發動機控制中同步信號獲取方法

白思春，褚全紅，孟長江，況涪洪，姜成賦，張 春，張維彪，李 晨，相 楠

（1.中國北方發動機研究所（天津），天津 300400；2.西安工業大學北方信息工程學院，陜西 西安 710025；3.啟帆公司，北京 100076）

在高壓共軌發動機燃油控制系統中，電控單元（ECU）采集發動機的相位、轉速、燃油壓力、油門位置、溫度等信號，通過一定的算法得出噴油泵和噴油器的控制參數，并驅動相應的電磁閥工作［1－2］。其中對發動機相位的精確確定直接影響著發動機的控制品質，ECU需要將曲軸和凸輪軸相位傳感器信號作為整個發動機工作時序的基礎，其作用相當于整個控制過程的時基，發動機的轉速、噴油相位以及判缸信號等都是通過這兩個傳感器計算處理得出的。因此，研究一種精確、可靠的信號獲取方法對整個柴油機電控單元來說至關重要，是ECU進行精細化控制的前提［3－4］。

本研究基于曲軸信號（60－2）個齒（曲軸上的齒盤被60等分后，去掉其中兩個齒）、凸輪信號（8＋1）個齒（凸輪軸上的齒盤被8等分后，在其中兩個齒之間再增加一個齒）的發動機控制系統轉速信號處理技術，分析了轉速信號合理性檢測的原理以及合理性系數的理論值確定，通過臺架試驗對轉速信號合理性系數MAP圖進行標定。經臺架試驗驗證，該轉速信號處理技術能夠準確地濾除干擾信號，保證了信號的準確采集，為發動機噴射控制提供了基準，實現了發動機的穩定運行。

1 綜合分析

在發動機全工況范圍內，凸輪、曲軸信號輸入到ECU，影響單齒周期的因素包括發動機轉速、測量齒盤選擇半徑和齒數、傳感器信號的處理方式、電磁干擾等；其中發動機轉速是決定單齒周期的主要參數，對于選定的齒盤和處理電路，其他兩因素是常數，不影響對單齒周期的測試。電磁干擾會造成傳感器輸出信號出現高頻干擾，在凸輪、曲軸信號盤輸出的“多齒”、“缺齒”、“正常齒”之外疊加異常的虛假信號，導致測試出的單齒周期出現大幅度的變化。

在發動機轉速上升、下降以及波動過程中，發動機的單齒周期會發生變化；同時，即使在發動機平均轉速不變的情況下，由于各缸發火做功導致的發動機單次周期在各個相位上也不盡相同；此外，測速齒盤的加工誤差也會導致在平均轉速相同的條件下，發動機單次周期在各個相位上不同［5－6］。

以上所闡述的因素雖然復雜多變，但曲軸轉速信號和凸輪轉速信號的單齒周期（當前齒的信號下降沿與前一齒的信號下降沿之間的時間間隔）符合一定的規律。用前一齒的單齒周期和當前齒的單齒周期的比值ratio來表征，這個比值ratio在整個發動機工作轉速區域內應該在一定的取值范圍內，因為發動機的做功不能出現階躍跳變，其工作轉速以及升速、降速的轉速變化率是漸變量。Ratio值可根據發動機在各轉速點時的轉速變化率來確定，當發動機的轉速變化率較大時，轉速上升過程中ratio值較小，轉速下降過程中ratio值較大；當發動機的轉速變化率較小時，ratio值接近1。ratio值超出這個范圍內的信號，可以認為是錯誤的并可以濾除的干擾信號［7］。

2 單齒比值分析

2.1 理論計算

以曲軸信號為例，曲軸信號齒為（60－2）的缺齒結構，在忽略曲軸齒盤機加誤差且曲軸轉速不變的情況下，缺齒處捕捉間隔時間是正常齒的3倍，根據這個時間倍數關系來確定曲軸缺齒的位置（見圖1）。

在實際運行中，柴油機的轉速實時變化，單齒周期Ta，Tb并不相等，Tb，Tc也不是呈現嚴格的3倍關系，Tb／Ta，Tc／Tb的比值在一定范圍內波動。影響該比值的主要因素是柴油機的轉速和轉速的變化率。

針對正常齒的齒寬比值Tb／Ta，設在56齒柴油機的轉速為S，轉速變化率為P，則第56齒、第57齒的齒周期Ta，Tb為

式中：T56為第56齒的單齒周期；T57為第57齒的單齒周期；S為柴油機轉速；P為柴油機轉速變化率。

特殊齒中包含了第58齒、第59齒和第60齒，齒周期分別為

在進行比值運算時，T58，T59，T60不單獨參與比值計算，計算Tc時，轉速上升時間用3倍T57進行替代，則

2.2 計算

2.2.1 定轉速變化率分析

在發動機控制中，采集轉速一般大于50r／min，以較大的轉速上升速率（恒定為1 000r／（min·s））計算出發動機一個工作循環（第1齒～第118齒）中各個相鄰齒的比值（見圖2）。

