CN103631152B - 发动机控制器硬件在环仿真扭矩/转速复合信号模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟方法，其特征是：将扭矩/转速复合信号的一个周期信号分解为包含高-低-高-低四个时间段的2个脉冲，利用DSP的高速定时中断精确控制每个脉冲的高低电平切换时刻；通过对输出信号的精确测量，一次性补偿因中断延迟造成的周期和相位的误差；通过串口中断接收模型计算机输出的扭矩/转速的特征参数，将其存储于一种先进先出的缓冲区结构体中，并在定时中断中对特征时间参数进行保护性更新。优点：本发明采用单一的定时中断控制实现了扭矩/转速复合信号的模拟，高效简洁地解决了涡轴、涡桨发动机控制器硬件在环仿真试验中的扭矩/转速复合信号的实时高精度模拟问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种用于发动机控制器硬件在环仿真试验中的扭矩/转速复合信号模拟器,涉及使用DSP、定时器中断、误差补偿、保护更新、USB通信接口和扭矩/转速复合信号接口，属于控制系统仿真技术领域。
对于涡轴、涡桨发动机，为了进行扭矩和功率的匹配控制，会在其功率输出轴上安装一种扭矩/转速复合信号传感器。该传感器的旋转件是一个扭转轴，扭转轴在同一个截面上布置反映入口轴和出口轴扭转角度大小的轮齿（一般有4个大致均匀错开的齿，其中一对互成180°的齿对应入口轴，另一对互成180°的齿对应出口轴），传感器的静止件是一个磁感探头，当扭转轴旋转时，磁感探头基于磁电感应原理输出感应电动势信号，该信号表征了扭矩/转速复合信号，即信号的脉冲频率反映转速大小，相邻脉冲信号的相对相位的改变反映扭矩大小及其方向。在发动机控制器硬件在环仿真试验系统中，需要根据发动机仿真模型的输出动态地模拟输出轴扭矩/转速的信号变化，即需要动态地模拟脉冲信号的频率和相邻脉冲信号相对相位的改变，从而构成控制系统的闭环仿真回路，实现扭矩和功率的匹配控制。模拟的扭矩/转速复合信号的频率精度和相位精度将直接决定仿真系统的有效性和置信度。
背景技术
工程上为了解决涡轴、涡桨发动机控制器硬件在环仿真试验中的扭矩/转速复合信号模拟问题，一般采用以下两种方法：
（a）缩比物理模拟，即使用扭矩缩比的扭矩/转速传感器，通过电机驱动其旋转，并通过测功器等扭矩加载装置产生扭矩；
（b）基于微控制器的电子模拟，即使用2路频率信号发生器，其中一路频率信号以边沿中断和可编程的相位延迟触发第二路频率信号，两路频率信号通过一个加法器合成电路得到扭矩/转速复合信号；
方法（a）可提供扭矩缩比的复合信号，信号特征与真实机载传感器一致，但需要电机驱动装置和扭矩加载装置，因此过于复杂且成本高，违背了硬件在环仿真的便利性原则，而且电机的转速控制和扭矩加载的精度及实时性也难以保证；
方法（b）采用电子的方式进行模拟，因需要2路频率信号发生器和1个中断接口而占用较多资源，且需要额外的合成电路，增大信号模拟的复杂程度；由于采用边沿中断控制相位延迟大小，中断延迟等因素会造成相位精度的误差；因两路频率信号发生器的频率更新不同步会导致更新点信号周期不完整，从而可能会导致控制器测量错误。
发明内容
本发明提出一种用于发动机控制器硬件在环仿真试验的扭矩/转速复合信号模拟方法，其目的旨在解决涡轴、涡桨发动机控制器硬件在环仿真试验中的扭矩/转速复合信号的实时、高精度模拟问题,涉及使用DSP、定时器中断、误差补偿、保护更新、USB通信接口和扭矩/转速复合信号接口。
本发明的技术解决方案：用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟方法，可实现一种介于发动机仿真模型计算机与发动机电子控制器之间的扭矩/转速复合信号模拟器，该方法包括如下步骤：
1）将扭矩/转速复合信号的一个周期信号分解为包含高-低-高-低四个时间段的2个脉冲，利用DSP的高速定时中断精确控制每个脉冲的高低电平切换时刻；
2）对输出信号高低电平宽度精确测量，根据测量值一次性补偿因中断延迟造成的周期和相位误差；
3）扭矩/转速复合信号模拟器通过串口中断接收模型计算机输出的扭矩/转速特征时间参数，将其存储于一种先进先出缓冲区结构体中，主流程定时提取最新特征时间参数，得到两个低电平脉冲时间参数，在定时中断内，利用两个全局变量保护性更新同一个周期内的两个低电平脉冲时间参数，从而保证了模拟信号的周期完整性。
本发明的有益效果：相对于现有的基于微控制器的扭矩/转速复合信号电子模拟方法，本发明通过对扭矩/转速复合信号的周期分解，采用单一的定时中断控制实现了扭矩/转速复合信号的模拟，而且不需要额外的合成电路，节省了控制器的资源，信号模拟简洁高效；本发明基于对输出信号的精确测量来补偿因中断延迟造成的周期和相位误差，从而有效提高了信号模拟的精度；本发明不存在两路频率信号发生器的频率更新不同步的问题，而且在定时中断中对特征时间参数进行保护性更新，从而在保证扭矩/转速复合信号模拟实时性同时，避免了更新不当导致周期信号不完整的问题。
