汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號模擬器設計

摘要：介紹一種簡單、便攜、多功能的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號模擬器，采用PWM信號逼近的方法生成幅值隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化的磁電信號，采用輸出比較的方式輸出霍爾信號。該模擬器可以方便地設定發(fā)動機參數(shù)和實時在線修改發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并能夠?qū)崟r顯示。實驗結(jié)果表明，該模擬器具有信號精度高、發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍大的特點。
關(guān)鍵詞：發(fā)動機；轉(zhuǎn)速模擬；單片機；逼近

引言
    隨著發(fā)動機電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略日趨復雜，電控系統(tǒng)的研發(fā)工作難度以及實驗工作量大大增加，成本也大幅度提高。V型開發(fā)模式已經(jīng)成為發(fā)動機ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)開發(fā)流程的主流，其中的硬件在環(huán)仿真中，為了配合ECU軟件的開發(fā)，需要模擬發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號來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，清華大學的章健勇開發(fā)的發(fā)動機轉(zhuǎn)速模擬器系統(tǒng)利用數(shù)字端口實現(xiàn)了大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)動機轉(zhuǎn)速霍爾信號的模擬；北京理工大學的王宇明設計的便攜式發(fā)動機工況信號模擬器，能夠比較真實地模擬發(fā)動機傳感器信號的類型、形態(tài)，基于模型的信號產(chǎn)生方法能夠較好地反映發(fā)動機工況變化中傳感器的內(nèi)在關(guān)系，并且提出了把霍爾信號通過硬件逐步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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)動機所需的方波信號，而且頻率調(diào)節(jié)精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)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)動機參數(shù)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)動機轉(zhuǎn)速信號模擬系統(tǒng)。磁電正弦信號可以通過硬件轉(zhuǎn)化和軟件逼近兩種方法得到，實驗證明前者得到的磁電信號精度不高，與真實磁電信號差異較大，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(zhuǎn)化過程需要占用大量單片機資源，不能滿足高頻的需求，所以本文選用PWM分段逼近的方法。本系統(tǒng)以MC9S08為處理器，通過面板鍵盤或RS232通信方式來設定發(fā)動機參數(shù)和實時在線修改發(fā)動機轉(zhuǎn)速，并通過LCD實時顯示信息。

1 系統(tǒng)總體方案設計
    發(fā)動機轉(zhuǎn)速模擬器系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)包括電源模塊、中央處理器、面板按鍵輸入模塊、碼盤信號和霍爾信號輸入模塊、液晶顯示模塊、發(fā)動機信號輸出模塊、調(diào)理電路、分壓電路、繼電器驅(qū)動電路、通信模塊。


    電源模塊采用12 V供電，為整個系統(tǒng)提供5 V電源和士15 V電源。發(fā)動機型號、傳感器參數(shù)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)動機實時轉(zhuǎn)速可以選用手動模式或者自動模式。若采用手動模式，由面板鍵盤輸入特定值；若采用自動模式，由上位機輸入隨時間變化的速度曲線，或者采集碼盤信息得到實時速度值。液晶模塊來顯示發(fā)動機、傳感器參數(shù)和當前發(fā)動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換輸出磁電信號。

2 硬件設計
2．1 處理器選擇
    該模擬器是汽車電子系統(tǒng)開發(fā)中的一個重要工具，所以要選擇滿足寬溫度限、強抗電磁干擾等最基本要求的汽車級別單片機。同時，為了縮減成本，價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路定時脈沖寬度調(diào)節(jié)器，其中TPM1具有6個PWM通道，TPM2具有2個PWM通道。
2．2 磁電信號調(diào)理電路
    實際發(fā)動機轉(zhuǎn)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生成磁電信號。
    磁電信號調(diào)理電路如圖2所示。

[!--empirenews.page--]
    信號的調(diào)理過程分為以下3個部分：
    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(guī)律變化，經(jīng)過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，不能滿足磁電信號的要求，所以經(jīng)過LM7332放大一次，放大倍數(shù)β=R1／R2。
    信號變換過程如圖3所示。