從圖中可以看出，在發動機低轉速區，各相鄰單齒之間的比值變化范圍較寬，其中從第1齒到第10齒區間，比值從1.400下降到1.051；從第10齒到第99齒區間，比值從1.051下降到1.005；之后的比值基本上不再發生變化。計算過程中同時可以得出，在第99齒時的發動機轉速已經達到450r／min，到120齒（包括缺齒）時的發動機轉速已經接近500r／min，這從另一個方面也說明，在發動機高轉速區，即使各轉速變化率較大，各相鄰單齒之間的比值變化范圍也比較小。

2.2.2 變轉速變化率分析

起始轉速為50r／min，轉速上升率為100～1 000r／（min·s），計算出發動機工作一個循環（第1齒～第118齒）中各個相鄰齒的比值（見圖3）。

從圖中可以得出相同的結論：在發動機低轉速區，各相鄰單齒之間的比值變化范圍較寬，并且主要集中在第1齒到第20齒區間。為了更清楚地分析單齒齒寬比值和轉速上升率之間的關系，針對前20齒的齒寬比值變化情況進行了分析，結果見圖4。從圖4中可以看出，隨著轉速變化率的增大，單齒齒寬比值近似呈線性增大，且齒號越小，曲線斜率越大，即比值的變化幅度越大；到20齒時，單齒齒寬比值隨轉速變化率的增大變化不再明顯。

2.2.3 變轉速分析

發動機工作過程中，其轉速變化率隨機變化，以極限轉速變化率為邊界條件，以不同的轉速為參變量，對第1齒（當前齒）的齒寬比值進行計算，結果見圖5。從圖中可以看出，在轉速低于200r／min時，當前齒處的單齒齒寬比值較大，而轉速大于500r／min后的單齒齒寬比值小于1.004，相鄰齒之間的寬度相差不到0.5%?？紤]到發動機轉速上升和下降兩個趨勢，相鄰齒之間的寬度相差在±0.5%以內是一個合理的變化范圍，超出此范圍出現的“齒”就認為是高頻干擾帶來的多齒或其他因素造成的丟齒，以此可以得出齒信號的合理性判斷依據，在實際應用中一般采用上、下兩條邊界線。

3 合理性系數計算

3.1 曲軸盤信號合理性系數設置

曲軸盤上包含58個正常齒信號和1個缺齒信號，在發動機工作轉速全工況范圍內，需要根據不同的轉速區段設置不同的單齒齒寬比值上、下限，即合理性系數上、下限。在同一坐標軸內設置合理性系數，結果見圖6。從設置的極限參數來看，正常齒和缺齒的合理性系數未出現交叉的區域，整體設置比較合理，但還需要在發動機臺架上根據不同的機型進行標定，把合理性系數的范圍進一步收縮，以增加對非正常齒信號的有效濾除。

3.2 凸輪盤信號合理性系數設置

凸輪盤上包含8個正常齒信號和1個多齒信號，多齒的設置可以在2個正常齒的中間，即1／2處，也可以在距離上一個正常齒的1／3處。以1／2處的設置方式在同一坐標軸內設置合理性系數，結果見圖7。從設置的極限參數來看，正常齒合理性系數的下限和多齒合理性系數的上限出現了交叉的區域，交叉點為凸輪轉速75r／min，對應發動機轉速為150r／min。這樣的設置在極限條件——凸輪轉速變化率為500r／（min·s），即發動機轉速變化率為1 000r／（min·s）的情況下，實現對非正常信號的濾波處理是有問題的。

為了避免凸輪信號合理性系數的交叉，以1／3處的設置方式在同一坐標軸內設置合理性系數，結果見圖9。從設置的極限參數來看，正常齒合理性系數的下限和多齒合理性系數的上限仍有交叉區域，交叉點為凸輪轉速60r／min，對應發動機轉速為120r／min。這說明以1／3處的方式設置多齒，使多齒的比值和正常齒的比值差相差更大，能使合理性系數出現交叉的轉速點降低，但不能從根本上解決問題。實際應用中，根據具體發動機的轉速變化率進行分析，如果發動機最大轉速變化率能夠達到1 000r／（min·s），那凸輪盤信號在低速時應該避免進行合理性系數的判別，如果發動機最大轉速變化率較小，實際設置的系數將不會出現交叉，能夠完成對非正常信號的濾波處理。

