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适用于任意凸轮轴和曲轴位置信号模式的发动机曲轴位置跟踪算法
JunminWang1，Jayant V. Sarlashkar2
Southwest Research Institute
[摘要]本文介绍了一种可以在稳态和瞬态操作条件下识别和跟踪任意凸轮和曲轴齿轮模式的发动机曲轴位置算法。为了适应不同的应用要求，曲轴位置跟踪分辨率是可以调整的。由位置跟踪模块提供的瞬时曲轴位置信息构成了曲轴角域（CAD）发动机控制和测量功能的基础，如精确喷油/点火控制和在线气缸压力CAD分析。所提出的算法使得任意的凸轮和曲轴齿轮模式跟踪模块的重新配置变得非常简单，这对于原型发动机控制系统是非常有价值的。该算法的有效性通过测试具有不同凸轮和曲柄信号模式的发动机来验证。
1绪论
内燃机性能（功率，燃油消耗和噪声等）和排放对发动机控制信号的曲轴转角位置敏感，比如燃油喷射和点火。这些控制信号需要在稳态和瞬态的操作条件下精确地与曲轴位置同步。近来，由于日益严格的排放法规和客户要求，因而在发动机生产上采用更先进的感应和驱动装置（例如气缸压力传感器和VVA）。这些传感器和驱动装置需要在线曲轴角域信号的分析和控制。为了实现这些任务，发动机控制单元（ECU）需要继续不断的发动机瞬时曲轴旋转位置信息。通常在ECU中，曲轴的位置是通过处理来自凸轮和曲轴传感器的信号来获得的。凸轮轴和曲轴位置传感器（霍尔效应和/或可变磁阻）由分别安装在凸轮轴和曲轴上并由随凸轮轴和曲轴旋转的齿轮触发。当齿轮的齿/间隙转过传感器时，产生电子信号并将其反馈到ECU中。
目前已经设计出许多不同的凸轮轴和曲轴齿轮轮廓和组合，并且用于具有特定因素和目的的各种发动机中。通常，凸轮轴和曲轴信号模式的主要作用是让ECU可以实时识别和跟踪发动机曲轴旋转位置，从而达到用于测量和控制的目的。例如，图1示出了可以在目前生产的发动机中找到的几个凸轮轴和曲轴齿轮轮廓的示例。对于第一排中的图案，在凸轮轴齿轮上有一个宽齿，在曲轴齿轮上有60个均匀分布的齿和两个连续的齿缺失，这被称为60-2模式。在图1的第二排中，在凸轮轴齿轮上有两个宽齿，在曲轴齿轮上有60个均匀分布的齿，其中在一个位置缺失两个连续齿，在另一个位置缺失另外四个连续齿，这被称为60-2-4模式。在图1的第三排中，在凸轮轴上有十个等分布的齿和一个额外的齿，其被称为10 1模式。对于曲轴轮，有96个均匀分布的齿和在一个位置缺失的两个连续齿，在另一个位置缺失另外两个连续齿，以及在第三个位置缺失四个连续齿。这个曲轴齿轮轮廓被称为96-2-2-4模式。在图1的最后一排中，在凸轮轴上有三个宽齿。对于曲轴齿轮，有60个均匀分布的齿，一个缺失，一个宽度更宽，被称为60-1w模式。在不同的发动机上，设计出和使用了许多其它不同的凸轮轴和曲轴齿轮轮廓。发送到ECU的凸轮轴和曲轴传感器信号具有与齿轮轮廓相同的轮廓。对于不同的凸轮轴和曲轴齿轮轮廓，在ECU中使用不同的曲轴位置重组和跟踪算法。算法的设计通常基于齿轮轮廓的特征，并且通常可能是比较棘手且耗时的。因此，期望具有适用于任意凸轮轴和曲轴信号模式的一般曲轴位置跟踪算法，这对于设计原型发动机控制系统是有价值的，因为它们需要能够控制具有不同凸轮轴和曲轴信号模式的发动机。
需要指出的是，由机械齿轮提供的曲轴位置信号的分辨率还不足以达到用于发动机控制的目的。例如，对于具有60个齿的测速齿轮，每6度仅产生一个信号，并且典型的发动机控制应用需要比半度更好的分辨率。因此，在齿轮信号之间设置位置推断是必要的。
本文介绍了一种适用于任意凸轮轴和曲轴信号模式的发动机曲轴位置跟踪算法[1]。 在文中，我们将使用不同的凸轮轴和曲轴信号模式，在发动机上验证该算法。值得注意的是，本文中描述的位置跟踪算法可以应用于需要旋转位置跟踪的其他非发动机系统。
本文组织如下：在接下来的三个部分中，我们将描述发动机CAD控制、曲轴位置识别和适用于任意凸轮轴和曲轴位置信号模式的跟踪算法。接着，我们将展示一些使用这种跟踪算法的配置示例，然后将介绍使用原型控制系统上的算法的发动机实验测试结果。最后，我们将以几句总结来结束本文。