3 軟件設計
    整個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)主要功能為通過面板鍵盤或者RS232通信設定發(fā)動機參數(shù)。輸出狀態(tài)主要功能是根據(jù)發(fā)動機參數(shù)和傳感器的組合輸出當前需求轉(zhuǎn)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PWM信號軟件逼近的方式產(chǎn)生磁電信號。隨著一個周期所分段數(shù)的逐漸增加，逼近的精度也逐步提高。但為了防止高速時程序頻繁進出中斷會影響程序其他部分的運行，逼近所分段數(shù)不可過多。綜合逼近精度、單片機的總線頻率和正弦信號的對稱性考慮，把凸
輪軸磁電信號的一個正弦周期平分20等份，通過不同占空比的PWM信號來逼近正弦信號中的20段，如圖4(a)所示；把曲軸信號的一個正弦周期平分12等份，通過不同占空比的PWM信號來逼近其中的12段，如圖4(b)所示。
    計算逼近各點時間間隔。計算公式如下：
  
    其中，TimeIntervalCrank為曲軸信號逼近各點時間的間隔計數(shù)值；TimeIntervalCam為凸輪軸信號逼近各點時間的間隔計數(shù)值；fbus為時鐘總線頻率(Hz)；Cranknumber為曲軸齒數(shù)(60、48)；Camwidth為凸輪軸齒寬(1，2，3…)；n為發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速(rpm)。
    圖4中，實線為逼近的目標曲線，虛線為逼近得到的曲線，逼近后的曲線相對于目標曲線向右平移了一小段相位，在程序中應提前逼近的開始時間，以消除逼近相位誤差。


    PWM通道的模數(shù)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”點和“4”點。為了保證正弦信號的幅值隨著轉(zhuǎn)速值而變化，Rang隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加而增大，Rang=Rang(nspeed)。
    當逼近一個曲軸信號正弦波時，正弦信號中各點對應的正弦值如表1所列。各點對應的單片機值寄存器的值為TPM2CV0=Rang(nspeed)×Sin(Number)。同理，可以得到逼近凸輪軸磁電信號20個點對應值寄存器的值TPM2CV1。


    為了省去單片機做乘除法運算所占的時間，在程序中將各點對應的寄存器值做成數(shù)組，直接調(diào)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。

[!--empirenews.page--]
    若模式為霍爾，則輸出PWM霍爾信號。在溢出定時中斷內(nèi)累加曲軸齒數(shù)，若判斷曲軸缺齒有效，則改變PWM頻率，得到2個缺齒信號后，一個循環(huán)結(jié)束，曲軸齒數(shù)重新計數(shù)。在主程序中判斷何時輸出凸輪軸信號。
    若模式為磁電，則輸出PWM逼近信號，開始逼近定時。在定時中斷中設置逼近各點的占空比，記錄逼近點個數(shù)，一個正弦周期結(jié)束后，曲軸齒數(shù)累加1。若判斷缺齒有效，則輸出圖4中恒定“1”點所對應占空比的PWM信號，兩個缺齒后一個曲軸循環(huán)結(jié)束，曲軸齒數(shù)重新計數(shù)。在主程序中判斷何時輸出凸輪軸信號。
    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，在定時中斷中設置逼近各點的占空比，記錄逼近點個數(shù)，一個正弦周期結(jié)束后結(jié)束逼近定時，輸出圖4中恒定“1”點所對應占空比的PWM信號。

4 實驗驗證
    設定模擬器參數(shù)如下：曲軸齒數(shù)為(60-2)個齒，凸輪軸齒數(shù)為(4+1)個齒，凸輪軸齒寬為6個曲軸齒寬，多齒超缺齒12℃A(曲軸轉(zhuǎn)角是以℃A表示)，凸輪多齒超凸輪1齒為60℃A。通過示波器觀察得到圖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。模擬信號滿足設定參數(shù)要求，并且幅值、相位準確，相對相位準確，頻率穩(wěn)定。上下兩組信號的轉(zhuǎn)速分別為2000rpm和1000 rpm。比較可知，磁電信號幅值隨轉(zhuǎn)速而變化。


    真實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)過比較器處理后轉(zhuǎn)換為方波信號，進而被單片機采集。模擬得到的磁電信號經(jīng)過比較器后，同樣轉(zhuǎn)換為一個方波信號。雖然模擬信號與真實磁電信號存在差異，但是經(jīng)過比較器后得到形同的方波信號，對單片機來說就是相同的信號，所以模擬信號能夠替代真實的磁電信號。

5 結(jié)論
    實驗證明，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的磁電信號。本模擬器系統(tǒng)可以在100～6000 rpm范圍內(nèi)精確模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號，滿足設計要求。由于8位單片機的處理能力有限，該模擬器不能實現(xiàn)磁電信號幅值隨著轉(zhuǎn)速連續(xù)、線性地變化，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(shù)逼近或者迭代逼近的方法即可實現(xiàn)。