创建、实时仿真的控制、信号的排序以及硬件的驱动；硬件主要用于仿真汽车传感器和执行器，接收由控制单元输出的控制信号，以及产生控制单元所需的输入信号。信号接口实际上起着连接虚拟和真实世界的桥梁；LabCar模型输出转速模拟值，硬件板卡接收处理后，转换成电压量传输给ECU。仿真原理框图如图3所示。 图3 信号产生原理框图 2.2 LabCar软硬件配置 由于4冲程发动机在一个工作循环中曲轴转两周，凸轮轴转一周，在考虑到信号盘齿数的稀密程度不一，判缸方法的基本原则是根据凸轮轴信号来确定发动机相位，根据曲轴信号来获得更精确的角度。 DEVM模型包含真实发动机所有模块（包括喷油模块、增压模块、共轨模块等等）。在软件运行DEVM[4]，能输出各个工况下的发动机转速。 在LabCar软硬件配置中，根据安装定义（见图2），在软件中编辑曲轴和凸轮轴信息：曲轴的齿形为（60-2）齿；凸轮轴的齿形为（4+1）齿；1缸压缩上止点为曲轴缺齿后第20齿（120°CA）下降沿；凸轮轴第1齿对应曲轴缺齿后第10齿（60°CA）下降沿；凸轮轴多齿对应大约在曲轴缺齿后第17齿到18齿（105°CA）。 2.3 配置参数 转速与板卡关联在LabCar?Operator中添加板卡，并将发动机转速（n_Engine）与ES1335进行关联[5]，如图4所示。 图4 转速与板卡关联 根据安装定义，编辑曲轴凸轮轴信号表。曲轴编辑表格取一个发动机循环即720°转角，曲轴表格的0°处默认为第一个缺齿的上升沿处。但是板卡默认0°位置是1缸压缩上止点，所以根据实际曲轴位置有相位差。实际1缸上止点为曲轴缺齿后第20齿下降处，故定相位的时候，曲轴信号应向左移120°CA，如图5所示。同理可推出凸轮轴相位。 图5 曲轴信号参考相位 3 仿真及结果 3.1 仿真环境及程序编译 根据以上思路步骤，在ETAS公司的LabCar软件中编译进行了模拟仿真。 曲轴与凸轮轴位置传感器信号的来源为LabCar模型DEVM输出的转速，这两个信号的频率随转速的变换而改变。ES1335的作用是根据DEVM输出的转速值（瞬时值为定常数），通过自身的各种转化模块，计算出匹配转速值的方波信号。板卡自身带有同步功能，故输出的曲轴与凸轮轴是同步的。 3.2 测试结果 用示波器在LabCar BOB面板上测试信号，不同转速下对应的曲轴传感器信号的周期不同，示波器测试结果如图6，图7所示。不同转速下理论周期与实际周期见表1。 图6 转速为800 r/min时曲轴、凸轮轴信号 图7 转速为2 000 r/min时曲轴、凸轮轴信号 分析表1，结果表明模拟信号周期与理论周期在误差范围内（注：误差随转速的升高而有所增加，是因为转速越高，周期越短，越难精确的测量）。 表1 不同转速下周期统计表 [转速 /（r/min）＼&800＼&1 400＼&2 000＼&2 800＼&3 600＼&理论周期 /ms＼&1.25＼&0.72＼&0.50＼&0.35＼&0.27＼&测量周期 /ms＼&1.24＼&0.71＼&0.51＼&0.36＼&0.28＼&误差 /%＼&0.8＼&1.3＼&2.0＼&2.8＼&3.7＼&] 4 结 论 使用LabCar能方便实现曲轴、凸轮轴信号的生成，而且信号精度高，满足ECU硬件在环仿真要求，为后续LabCar的开环调试，闭环调试打下坚实的基础。 参考文献 [1] 何勇灵，徐斌译.柴油机管理系统：系统、组成和新实践经验[M].北京：北京理工大学出版社，2010. [2] 岳继光，董延超.汽车发动机模型硬件在环仿真研究[J].系统仿真技术，2008，4（2）：34?37. [3] 邵华，钱人一，郭晓潞.LabCar的功能与构成[J].世界汽车，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] 王伟达，袁丽娟，周锐，等.