发动机控制中同步信号获取方法

白思春，褚全红，孟长江，况涪洪，姜成赋，张 春，张维彪，李 晨，相 楠

（1.中国北方发动机研究所（天津），天津 300400；2.西安工业大学北方信息工程学院，陕西 西安 710025；3.启帆公司，北京 100076）

在高压共轨发动机燃油控制系统中，电控单元（ECU）采集发动机的相位、转速、燃油压力、油门位置、温度等信号，通过一定的算法得出喷油泵和喷油器的控制参数，并驱动相应的电磁阀工作［1－2］。其中对发动机相位的精确确定直接影响着发动机的控制品质，ECU需要将曲轴和凸轮轴相位传感器信号作为整个发动机工作时序的基础，其作用相当于整个控制过程的时基，发动机的转速、喷油相位以及判缸信号等都是通过这两个传感器计算处理得出的。因此，研究一种精确、可靠的信号获取方法对整个柴油机电控单元来说至关重要，是ECU进行精细化控制的前提［3－4］。

本研究基于曲轴信号（60－2）个齿（曲轴上的齿盘被60等分后，去掉其中两个齿）、凸轮信号（8＋1）个齿（凸轮轴上的齿盘被8等分后，在其中两个齿之间再增加一个齿）的发动机控制系统转速信号处理技术，分析了转速信号合理性检测的原理以及合理性系数的理论值确定，通过台架试验对转速信号合理性系数MAP图进行标定。经台架试验验证，该转速信号处理技术能够准确地滤除干扰信号，保证了信号的准确采集，为发动机喷射控制提供了基准，实现了发动机的稳定运行。

1 综合分析

在发动机全工况范围内，凸轮、曲轴信号输入到ECU，影响单齿周期的因素包括发动机转速、测量齿盘选择半径和齿数、传感器信号的处理方式、电磁干扰等；其中发动机转速是决定单齿周期的主要参数，对于选定的齿盘和处理电路，其他两因素是常数，不影响对单齿周期的测试。电磁干扰会造成传感器输出信号出现高频干扰，在凸轮、曲轴信号盘输出的“多齿”、“缺齿”、“正常齿”之外叠加异常的虚假信号，导致测试出的单齿周期出现大幅度的变化。

在发动机转速上升、下降以及波动过程中，发动机的单齿周期会发生变化；同时，即使在发动机平均转速不变的情况下，由于各缸发火做功导致的发动机单次周期在各个相位上也不尽相同；此外，测速齿盘的加工误差也会导致在平均转速相同的条件下，发动机单次周期在各个相位上不同［5－6］。

以上所阐述的因素虽然复杂多变，但曲轴转速信号和凸轮转速信号的单齿周期（当前齿的信号下降沿与前一齿的信号下降沿之间的时间间隔）符合一定的规律。用前一齿的单齿周期和当前齿的单齿周期的比值ratio来表征，这个比值ratio在整个发动机工作转速区域内应该在一定的取值范围内，因为发动机的做功不能出现阶跃跳变，其工作转速以及升速、降速的转速变化率是渐变量。Ratio值可根据发动机在各转速点时的转速变化率来确定，当发动机的转速变化率较大时，转速上升过程中ratio值较小，转速下降过程中ratio值较大；当发动机的转速变化率较小时，ratio值接近1。ratio值超出这个范围内的信号，可以认为是错误的并可以滤除的干扰信号［7］。

2 单齿比值分析

2.1 理论计算

以曲轴信号为例，曲轴信号齿为（60－2）的缺齿结构，在忽略曲轴齿盘机加误差且曲轴转速不变的情况下，缺齿处捕捉间隔时间是正常齿的3倍，根据这个时间倍数关系来确定曲轴缺齿的位置（见图1）。

在实际运行中，柴油机的转速实时变化，单齿周期Ta，Tb并不相等，Tb，Tc也不是呈现严格的3倍关系，Tb／Ta，Tc／Tb的比值在一定范围内波动。影响该比值的主要因素是柴油机的转速和转速的变化率。

针对正常齿的齿宽比值Tb／Ta，设在56齿柴油机的转速为S，转速变化率为P，则第56齿、第57齿的齿周期Ta，Tb为

式中：T56为第56齿的单齿周期；T57为第57齿的单齿周期；S为柴油机转速；P为柴油机转速变化率。

特殊齿中包含了第58齿、第59齿和第60齿，齿周期分别为

在进行比值运算时，T58，T59，T60不单独参与比值计算，计算Tc时，转速上升时间用3倍T57进行替代，则

2.2 计算

2.2.1 定转速变化率分析

在发动机控制中，采集转速一般大于50r／min，以较大的转速上升速率（恒定为1 000r／（min·s））计算出发动机一个工作循环（第1齿～第118齿）中各个相邻齿的比值（见图2）。

