電控柴油機轉速信號的處理與判缸設計

劉永春，王秋花，劉海濤，齊善東，路志強（中國重汽集團技術發展中心，山東濟南　250002）

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電控柴油機轉速信號的處理與判缸設計

劉永春，王秋花，劉海濤，齊善東，路志強
（中國重汽集團技術發展中心，山東濟南250002）

摘要：以磁電式發動機轉速信號作為研究對象，結合磁電式傳感器的結構特點和工作原理，設計分析電控柴油機轉速信號的硬件處理電路和軟件判缸策略。通過在環測試試驗臺（HIL）和發動機臺架上試驗驗證，表明設計完全滿足柴油機電控系統的控制要求。

關鍵詞：電控柴油機；磁電式傳感器；判缸；轉速

電控柴油機所有的噴射控制功能，均以轉速信號為基礎，因此發動機轉速信號的處理是所有信號處理中最為重要的一部分。發動機轉速信號一般采用曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號來實現，是整個柴油機工作時序的基礎。曲軸在一個工作循環內旋轉兩周，其特征齒不能反映到底是壓縮上止點還是燃燒上止點，無法完成判缸功能；凸輪軸在一個工作循環內旋轉一周，其特征齒能完成判缸，但凸輪軸傳感器信號變化慢、頻率低，在發動機低轉速情況下容易造成較大的誤差，電控柴油機中一般是凸輪軸和曲軸傳感器信號相互配合，共同完成判缸功能和瞬態轉速的計算［1］。因此，曲軸和凸輪軸信號的處理和判缸設計，對整個電控柴油機的高效控制至關重要。

1　磁電式傳感器的工作原理

常用的發動機曲軸和凸輪軸傳感器有霍爾式傳感器和磁電式傳感器兩種。磁電式傳感器具有結構簡單、可靠性高和穩定性好等諸多優點，被廣泛采用。它是利用電磁感應定律將輸入量轉換成感應電勢輸出的一種傳感器，主要由旋轉的觸發輪和相對靜止的感應線圈兩部分組成，并且傳感器的磁頭與觸發齒需滿足一定間隙要求。當柴油機運轉時，傳感器和觸發輪之間的間隙周期性變化，從而不斷改變繞組的磁通量，磁通量的變化使繞組線圈感應出近似正弦波的連續變化的電壓值。

曲軸傳感器所對應的信號齒盤采用60齒減2齒的形式，在均布60個齒的齒盤上有58個標準齒和2個缺齒，對于六缸機來說，曲軸每轉動一周，曲軸傳感器輸出58個近似正弦波信號和2個缺齒信號。凸輪軸傳感器所對應的信號齒盤采用6齒加1齒的形式，齒輪上每隔120°有一個齒，外加一個額外齒，發動機每轉動兩圈，凸輪軸傳感器將會輸出7個近似正弦波信號［2］。兩者的信號幅值都是隨發動機轉速的增加而增大，隨鐵心與齒頂間隙的增加而減小。

2　轉速信號處理電路設計

2.1核心芯片的選擇

由于車輛電子化程度越來越高，需要處理的電子信息越來越多，通信速率也越來越快，而車輛特別是發動機對控制的實時性要求極高，這就對發動機控制的核心（CPU）提出了更高的要求：更快的運算速率、更大的內存、超強時序信號處理能力、豐富的外設、強大的抗干擾能力等。基于以上要求，選擇了基于Power Architecture技術的MPC5644A作為主控CPU芯片，該芯片是專為滿足未來汽車電子控制需求而推出的新一代32位高性能處理器，同時也滿足ISO 26262功能安全要求。

片內集成了高達4M Byte Flash和192K Byte片上RAM，具有強大的數據處理功能、超強的時序處理能力、豐富的外圍資源和強大的抗干擾能力，不僅能實現對高壓共軌燃油噴射系統的實時控制，還能實現對整個柴油機系統的控制參數及狀態參數的實時性管理，完全滿足共軌柴油機電控系統數據采集和實時控制的需要。它具有一個突出的特點：擁有多通道時間處理單元（ETPU），它是一個智能化、獨立化的微控制器，專門處理高分辨率的實時控制。ETPU特別適用于對智能判缸、上止點位置監測、多缸噴射等控制要求嚴格的系統中。本文中設計的曲軸和凸輪軸信號采集以及智能判缸，都是利用MPC5644A中的ETPU處理單元。圖1為主控芯片的內部結構框圖。

圖1　MPC5644A內部結構框圖

2.2轉速處理芯片的選擇

基于發動機轉速信號的特點，選用美信公司的MAX9926型號芯片，對電磁式轉速傳感器輸出的信號進行調理，它可以將傳感器輸出的正選波信號，轉化為頻率相同且占空比適當的方波，曲軸和凸輪軸傳感器輸出的信號，經調理電路調理之后，以方波的形式進入MPC5644A的ETPU處理單元。

芯片MAX9926克服了針對傳統發動機轉速信號采集電路閾值固定、抗干擾性差的缺點，可根據輸入發動機轉速信號幅值的改變而自動改變滯回比較器的比較閾值，提高了接口電路的抗干擾性能。能夠有效地抑制噪聲干擾，從而被廣泛應用到旋轉部件傳感器的處理電路中。它的工作溫度區間為-40～125℃，供電電壓4.5～5.5 V，16針QSOP的封裝尺寸，其內部集成了動態鉗位電路，同時可以處理兩路電磁信號的輸入，完全滿足我們的應用要求。MAX9926的內部結構框圖見圖2。

