发动机转速信号模拟试验.doc

内燃机测试技术试验
实验二十四
发动机转速信号模拟试验
实验学时：2
实验类型：基础型
实验对象：本科生

一．实验目的：
1. 了解发动机转速曲轴信号和凸轮轴信号的原理。
2. 了解发动机转速曲轴信号和凸轮轴信号在发动机电控系统中的作用。
3. 掌握发动机曲轴信号缺齿或者多齿信号的产生原理。
4. 掌握发动机12-1曲轴信号产生的程序编写。
二．实验原理及设备说明
1.发动机曲轴信号和凸轮轴信号的原理
发动机转速信号一般是两种，一种是可变磁阻式，一种是霍尔式。
1.1可变磁阻式（Variable Reluctance）传感器
这种传感器也称为电磁感应式传感器（图1-1），会产生磁脉冲信号，该信号时由信号转子的旋转运动使磁通量Φ发生变化而在感应线圈中产生的感应电动势E。
可变磁阻式传感器的优点是价格低、尺寸小、自发交流信号无需外电源、具有良好的温度稳定性；缺点是信号转子在零转速时无信号输出，信号变化的幅度取决于信号转子的转速，需要另外的信号处理电路，可变磁阻式传感器内空气间隙要求小于2mm。

图1-1 可变磁阻式传感器

1.2霍尔效应式（Hall Effent）传感器
霍尔传感器产生的电压信号，是由信号转子的旋转运动使磁通量发生改变。信号转子通过霍尔元件和永久磁铁，磁通的变化与可变磁阻式传感器相似，但与可变磁阻式不同的是霍尔元件探测的是磁感应强度大小而非磁通变化率。霍尔元件是半导体材料制成的，需要偏置电流。该传感器输出电压信号与作用在霍尔元件上磁场的磁感应强度成正比。
霍尔效应原理：如图1-2所示，当电流I通过放在磁场中的半导体基片（称霍尔元件），且电流方向与磁场方向垂直时，电荷在洛伦兹力作用下向一侧偏移，在垂直于电流与磁通的霍尔元件的横向侧面上即产生一个与电流和磁场强度成正比的电压，称为霍尔电压。

图1-2 霍尔效应原理

为了消除共膜直流电压，霍尔元件采样平均磁通水平：为了输出双信号，一对霍尔元件被安装成差分形式，按照一定节距并排装在信号转子两侧。
摩尔传感器采用双极半导体技术，将放大、温度补偿、信号处理都集成在一块芯片上。霍尔传感器的优点是：价格低、尺寸小、可测量零转速、良好的线性；缺点是：适应的最高温度为175℃，传感器的空气间隙小于2.5mm，并对外部压力非常敏感。图1-3为可变磁阻式和霍尔式曲轴位置传感器的比较。
图1-3 可变磁阻式和霍尔式曲轴位置传感器

2.发动机曲轴信号和凸轮轴信号在电控系统中的作用
随着发动机电控系统的结构和控制策略日益复杂，电控系统的研发工作难度以及实验工作量大大增加，成本也大幅度提高 。V型开发模式已经成为ECU(Electronic Control Unit，电子控制单元)开发流程的主流,其中的硬件在环仿真中，为了配合ECU软件的开发，需要提供硬件仿真环境模拟发动机的工作状态来验证软件算法的正确性。发动机转速信号是发动机工作状态的一个重要信号，因此开发实用的转速模拟系统对于发动机ECU软件开发具有重要意义。
转速传感器的主要作用是实时判断曲轴和凸轮轴的瞬态位置，以满足ECU决定点火、喷射的定时和脉宽需要。电控发动机所有的点火喷射控制功能均是以转速传感器信号为基础，故转速传感器信号处理是所有信号处理中最重要的一部分。转速信号一般采用曲轴和凸轮轴传感器实现，这些传感器的触发信号盘和曲轴或者凸轮轴同步旋转，其外圆上加工刻度均匀的凹齿或凸齿，通过一定的变换原理输出的信号反应了瞬时转速。除此以外，转速传感器还必须完成喷射判缸的功能，为了表征某一特定缸的特定位置，一般特意在触发信号盘上加工特征齿，如加工多齿或少齿。由于曲轴一个工作过程旋转两周，特征齿不能反映到底是压缩上止点还是燃烧上止点，不能完成判缸功能：凸轮轴一个工作过程旋转一周，特征齿能完成判缸，但凸轮轴传感器信号的缺点是信号变化慢，频率低，在发动机低转速情况下容易造成较大的误差，故电控发动机中一般是凸轮轴和曲轴传感器信号相互配合，曲轴完成瞬时转速测量，凸轮轴完成判缸，两者共同构成点火喷射功能的底层基础。
3. 发动机曲轴信号缺齿或者多齿的实现
这里以发动机曲轴信号为例作为发动机转速信号的模拟，实际上的发动机转速信号模拟要复杂一些。首先曲轴信号和凸轮轴信号都要有缺齿或者多齿，而且为了和实际的发动机机械相位相对应，曲轴信号和凸轮轴信号相位有严格的要求，两者之间需要严格对齐。本试验只是简单的模拟曲轴信号的缺齿情况，多齿情况采用同样的思路。
本试验的方式是采用模拟AD采样，然后通过对应的关系，确定模拟的转速范围。也即是，发动机采集外部的电位器，采样数值为0-1023，为了对应于发动机转速，因此相应的对应进行乘6，也即能模拟的转速范围是0-6138转。其中，对应于每个转速，都是12-1的结构，也即是12个信号中间缺一个。
4 发动机曲轴信号模拟程序的编写
本试验采用MC9s12C64的控制器实现，16位的控制器，外部晶振频率为8MHz，先倍频到16MHz，然后再分频到128KHz。
对于分频128KHz的选择，其原因如下：
单片机中的寄存器是16位的，而如上面所讲，单片器程序运行原理中需要利用单片机中寄存器计数的差值来计算转速，因此这里每轮在寄存器中的计数不能溢出，否则会增加运算的复杂度，而正常工况下能够测量的最低转速一般为120r/min，对应频率为2Hz，而16位的寄存器能够计数的最大数字为65536，为了保证不小于2Hz，频率应为65536*2=131172Hz。分频到128K可以使程序在不溢出的前提下保证最小程度的误差。
误差计算：
128*1024*024／131172－1＝0.024≈2%
实际产生的波形应为如下图4.1所示。

图4.1 发动机曲轴信号模拟
三．实验内容
1.搭建发动机转速信号模拟电路
2.对不同AD采集情况下的输出波形进行记录，记录AD采集值，转速信号周期。
3.对转速信号的理论值（AD对应转速）和实际测量值进行数据分析，确定误差的原因。
四．实验设备和仪器
MC9s12C64开发板，
DS1302CA示波器，
个人计算机，
12V直流电源，
USB转串口线。
五．实验结果分析
1.不同AD采集值情况下，转速信号的频率。
2.理论计算值和实际输出信号频率之间的误差。
六．思考题
1.如果需要曲轴信号和凸轮轴信号，两者如何配合？
2.发动机转速信号中间的过渡过程如何考虑，有没有可能转速突然波动？