汽車發(fā)動機轉速信號模擬器設計

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)動機轉速，并能夠實時顯示。實驗結果表明，該模擬器具有信號精度高、發(fā)動機轉速范圍大的特點。
關鍵詞：發(fā)動機；轉速模擬；單片機；逼近

引言
隨著發(fā)動機電控系統(tǒng)的結構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)動機轉速模擬器系統(tǒng)利用數(shù)字端口實現(xiàn)了大轉速范圍內(nèi)發(fā)動機轉速霍爾信號的模擬；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)在關系，并且提出了把霍爾信號通過硬件逐步轉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，能夠實現(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)動機轉速信號模擬系統(tǒng)。磁電正弦信號可以通過硬件轉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。