圖2　MAX9926內部結構框圖

通過引腳13 ZERO-EN和引腳1 INT-THRS接電源VCC或搭鐵GND，可配置4種操作模式A1、A2、B和C，操作模式下是過零監測使能還是自適應峰值監測使能，詳見表1。ZERO-EN、INT-THRS1和INTTHRS2分別連接到單片機MPC5644A的IO端口，在不同發動機轉速下由單片機控制引腳的高低電平來選擇采用的控制模式，曲軸NE信號通過引腳ZERO-EN和INT-THRS1來選擇，凸輪軸GS信號通過ZERO-EN和INT-THRS2來選擇。引腳4 COUT1和引腳5 COUT2分別連接到單片機MPC544A的ETPUA1和ETPUA2，將信號調理后的方波信號輸入到單片機進行邏輯運算。

圖3給出了轉速信號處理的電路原理圖。該電路結構簡單，能夠準確完成對曲軸傳感器信號和凸輪軸傳感器信號的整形限幅和頻率跟蹤，具有較好的電磁兼容性能。隨著發動機轉速的升高，轉速信號的幅值不斷增大，該電路可根據幅值的改變而自動改變滯回比較器的比較閾值，減少了漏齒現象的發生，又濾除了不必要的干擾信號。電路既滿足了高抗干擾能力的要求，又滿足了控制系統的高精度需求。圖4和圖5分別為某個轉速下采集到曲軸傳感器、凸輪軸傳感器的原始信號和處理后的信號波形圖。

表1　MAX9926的4種操作模式

圖3　轉速信號處理接口電路圖

圖4　曲軸傳感器的原始信號和處理后信號的波形圖

圖5　凸輪軸傳感器的原始信號和處理后信號的波形圖

3　軟件轉速計算和判缸設計

MAX9926處理后的方波信號進入ETPU單元模塊后，由于ETPU可以高精度定時，所以采集到的曲軸齒周期更為精確，達到微秒級。發動機的瞬時轉速可以實時計算，但需判斷曲軸信號的有效性。曲軸脈沖信號軟件可以設定為檢測上升沿或下降沿，每轉過N個齒的時間作為一個時間元素，ETPU模塊通過計算當前捕獲到的信號沿時間與上次捕獲到的信號沿時間差，轉過N個齒后取平均值，完成發動機瞬時轉速的計算［3］。曲軸信號的缺齒和凸輪軸信號的多余齒的判斷，是通過計算齒周期而實現的，可以設定為檢測上升沿或下降沿。在計算齒周期時，為了避免各種干擾而造成的誤判，信號有效性監測采用窗口技術。系統設定一個窗口，在窗口打開期間進行轉速信號的尋找。窗口未打開或關閉后，任何信號沿的輸入將被過濾。若在窗口打開期間未尋找到信號沿，系統將按超時處理，新一輪的計算將重新開始。考慮到信號的波動性，在窗口計算中齒周期一般采用平均周期。

當判斷缺齒特征匹配后，便可認定為曲軸同步。凸輪軸同步的判斷也是如此，當兩者滿足設定的時序相位關系時，認為判缸成功。同時軟件也設計了有信號干擾或信號異常情況下的處理方法，曲軸信號或凸輪軸信號其中之一正常的話，也能確保發動機的正常起動，但起動時間稍長，這時系統會進入跛行回家模式。采用此控制方法進行試驗測試，能夠精確地判斷出第1缸，從而準確地進行噴油等控制。圖6為采集到的處理后曲軸信號、凸輪軸信號和第1缸的噴油器電流波形圖。

4　結語

轉速信號的處理和軟件計算方法，分別在HIL和發動機臺架上進行了大量試驗，并進行了長期的實車測試驗證。試驗結果表明：此設計方法可在不同發動機轉速下，準確地輸出發動機轉速信號，精確地進行發動機瞬態轉速的計算，迅速地完成智能判缸，完全滿足電控柴油機起動控制和噴油控制等多方面的控制需求，同時高效的主控芯片和轉速信號處理芯片相結合，實現了發動機電控系統高實時性和高精確性的要求。

圖6　曲軸、凸輪軸和噴油器電流波形圖形

參考文獻：

［1］章健勇，陳林，位正，等.基于Atmega88的發動機轉速模擬系統設計［J］.電子技術應用，2008（2）：42-44.

［2］李建秋，歐陽明高.柴油機噴油泵凸輪軸轉速波動的特征分析［J］.內燃機工程，1999（3）：：32-36.

［3］司愛國，李輝，路斌，等.基于STM32的發動機曲軸位置傳感器的電路設計［J］.華北水利水電學院學報，2012，33（2）：101-103.

（編輯心翔）

Design of Speed Signal and Cylinder Detection on Electrical Controlled Diesel Engine

LIU Yong-chun，WANG Qiu-hua，LIU Hai-tao，QI Shan-dong，LU Zhi-qiang
（China National Heavy Duty Truck Group R&D Centre，Jinan 250002，China）

Abstract：Based on the speed signal of magneto-electric engine，combined with structure features and working principle of magneto-electric sensor，the author designs and analyzes speed signal hardware handling circuit and software cylinder detection strategy on electrical controlled diesel engines.Through the verification test on HIL and engine bench，the design is proved perfectly satisfied with requirements of diesel engine electrical control system.

Key words：electrical controlled diesel engine；magneto-electric sensor；cylinder detection；speed

中圖分類號：U463.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）06－0021－03

收稿日期：2015-12-16；修回日期：2015-12-30

作者簡介：劉永春（1982-），女，碩士，主要從事柴油機電控系統的開發研究。