汽车电子节气门控制系统ECU设计及其在ASR控制中的应用[J].现代电子技术，2009，32（7）：139?143. 图3 信号产生原理框图 2.2 LabCar软硬件配置 由于4冲程发动机在一个工作循环中曲轴转两周，凸轮轴转一周，在考虑到信号盘齿数的稀密程度不一，判缸方法的基本原则是根据凸轮轴信号来确定发动机相位，根据曲轴信号来获得更精确的角度。 DEVM模型包含真实发动机所有模块（包括喷油模块、增压模块、共轨模块等等）。在软件运行DEVM[4]，能输出各个工况下的发动机转速。 在LabCar软硬件配置中，根据安装定义（见图2），在软件中编辑曲轴和凸轮轴信息：曲轴的齿形为（60-2）齿；凸轮轴的齿形为（4+1）齿；1缸压缩上止点为曲轴缺齿后第20齿（120°CA）下降沿；凸轮轴第1齿对应曲轴缺齿后第10齿（60°CA）下降沿；凸轮轴多齿对应大约在曲轴缺齿后第17齿到18齿（105°CA）。 2.3 配置参数 转速与板卡关联在LabCar?Operator中添加板卡，并将发动机转速（n_Engine）与ES1335进行关联[5]，如图4所示。 图4 转速与板卡关联 根据安装定义，编辑曲轴凸轮轴信号表。曲轴编辑表格取一个发动机循环即720°转角，曲轴表格的0°处默认为第一个缺齿的上升沿处。但是板卡默认0°位置是1缸压缩上止点，所以根据实际曲轴位置有相位差。实际1缸上止点为曲轴缺齿后第20齿下降处，故定相位的时候，曲轴信号应向左移120°CA，如图5所示。同理可推出凸轮轴相位。 图5 曲轴信号参考相位 3 仿真及结果 3.1 仿真环境及程序编译 根据以上思路步骤，在ETAS公司的LabCar软件中编译进行了模拟仿真。 曲轴与凸轮轴位置传感器信号的来源为LabCar模型DEVM输出的转速，这两个信号的频率随转速的变换而改变。ES1335的作用是根据DEVM输出的转速值（瞬时值为定常数），通过自身的各种转化模块，计算出匹配转速值的方波信号。板卡自身带有同步功能，故输出的曲轴与凸轮轴是同步的。 3.2 测试结果 用示波器在LabCar BOB面板上测试信号，不同转速下对应的曲轴传感器信号的周期不同，示波器测试结果如图6，图7所示。不同转速下理论周期与实际周期见表1。 图6 转速为800 r/min时曲轴、凸轮轴信号 图7 转速为2 000 r/min时曲轴、凸轮轴信号 分析表1，结果表明模拟信号周期与理论周期在误差范围内（注：误差随转速的升高而有所增加，是因为转速越高，周期越短，越难精确的测量）。 表1 不同转速下周期统计表 [转速 /（r/min）＼&800＼&1 400＼&2 000＼&2 800＼&3 600＼&理论周期 /ms＼&1.25＼&0.72＼&0.50＼&0.35＼&0.27＼&测量周期 /ms＼&1.24＼&0.71＼&0.51＼&0.36＼&0.28＼&误差 /%＼&0.8＼&1.3＼&2.0＼&2.8＼&3.7＼&] 4 结 论 使用LabCar能方便实现曲轴、凸轮轴信号的生成，而且信号精度高，满足ECU硬件在环仿真要求，为后续LabCar的开环调试，闭环调试打下坚实的基础。 参考文献 [1] 何勇灵，徐斌译.柴油机管理系统：系统、组成和新实践经验[M].北京：北京理工大学出版社，2010. [2] 岳继光，董延超.汽车发动机模型硬件在环仿真研究[J].系统仿真技术，2008，4（2）：34?37. [3] 邵华，钱人一，郭晓潞.LabCar的功能与构成[J].世界汽车，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] 王伟达，袁丽娟，周锐，等.汽车电子节气门控制系统ECU设计及其在ASR控制中的应用[J].现代电子技术，2009，32（7）：139?143. 