2曲轴转角角域的发动机控制
许多重要的发动机控制和感应功能需要在曲轴转角角域内执行。例如，燃油喷射和点火正时的变化会显著地影响着发动机扭矩、排放、燃油经济性和NVH。因此，精确的CAD时序控制很重要。此外，随着诸如均质充量压缩点火（HCCI）和低温燃烧（LTC）的替代燃烧模式被开发并应用于发动机生产上，因而需要附加的感应装置来控制它们处于燃烧稳定性的边界附近。同时可以从气缸压力信号[2,3,4]中提取大量有用的燃烧信息。然而，气缸压力信号需要在曲轴转角角域内而不是时域内进行采样，以用于燃烧分析和控制[4]，这需要瞬时曲轴位置信息在发动机控制系统中是可用的。
在发动机运行的过渡期间，燃油喷射、火花点火等功能的命令需要在每个气缸燃烧循环的基础上进行调整，然后需要ECU在瞬态条件下精确跟踪曲轴位置。
发动机曲轴角域的控制结构如图2所示。当发动机运转时，凸轮轴和曲轴传感器产生凸轮轴和曲轴位置信号。然后经滤波和调节过的信号被反馈到ECU中的曲轴位置跟踪模块。基于凸轮轴和曲轴的信号，曲轴位置跟踪模块将产生由所有CAD域控制和测量模块共享的瞬时曲轴位置信息。对于CAD控制模块，例如燃油喷射和火花点火，它们将由跟踪模块提供的当前曲轴位置与由发动机控制器/地图指定的喷油、火花CAD正时进行比较。当当前的CAD位置与指定的位置重合时，将产生喷油、点火信号并将其发送到燃油喷射器和火花塞中。对于CAD数据采集模块，当当前的CAD位置与预定采样CAD位置重合时，传感器信号（如气缸压力传感器信号）将被采样并发送到发动机控制器中进行反馈。
曲轴定位由两部分组成：曲轴位置识别和曲轴位置跟踪，这将在以下两节中进行描述。
3曲轴位置识别
在我们的上下文中，曲轴位置识别是指当发动机由启动器启动时从凸轮轴和曲轴信号中识别的曲轴复位位置。ECU需要尽可能快地从凸轮轴和曲轴信号之间的关系中识别出发动机曲轴位置，以便发出正确的燃油喷射和点火信号。发动机凸轮轴和曲轴位置传感器信号可以被调节为标准晶体管-晶体管逻辑（TTL）信号。它们的上升沿和下降沿可以由诸如现场可编程门阵列（FPGA）的集成电路（IC）芯片捕获。值得注意的是，对于四冲程发动机，凸轮轴旋转一周，曲轴在一个发动机循环中旋转两周。因此，一个凸轮轴齿轮信号将会被曲轴齿轮信号重复。
通常通过基于凸轮轴和曲轴信号之间的关系识别的指定的CAD位置来执行曲轴位置识别。对于给定的凸轮轴和曲轴信号模式，可以以不同的方式进行曲轴位置识别。一旦发动机运转，当检测到指定的CAD位置时，就可以识别或初始化曲轴位置。例如，图3示出了图1中的凸轮轴齿轮上具有一个宽齿，在曲轴齿轮上具有两个缺失齿即第一个模式在一个发动机循环中的凸轮轴和曲轴信号。曲轴位置识别或初始化方法可以简单地设计成如下：
bull;测量曲轴信号的两个连续上升沿之间的周期，如Periodi，它是发动机转速和机械齿角距离的函数。
bull;在曲轴信号的每个上升沿，进行以下操作，
如果[(凸轮高)和( Periodi ge; N * Periodiminus;1 )]
初始化曲轴位置；
否则
不进行任何操作；
结束
当发动机以恒定的速度运转时，在与缺失的曲轴齿相对应的上升沿处，以下情况保持不变 ：
(1)
在实践中，为了适应由于燃烧事件和瞬态操作引起的发动机转速变化，2 = N可用于上述识别方法。通过使用这种方法，在凸轮信号高电平（不是凸轮信号低电平的）的位置，曲轴信号间隙的上升沿将被初始化。不管曲轴旋转何时开始，曲轴位置识别将在小于一个发动机循环中进行。
在发动机启动期间，曲轴位置识别或者初始化只需要进行一次。 一旦曲轴位置初始化，跟踪算法在发动机循环内保持运行。然而，用于初始化位置的凸轮轴和曲轴信号的独特功能也可用于检查凸轮轴和曲轴信号的错误。对于任何发动机凸轮轴和曲轴信号模式/组合，必须至少有一个可以容易地检测到的独特的位置，以便在发动机循环中识别或者初始化曲轴位置。在某些凸轮轴和曲轴信号模式有多个独特位置的情况下，应选择其最显著的特征来初始化曲轴位置，以允许凸轮轴和曲轴信号中的周期波动。
4曲轴位置跟踪算法任意模式