从图中可以看出，在发动机低转速区，各相邻单齿之间的比值变化范围较宽，其中从第1齿到第10齿区间，比值从1.400下降到1.051；从第10齿到第99齿区间，比值从1.051下降到1.005；之后的比值基本上不再发生变化。计算过程中同时可以得出，在第99齿时的发动机转速已经达到450r／min，到120齿（包括缺齿）时的发动机转速已经接近500r／min，这从另一个方面也说明，在发动机高转速区，即使各转速变化率较大，各相邻单齿之间的比值变化范围也比较小。

2.2.2 变转速变化率分析

起始转速为50r／min，转速上升率为100～1 000r／（min·s），计算出发动机工作一个循环（第1齿～第118齿）中各个相邻齿的比值（见图3）。

从图中可以得出相同的结论：在发动机低转速区，各相邻单齿之间的比值变化范围较宽，并且主要集中在第1齿到第20齿区间。为了更清楚地分析单齿齿宽比值和转速上升率之间的关系，针对前20齿的齿宽比值变化情况进行了分析，结果见图4。从图4中可以看出，随着转速变化率的增大，单齿齿宽比值近似呈线性增大，且齿号越小，曲线斜率越大，即比值的变化幅度越大；到20齿时，单齿齿宽比值随转速变化率的增大变化不再明显。

2.2.3 变转速分析

发动机工作过程中，其转速变化率随机变化，以极限转速变化率为边界条件，以不同的转速为参变量，对第1齿（当前齿）的齿宽比值进行计算，结果见图5。从图中可以看出，在转速低于200r／min时，当前齿处的单齿齿宽比值较大，而转速大于500r／min后的单齿齿宽比值小于1.004，相邻齿之间的宽度相差不到0.5%。考虑到发动机转速上升和下降两个趋势，相邻齿之间的宽度相差在±0.5%以内是一个合理的变化范围，超出此范围出现的“齿”就认为是高频干扰带来的多齿或其他因素造成的丢齿，以此可以得出齿信号的合理性判断依据，在实际应用中一般采用上、下两条边界线。

3 合理性系数计算

3.1 曲轴盘信号合理性系数设置

曲轴盘上包含58个正常齿信号和1个缺齿信号，在发动机工作转速全工况范围内，需要根据不同的转速区段设置不同的单齿齿宽比值上、下限，即合理性系数上、下限。在同一坐标轴内设置合理性系数，结果见图6。从设置的极限参数来看，正常齿和缺齿的合理性系数未出现交叉的区域，整体设置比较合理，但还需要在发动机台架上根据不同的机型进行标定，把合理性系数的范围进一步收缩，以增加对非正常齿信号的有效滤除。

3.2 凸轮盘信号合理性系数设置

凸轮盘上包含8个正常齿信号和1个多齿信号，多齿的设置可以在2个正常齿的中间，即1／2处，也可以在距离上一个正常齿的1／3处。以1／2处的设置方式在同一坐标轴内设置合理性系数，结果见图7。从设置的极限参数来看，正常齿合理性系数的下限和多齿合理性系数的上限出现了交叉的区域，交叉点为凸轮转速75r／min，对应发动机转速为150r／min。这样的设置在极限条件——凸轮转速变化率为500r／（min·s），即发动机转速变化率为1 000r／（min·s）的情况下，实现对非正常信号的滤波处理是有问题的。

为了避免凸轮信号合理性系数的交叉，以1／3处的设置方式在同一坐标轴内设置合理性系数，结果见图9。从设置的极限参数来看，正常齿合理性系数的下限和多齿合理性系数的上限仍有交叉区域，交叉点为凸轮转速60r／min，对应发动机转速为120r／min。这说明以1／3处的方式设置多齿，使多齿的比值和正常齿的比值差相差更大，能使合理性系数出现交叉的转速点降低，但不能从根本上解决问题。实际应用中，根据具体发动机的转速变化率进行分析，如果发动机最大转速变化率能够达到1 000r／（min·s），那凸轮盘信号在低速时应该避免进行合理性系数的判别，如果发动机最大转速变化率较小，实际设置的系数将不会出现交叉，能够完成对非正常信号的滤波处理。

4 合理性系数范围标定

在发动机台架上用瞬态转速测试装置测试怠速、升速、降速不同工况下的不同齿所对应的单齿周期，计算出曲轴缺齿、正常齿的比值，确定出不同转速下的合理性系数。

4.1 怠速工况测试

在怠速工况下，采用PID闭环控制，发动机平均转速稳定在600r／min时，测试某8缸发动机的瞬态转速，在10个测试工作循环中，选取3个循环来表征转速变化情况（见图9）。