4 合理性系數范圍標定

在發動機臺架上用瞬態轉速測試裝置測試怠速、升速、降速不同工況下的不同齒所對應的單齒周期，計算出曲軸缺齒、正常齒的比值，確定出不同轉速下的合理性系數。

4.1 怠速工況測試

在怠速工況下，采用PID閉環控制，發動機平均轉速穩定在600r／min時，測試某8缸發動機的瞬態轉速，在10個測試工作循環中，選取3個循環來表征轉速變化情況（見圖9）。

從圖中可以看出，在發動機穩態工況時，各齒所對應的發動機瞬態轉速是不同的，瞬態轉速的變化趨勢和8個缸的做功過程對應，在1個工作循環中出現8個瞬態轉速上升過程。圖9中，對應每個齒的瞬態轉速變化趨勢一致。通過對各個工作循環的正常齒比值進行計算得出正常齒單齒齒寬比值（見圖10），考慮發動機轉速變化的穩態和瞬態情況，怠速時正常齒的合理性系數在0.987～1.011范圍內。

通過對這10個工作循環的“缺齒”比值進行計算，得出缺齒單齒齒寬比值（見圖11）。考慮發動機轉速變化的穩態和瞬態情況，怠速時缺齒合理性系數在3.014～3.021范圍內。

4.2 升速工況測試

在600～1 900r／min 發動機升速過程中，測試15個循環各齒所對應的發動機瞬態轉速，由于第1齒～第116齒轉速上升的趨勢一致，故選取能表征轉速變化情況的第1齒、第58齒、第116齒，以測試工作循環為橫坐標記錄發動機轉速（見圖12）。

從圖中可以看出，在發動機轉速上升過程中，通過各齒所計算出的發動機轉速上升趨勢是一致的。通過對這15個循環中正常齒比值進行計算，得出正常齒單齒齒寬比值（見圖13），考慮發動機轉速變化的穩態和瞬態情況，升速過程中正常齒的合理性系數在0.990～1.029范圍內。

通過對這15個工作循環的“缺齒”比值進行計算，得出缺齒單齒齒寬比值（見圖14），考慮發動機轉速變化的穩態和瞬態情況，升速過程中缺齒合理性系數在2.954～3.036范圍內。

4.3 降速工況測試

在1 900～600r／min發動機降速過程中，共分13次測試各齒所對應的發動機瞬態轉速，由于第1齒～第116齒轉速下降的趨勢一致，選取能表征轉速變化情況的第1齒、第58齒、第116齒，以測試工作循環為橫坐標記錄發動機轉速（見圖15）。

從圖中可以看出，在發動機轉速下降過程中，通過各齒所計算出的發動機轉速下降趨勢一致。通過對這13個循環中正常齒比值進行計算，得出正常齒單齒齒寬比值（見圖16），考慮發動機轉速變化的穩態和瞬態情況，降速過程中正常齒的合理性系數在0.951～1.011范圍內。

通過對這13個工作循環的“缺齒”比值進行計算，得出缺齒單齒齒寬比值（見圖17），考慮發動機轉速變化的穩態和瞬態情況，降速過程中缺齒合理性系數在2.962～3.019范圍內。

5 合理性系數設置及試驗驗證

在綜合考慮凸輪、曲軸安裝、加工偏差的基礎上，通過計算和標定相結合的方式設定出某發動機曲軸信號的合理性系數（見圖18）。在發動機起動工作區域內，合理性系數的上邊界和下邊界放寬，避免在起動工況中對信號變化限制太嚴，影響發動機快速起動；在發動機正常工作區域內，對合理性系數的上邊界和下邊界進行擴展，避免因齒盤安裝及加工誤差帶來的單齒齒寬比值變化影響對正常齒、缺齒、多齒的合理性判別。

曲軸齒盤信號合理設置后，在仿真測試臺上，對齒信號合理性判斷及相應的濾波算法進行研究，結果見圖19和圖20。圖中，C1為凸輪信號，C2為曲軸信號，C3為噴射信號，下半部分為局部放大圖。圖19示出有合理性系數判別及處理機制情況下的噴射控制，在此工況下，在齒信號中注入干擾信號，噴射信號不受影響。圖20示出取消合理性系數判別及處理機制時的控制，電控系統噴射信號在出現“多齒”干擾后噴射發生暫停。

6 結束語

當柴油機轉速變化時，曲軸的合理性系數會隨著轉速的變化發生變化。通過理論計算，確定出合理性系數與轉速和轉速變化率之間的關系，在此基礎上，在發動機臺架上采集各工況的瞬態轉速，標定出合理性系數。經試驗驗證該方法能夠很好地濾除高頻干擾信號以及丟齒現象對正常噴射的影響。

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