基于LabCar曲軸與凸輪軸傳感器信號的研究

楊學平+申立中

摘 要： 通過LabCar軟硬件結合實現了曲軸與凸輪軸位置傳感器信號模擬，對比分析研究了模擬信號與理論轉速信號的差異。結果表明，基于LabCar模擬出的曲軸凸輪軸位置信號與理論信號一致，模擬信號能被ECU精確識別，從而提高了高壓共軌ECU硬件在環測試效率，具有很好的應用價值。

關鍵詞： 曲軸與凸輪軸傳感器； LabCar； 信號模擬； ECU

中圖分類號： TN911.7?34； TK422 文獻標識碼： A 文章編號： 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

車輛的動力性、舒適性和排放很大程度上依賴于發動機控制單元（ECU）的質量。面對電控系統功能不斷增強而開發周期卻不斷縮短的要求，軟件硬件開發工程師的壓力也越來越大[1]。傳統的ECU開發流程已經難以完成現代控制系統的設計。

現代的ECU開發流程采用V模式，如圖1所示。在V模式中，硬件在環仿真測試環節是非常關鍵的一環[2]，利用它可以大大縮短ECU的開發周期和減少所花的經費。硬件在環仿真技術（Hardware In the Loop）實際上就是將實際仿真對象用高速運行的實時仿真模型來代替，而結構復雜部分用實物接入的方式構成一個虛擬的測試環境進行測試，這個虛擬的測試環境將盡可能模擬實際被測對象的運行狀態。

ECU硬件在環中，各種傳感器信號的模擬產生決定了測試的基礎，傳感器信號的正確與否，關系到ECU能否滿足測試需求，關系到能否開發出高效穩定的ECU。正是由于上述原因，曲軸與凸輪軸位置傳感器信號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對ECU開發具有重要意義[3]。

圖1 V模式

1 曲軸和凸輪軸位置傳感器物理特性

傳感器信號的物理特性是指曲軸信號盤和凸輪軸信號盤的均布齒數、缺齒數（或多齒數）以及兩個信號盤之間的安裝角度相對位置關系。

為保證“判缸”的精度，曲軸信號盤的齒數應該較密一些，而凸輪軸信號盤的齒數可以相對稀疏一些。由于待測ECU是根據四缸高壓共軌柴油機而開發的，以四缸高壓共軌柴油機為例，其中凸輪軸信號盤為（4+1）齒，即4個正常齒和一個多余的齒。曲軸信號盤為（60-2）齒，即58個正常齒和2個缺齒；齒盤勻速轉動一周，傳感器輸出信號為58個等周期的方波和一個2倍周期的異形波（大齒方波），齒盤連續轉動，信號周而復始。

發動機在一個工作循環中，曲軸轉兩周，凸輪軸轉一周。根據發動機特性，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（相當于缺齒后120°CA），如圖2所示。凸輪軸第一齒的下降沿距離1缸上止點為60°CA，凸輪軸多齒下降沿距離1缸上止點為15°CA。

圖2 曲軸和凸輪軸傳感器信號

當然，這幾個角度差沒有特別的要求，意味著凸輪軸信號盤和曲軸信號盤之間的相對位置，以及它們相對TDC1的位置是可以自由安裝的，安裝后根據裝配關系對LabCar軟硬件進行編輯關聯即可。

2 LabCar軟硬件仿真傳感器信號

2.1 模擬原理

LabCar是汽車電子控制單元硬件在環仿真測試系統，主要由軟件、硬件及信號接口組成。軟件主要用于汽車發動機模型的修改和創建、實時仿真的控制、信號的排序以及硬件的驅動；硬件主要用于仿真汽車傳感器和執行器，接收由控制單元輸出的控制信號，以及產生控制單元所需的輸入信號。信號接口實際上起著連接虛擬和真實世界的橋梁；LabCar模型輸出轉速模擬值，硬件板卡接收處理后，轉換成電壓量傳輸給ECU。仿真原理框圖如圖3所示。

圖3 信號產生原理框圖

2.2 LabCar軟硬件配置

由于4沖程發動機在一個工作循環中曲軸轉兩周，凸輪軸轉一周，在考慮到信號盤齒數的稀密程度不一，判缸方法的基本原則是根據凸輪軸信號來確定發動機相位，根據曲軸信號來獲得更精確的角度。

DEVM模型包含真實發動機所有模塊（包括噴油模塊、增壓模塊、共軌模塊等等）。在軟件運行DEVM[4]，能輸出各個工況下的發動機轉速。

在LabCar軟硬件配置中，根據安裝定義（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缸壓縮上止點為曲軸缺齒后第20齒（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對應曲軸缺齒后第10齒（60°CA）下降沿；凸輪軸多齒對應大約在曲軸缺齒后第17齒到18齒（105°CA）。