图3 信号产生原理框图 2.2 LabCar软硬件配置 由于4冲程发动机在一个工作循环中曲轴转两周，凸轮轴转一周，在考虑到信号盘齿数的稀密程度不一，判缸方法的基本原则是根据凸轮轴信号来确定发动机相位，根据曲轴信号来获得更精确的角度。 DEVM模型包含真实发动机所有模块（包括喷油模块、增压模块、共轨模块等等）。在软件运行DEVM[4]，能输出各个工况下的发动机转速。 在LabCar软硬件配置中，根据安装定义（见图2），在软件中编辑曲轴和凸轮轴信息：曲轴的齿形为（60-2）齿；凸轮轴的齿形为（4+1）齿；1缸压缩上止点为曲轴缺齿后第20齿（120°CA）下降沿；凸轮轴第1齿对应曲轴缺齿后第10齿（60°CA）下降沿；凸轮轴多齿对应大约在曲轴缺齿后第17齿到18齿（105°CA）。 2.3 配置参数 转速与板卡关联在LabCar?Operator中添加板卡，并将发动机转速（n_Engine）与ES1335进行关联[5]，如图4所示。 图4 转速与板卡关联 根据安装定义，编辑曲轴凸轮轴信号表。曲轴编辑表格取一个发动机循环即720°转角，曲轴表格的0°处默认为第一个缺齿的上升沿处。但是板卡默认0°位置是1缸压缩上止点，所以根据实际曲轴位置有相位差。实际1缸上止点为曲轴缺齿后第20齿下降处，故定相位的时候，曲轴信号应向左移120°CA，如图5所示。同理可推出凸轮轴相位。 图5 曲轴信号参考相位 3 仿真及结果 3.1 仿真环境及程序编译 根据以上思路步骤，在ETAS公司的LabCar软件中编译进行了模拟仿真。 曲轴与凸轮轴位置传感器信号的来源为LabCar模型DEVM输出的转速，这两个信号的频率随转速的变换而改变。ES1335的作用是根据DEVM输出的转速值（瞬时值为定常数），通过自身的各种转化模块，计算出匹配转速值的方波信号。板卡自身带有同步功能，故输出的曲轴与凸轮轴是同步的。 3.2 测试结果 用示波器在LabCar BOB面板上测试信号，不同转速下对应的曲轴传感器信号的周期不同，示波器测试结果如图6，图7所示。不同转速下理论周期与实际周期见表1。 图6 转速为800 r/min时曲轴、凸轮轴信号 图7 转速为2 000 r/min时曲轴、凸轮轴信号 分析表1，结果表明模拟信号周期与理论周期在误差范围内（注：误差随转速的升高而有所增加，是因为转速越高，周期越短，越难精确的测量）。 表1 不同转速下周期统计表 [转速 /（r/min）＼&800＼&1 400＼&2 000＼&2 800＼&3 600＼&理论周期 /ms＼&1.25＼&0.72＼&0.50＼&0.35＼&0.27＼&测量周期 /ms＼&1.24＼&0.71＼&0.51＼&0.36＼&0.28＼&误差 /%＼&0.8＼&1.3＼&2.0＼&2.8＼&3.7＼&] 4 结 论 使用LabCar能方便实现曲轴、凸轮轴信号的生成，而且信号精度高，满足ECU硬件在环仿真要求，为后续LabCar的开环调试，闭环调试打下坚实的基础。 参考文献 [1] 何勇灵，徐斌译.柴油机管理系统：系统、组成和新实践经验[M].北京：北京理工大学出版社，2010. [2] 岳继光，董延超.汽车发动机模型硬件在环仿真研究[J].系统仿真技术，2008，4（2）：34?37. [3] 邵华，钱人一，郭晓潞.LabCar的功能与构成[J].世界汽车，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] 王伟达，袁丽娟，周锐，等.汽车电子节气门控制系统ECU设计及其在ASR控制中的应用[J].现代电子技术，2009，32（7）：139?143. |
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