一旦识别到发动机曲轴位置，则ECU需要实时跟踪曲轴位置，以便指示与发动机曲轴位置同步的发动机燃油喷射和点火等。曲轴轮通常具有比凸轮轴轮更多的齿和轮廓。正如前面所说，现代发动机控制需要比由机械加工限制的机械齿轮提供的分辨率更高的曲轴位置信息。因此，需要在两个相邻的曲轴信号之间进行曲轴位置推断。
4.1曲轴齿轮轮廓表
曲轴位置跟踪算法基于一个查找表。表的索引是在一个发动机循环中对应于曲轴轮齿的“位置指针”。一旦位置指针被曲轴位置识别模块初始化，它将在曲轴信号的每个上升沿（或下降沿）处增加一个。来自查找表的输出变量是曲轴信号的每个上升沿（或下降沿）处的相应的CAD位置，曲轴信号的前一周期和下一个周期之间的因素基于其机械模式，以及根据预定的位置跟踪分辨率和在下一个周期（在曲轴位置传感器信号即将到来的上升沿之前）的最大外推CAD位置。查找表的结构如图4所示。
表索引即位置指针，是从0到m。m是每发动机循环的曲轴信号上升沿（或下降沿）减1的数量。例如，对于图1中的第一模式，m = 58times;2 -1 = 115。当发动机曲轴旋转时，位置指针的值从0到m循环。位置值Posi（i = 0,1，...，m）是曲轴位置传感器信号的每个上升沿（或下降沿）处的曲轴位置值。因子值Faci是第（i-1）、i个上升（或下降）沿的机械角度周期与第i、（i 1）个上升（或下降）沿的周期之间的比值，其由曲轴齿轮的机械模式决定。查找表存储在只读存储器（ROM）中。一旦“位置指针”寄存器被更新，位置、因子和最大外推位置寄存器的值将被立即更新，同时被表中新索引处的值更新。
为了进一步说明表中涉及的变量，请参考以下图5中的齿轮图案。
在这种布局中，为了不失一般性，我们假设每个齿的机械齿宽度相同，曲轴位置传感器电子信号的上升沿和下降沿分别在机械齿的上升沿和下降沿产生。机械齿的两个相邻上升边缘之间的曲柄角度距离的关系如在（2） -（4）中的描述：
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(2) |
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(3) |
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(4) |
从机械模式，每个上升沿的因子值可以确定如下：
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
上述因素值仅由机械曲轴齿轮图案确定。对于相同类型的发动机，机械齿轮图案是相同的，因此因子值也是相同的。注意到Faci-5和Fac1 1分别取决于theta;i-5和theta;i 2，然而，图5中未表示出来。此外，在查找表中，因子值的分子和分母分开存储。单元的上半部分用于存储分子，单元的下半部分用于存储分母。
4.2曲轴位置推断
如前所述，在发动机生产上，每个发动机循环的曲轴触发信号的数量通常非常有限。大多数情况下，它们每个发动机循环（720曲轴角度）只有约2times;（60 -2）-1 =115=或2times;（60 -3）-1 =113个信号，这意味着分辨率约为6个曲轴角度。然而，为了实现期望的发动机性能，喷油/点火正时和持续时间需要在分辨率小于一个曲轴角度的曲轴位置范围内进行更精细的控制。因此，需要ECU根据两个连续的触发信号之间测量的先前时间周期来推断曲轴位置。
上一节中描述的因子值可用于基于数值推断算法对曲轴位置的推断。注意，在稳态（恒定发动机转速）下，曲轴位置传感器信号的两个相邻上升沿之间的周期基于由机械齿轮的轮廓限定的因子值如（10）所示的关系如下：
(10)
随着发动机转速的持续[5]，在瞬态状态（发动机加速或减速）期间，如（11）所示，可以用曲轴位置传感器信号的每个上升沿更准确地预测下一个周期。
(11)
其中n是判断的顺序。a0，a1，a2，...，an是由数值预测算法确定的系数。例如，判断系数可以通过忽略高阶项的泰勒展开来获得，
(12)
因此，我们可以使推断系数为a0
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