从图中可以看出，在发动机稳态工况时，各齿所对应的发动机瞬态转速是不同的，瞬态转速的变化趋势和8个缸的做功过程对应，在1个工作循环中出现8个瞬态转速上升过程。图9中，对应每个齿的瞬态转速变化趋势一致。通过对各个工作循环的正常齿比值进行计算得出正常齿单齿齿宽比值（见图10），考虑发动机转速变化的稳态和瞬态情况，怠速时正常齿的合理性系数在0.987～1.011范围内。

通过对这10个工作循环的“缺齿”比值进行计算，得出缺齿单齿齿宽比值（见图11）。考虑发动机转速变化的稳态和瞬态情况，怠速时缺齿合理性系数在3.014～3.021范围内。

4.2 升速工况测试

在600～1 900r／min 发动机升速过程中，测试15个循环各齿所对应的发动机瞬态转速，由于第1齿～第116齿转速上升的趋势一致，故选取能表征转速变化情况的第1齿、第58齿、第116齿，以测试工作循环为横坐标记录发动机转速（见图12）。

从图中可以看出，在发动机转速上升过程中，通过各齿所计算出的发动机转速上升趋势是一致的。通过对这15个循环中正常齿比值进行计算，得出正常齿单齿齿宽比值（见图13），考虑发动机转速变化的稳态和瞬态情况，升速过程中正常齿的合理性系数在0.990～1.029范围内。

通过对这15个工作循环的“缺齿”比值进行计算，得出缺齿单齿齿宽比值（见图14），考虑发动机转速变化的稳态和瞬态情况，升速过程中缺齿合理性系数在2.954～3.036范围内。

4.3 降速工况测试

在1 900～600r／min发动机降速过程中，共分13次测试各齿所对应的发动机瞬态转速，由于第1齿～第116齿转速下降的趋势一致，选取能表征转速变化情况的第1齿、第58齿、第116齿，以测试工作循环为横坐标记录发动机转速（见图15）。

从图中可以看出，在发动机转速下降过程中，通过各齿所计算出的发动机转速下降趋势一致。通过对这13个循环中正常齿比值进行计算，得出正常齿单齿齿宽比值（见图16），考虑发动机转速变化的稳态和瞬态情况，降速过程中正常齿的合理性系数在0.951～1.011范围内。

通过对这13个工作循环的“缺齿”比值进行计算，得出缺齿单齿齿宽比值（见图17），考虑发动机转速变化的稳态和瞬态情况，降速过程中缺齿合理性系数在2.962～3.019范围内。

5 合理性系数设置及试验验证

在综合考虑凸轮、曲轴安装、加工偏差的基础上，通过计算和标定相结合的方式设定出某发动机曲轴信号的合理性系数（见图18）。在发动机起动工作区域内，合理性系数的上边界和下边界放宽，避免在起动工况中对信号变化限制太严，影响发动机快速起动；在发动机正常工作区域内，对合理性系数的上边界和下边界进行扩展，避免因齿盘安装及加工误差带来的单齿齿宽比值变化影响对正常齿、缺齿、多齿的合理性判别。

曲轴齿盘信号合理设置后，在仿真测试台上，对齿信号合理性判断及相应的滤波算法进行研究，结果见图19和图20。图中，C1为凸轮信号，C2为曲轴信号，C3为喷射信号，下半部分为局部放大图。图19示出有合理性系数判别及处理机制情况下的喷射控制，在此工况下，在齿信号中注入干扰信号，喷射信号不受影响。图20示出取消合理性系数判别及处理机制时的控制，电控系统喷射信号在出现“多齿”干扰后喷射发生暂停。

6 结束语

当柴油机转速变化时，曲轴的合理性系数会随着转速的变化发生变化。通过理论计算，确定出合理性系数与转速和转速变化率之间的关系，在此基础上，在发动机台架上采集各工况的瞬态转速，标定出合理性系数。经试验验证该方法能够很好地滤除高频干扰信号以及丢齿现象对正常喷射的影响。

［1］ 徐家龙.柴油机电控喷射技术［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 王尚勇，杨 青.柴油机电子控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［3］ 李建秋，赵六奇，韩晓东，等.汽车电子学教程［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［4］ 李建秋，欧阳明高.新型柴油机电控系统喷射控制算法研究［J］.汽车工程，1999，21（1）：37－43.

［5］ 周龙保.内燃机学［M］.北京：机械工业出版社，1999.

［6］ 唐开元，欧阳光耀.高等内燃机学［M］.北京：国防工业出版社，2008.

［7］ 李铁军.柴油机电控技术实用教程［M］.北京：机械工业出版社，2009.