2.3 配置參數

轉速與板卡關聯在LabCar?Operator中添加板卡，并將發動機轉速（n_Engine）與ES1335進行關聯[5]，如圖4所示。

圖4 轉速與板卡關聯

根據安裝定義，編輯曲軸凸輪軸信號表。曲軸編輯表格取一個發動機循環即720°轉角，曲軸表格的0°處默認為第一個缺齒的上升沿處。但是板卡默認0°位置是1缸壓縮上止點，所以根據實際曲軸位置有相位差。實際1缸上止點為曲軸缺齒后第20齒下降處，故定相位的時候，曲軸信號應向左移120°CA，如圖5所示。同理可推出凸輪軸相位。

圖5 曲軸信號參考相位

3 仿真及結果

3.1 仿真環境及程序編譯

根據以上思路步驟，在ETAS公司的LabCar軟件中編譯進行了模擬仿真。

曲軸與凸輪軸位置傳感器信號的來源為LabCar模型DEVM輸出的轉速，這兩個信號的頻率隨轉速的變換而改變。ES1335的作用是根據DEVM輸出的轉速值（瞬時值為定常數），通過自身的各種轉化模塊，計算出匹配轉速值的方波信號。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 測試結果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號，不同轉速下對應的曲軸傳感器信號的周期不同，示波器測試結果如圖6，圖7所示。不同轉速下理論周期與實際周期見表1。

圖6 轉速為800 r/min時曲軸、凸輪軸信號

圖7 轉速為2 000 r/min時曲軸、凸輪軸信號

分析表1，結果表明模擬信號周期與理論周期在誤差范圍內（注：誤差隨轉速的升高而有所增加，是因為轉速越高，周期越短，越難精確的測量）。

表1 不同轉速下周期統計表

[轉速 /（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 論

使用LabCar能方便實現曲軸、凸輪軸信號的生成，而且信號精度高，滿足ECU硬件在環仿真要求，為后續LabCar的開環調試，閉環調試打下堅實的基礎。

參考文獻

[1] 何勇靈，徐斌譯.柴油機管理系統：系統、組成和新實踐經驗[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[2] 岳繼光，董延超.汽車發動機模型硬件在環仿真研究[J].系統仿真技術，2008，4（2）：34?37.

[3] 邵華，錢人一，郭曉潞.LabCar的功能與構成[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，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節氣門控制系統ECU設計及其在ASR控制中的應用[J].現代電子技術，2009，32（7）：139?143.

圖3 信號產生原理框圖

2.2 LabCar軟硬件配置

由于4沖程發動機在一個工作循環中曲軸轉兩周，凸輪軸轉一周，在考慮到信號盤齒數的稀密程度不一，判缸方法的基本原則是根據凸輪軸信號來確定發動機相位，根據曲軸信號來獲得更精確的角度。

DEVM模型包含真實發動機所有模塊（包括噴油模塊、增壓模塊、共軌模塊等等）。在軟件運行DEVM[4]，能輸出各個工況下的發動機轉速。

在LabCar軟硬件配置中，根據安裝定義（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缸壓縮上止點為曲軸缺齒后第20齒（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對應曲軸缺齒后第10齒（60°CA）下降沿；凸輪軸多齒對應大約在曲軸缺齒后第17齒到18齒（105°CA）。

2.3 配置參數

轉速與板卡關聯在LabCar?Operator中添加板卡，并將發動機轉速（n_Engine）與ES1335進行關聯[5]，如圖4所示。

圖4 轉速與板卡關聯

根據安裝定義，編輯曲軸凸輪軸信號表。曲軸編輯表格取一個發動機循環即720°轉角，曲軸表格的0°處默認為第一個缺齒的上升沿處。但是板卡默認0°位置是1缸壓縮上止點，所以根據實際曲軸位置有相位差。實際1缸上止點為曲軸缺齒后第20齒下降處，故定相位的時候，曲軸信號應向左移120°CA，如圖5所示。同理可推出凸輪軸相位。

圖5 曲軸信號參考相位

3 仿真及結果

3.1 仿真環境及程序編譯

根據以上思路步驟，在ETAS公司的LabCar軟件中編譯進行了模擬仿真。

曲軸與凸輪軸位置傳感器信號的來源為LabCar模型DEVM輸出的轉速，這兩個信號的頻率隨轉速的變換而改變。ES1335的作用是根據DEVM輸出的轉速值（瞬時值為定常數），通過自身的各種轉化模塊，計算出匹配轉速值的方波信號。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 測試結果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號，不同轉速下對應的曲軸傳感器信號的周期不同，示波器測試結果如圖6，圖7所示。不同轉速下理論周期與實際周期見表1。

圖6 轉速為800 r/min時曲軸、凸輪軸信號

圖7 轉速為2 000 r/min時曲軸、凸輪軸信號

分析表1，結果表明模擬信號周期與理論周期在誤差范圍內（注：誤差隨轉速的升高而有所增加，是因為轉速越高，周期越短，越難精確的測量）。

表1 不同轉速下周期統計表

[轉速 /（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 論

使用LabCar能方便實現曲軸、凸輪軸信號的生成，而且信號精度高，滿足ECU硬件在環仿真要求，為后續LabCar的開環調試，閉環調試打下堅實的基礎。

參考文獻

[1] 何勇靈，徐斌譯.柴油機管理系統：系統、組成和新實踐經驗[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[2] 岳繼光，董延超.汽車發動機模型硬件在環仿真研究[J].系統仿真技術，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，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節氣門控制系統ECU設計及其在ASR控制中的應用[J].現代電子技術，2009，32（7）：139?143.

圖3 信號產生原理框圖

2.2 LabCar軟硬件配置

由于4沖程發動機在一個工作循環中曲軸轉兩周，凸輪軸轉一周，在考慮到信號盤齒數的稀密程度不一，判缸方法的基本原則是根據凸輪軸信號來確定發動機相位，根據曲軸信號來獲得更精確的角度。

DEVM模型包含真實發動機所有模塊（包括噴油模塊、增壓模塊、共軌模塊等等）。在軟件運行DEVM[4]，能輸出各個工況下的發動機轉速。

在LabCar軟硬件配置中，根據安裝定義（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缸壓縮上止點為曲軸缺齒后第20齒（120°CA）下降沿；凸輪軸第1齒對應曲軸缺齒后第10齒（60°CA）下降沿；凸輪軸多齒對應大約在曲軸缺齒后第17齒到18齒（105°CA）。

2.3 配置參數

轉速與板卡關聯在LabCar?Operator中添加板卡，并將發動機轉速（n_Engine）與ES1335進行關聯[5]，如圖4所示。

圖4 轉速與板卡關聯

根據安裝定義，編輯曲軸凸輪軸信號表。曲軸編輯表格取一個發動機循環即720°轉角，曲軸表格的0°處默認為第一個缺齒的上升沿處。但是板卡默認0°位置是1缸壓縮上止點，所以根據實際曲軸位置有相位差。實際1缸上止點為曲軸缺齒后第20齒下降處，故定相位的時候，曲軸信號應向左移120°CA，如圖5所示。同理可推出凸輪軸相位。

圖5 曲軸信號參考相位

3 仿真及結果

3.1 仿真環境及程序編譯

根據以上思路步驟，在ETAS公司的LabCar軟件中編譯進行了模擬仿真。

曲軸與凸輪軸位置傳感器信號的來源為LabCar模型DEVM輸出的轉速，這兩個信號的頻率隨轉速的變換而改變。ES1335的作用是根據DEVM輸出的轉速值（瞬時值為定常數），通過自身的各種轉化模塊，計算出匹配轉速值的方波信號。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 測試結果

用示波器在LabCar BOB面板上測試信號，不同轉速下對應的曲軸傳感器信號的周期不同，示波器測試結果如圖6，圖7所示。不同轉速下理論周期與實際周期見表1。

圖6 轉速為800 r/min時曲軸、凸輪軸信號

圖7 轉速為2 000 r/min時曲軸、凸輪軸信號

分析表1，結果表明模擬信號周期與理論周期在誤差范圍內（注：誤差隨轉速的升高而有所增加，是因為轉速越高，周期越短，越難精確的測量）。

表1 不同轉速下周期統計表

[轉速 /（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 論

使用LabCar能方便實現曲軸、凸輪軸信號的生成，而且信號精度高，滿足ECU硬件在環仿真要求，為后續LabCar的開環調試，閉環調試打下堅實的基礎。

參考文獻

[1] 何勇靈，徐斌譯.柴油機管理系統：系統、組成和新實踐經驗[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[2] 岳繼光，董延超.汽車發動機模型硬件在環仿真研究[J].系統仿真技術，2008，4（2）：34?37.

[3] 邵華，錢人一，郭曉潞.LabCar的功能與構成[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，袁麗娟，周銳，等.汽車電子節氣門控制系統ECU設計及其在ASR控制中的應用[J].現代電子技術，2009，32（7）：139?143.