附图说明
附图1是本发明的输出扭矩/转速复合信号图。
附图2是本发明的发动机控制器硬件在环仿真试验系统框图。
附图3是本发明的软件流程图。
具体实施方式
一种用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟方法，可实现一种介于发动机仿真模型计算机与发动机电子控制器之间的扭矩/转速复合信号模拟器，该方法包括如下步骤：
1）将扭矩/转速复合信号的一个周期信号分解为包含高-低-高-低四个时间段的2个脉冲，利用DSP的高速定时中断精确控制每个脉冲的高低电平切换时刻；
2）对输出信号高低电平宽度精确测量，根据测量值一次性补偿因中断延迟造成的周期和相位误差；
3）扭矩/转速复合信号模拟器通过串口中断接收模型计算机输出的扭矩/转速特征时间参数，将其存储于一种先进先出缓冲区结构体中，主流程定时提取最新特征时间参数，得到两个低电平脉冲时间参数，在定时中断内，利用两个全局变量保护性更新同一个周期内的两个低电平脉冲时间参数，从而保证了模拟信号的周期完整性。
下面结合附图1～附图3对本发明的技术方案作进一步具体说明：
如图1所示，图1上方表示无扭矩时扭矩/转速复合信号模拟器输出的方波信号，图1下方则表示相同转速下扭矩偏转角为θ时所输出的方波信号。其中，T为功率输出轴转动半圈时的方波周期，其反应了转速大小；?T对应于相位偏差θ，即?T=T*θ/π，其反应了扭矩大小及方向。本方案将扭矩/转速复合信号的一个周期信号分解为包含高-低-高-低四个时间段的2个脉冲，通过T和?T计算两个低电平周期T1和T2，再利用DSP的高速定时中断精确控制每个脉冲的高低电平切换时刻，从而得到目标扭矩/转速复合信号。
如图2所示，用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟器首先通过串口中断接收模型计算机输出的包含扭矩/转速特征时间参数T和?T的数据帧，并将其保存在一个先进先出缓冲区结构体内。该先进先出缓冲区结构体是，串口中断接收到的数据依次存储于其中，主流程每隔规定的时间间隔从缓冲区内取出最新的包含周期T和相位差?T的完整数据帧，然后再进行数据处理,得到两个低电平脉宽值T1和T2,其值为：
T1=T/2-T0+?T;
T2=T/2-T0-?T;
其中T0为高电平脉宽，取一个相对于T较小的固定值。根据高低电平脉冲宽度，定时中断分别置相应的端口为高电平和低电平，从而模拟出所需扭矩/转速复合信号。在定时中断内，利用两个全局变量保护性更新同一个周期内的两个低电平特征时间参数T1和T2，从而避免了更新不当导致的周期信号不完整问题。在模拟出扭矩/转速复合信号之后，通过精密仪器对输出信号高低电平脉宽进行精确测量，比较目标值与测量值，并根据差值补偿因中断延迟造成的周期和相位误差。对于确定的软硬件环境，由于中断延迟造成的周期和相位的误差是一定的，因此只需补偿一次即可。
如图3所示，发动机控制器硬件在环仿真试验系统，其结构包括发动机仿真模型计算机、扭矩/转速复合信号模拟器、发动机电子控制器；其中扭矩/转速复合信号模拟器通过串口与发动机仿真模型计算机连接，接收扭矩/转速特征时间参数数据帧，返回应答数据帧；通过GPIO端口输出扭矩/转速复合信号到发动机电子控制器的输入端。
所述的发动机仿真模型计算机，是带串口的通用PC计算机，其运行发动机模型程序，产生扭矩/转速特征时间参数。
所述的扭矩/转速复合信号模拟器，由集成了数据信号处理器、串口收发器、中断控制器、定时器、GPIO端口的DSP芯片（是现有的）构成，其处理流程包括串口收发、数据处理、保护更新、定时器周期切换和高低电平输出。
所述的发动机电子控制器，是用于控制发动机的电子装置，其输入端连接扭矩/转速复合信号模拟器的GPIO端口，扭矩/转速复合信号。
发动机电子控制器是本发明的应用对象，可以是各种不同的发动机电子控
制器。
在程序运行机制上，采用前后台编程模式，让后台主流程运行在一个无限定时循环当中，中断服务程序作为前台程序运行，这样的运行机制保证了重要中断事件的响应速度，提高了软件的实时性。为了在通信过程中有效保护数据，模拟器将接受到的特征时间参数存储于一种先进先出缓冲区结构体中，并在主流程中根据缓冲区内数据长度及特征字，判断出具有完整数据帧的最新有效特征时间参数，提取该特征时间参数并清理缓冲区。这种方法保证了数据的完整性和更新的实时性。
所述的主流程定时处理接收缓冲区，是根据缓冲区内数据长度及特征字，判断出最新完整数据帧，提取最新有效特征时间参数并清理缓冲区，这种方法保证了数据的完整性和更新的实时性。
实施例
基于TMS320F28335开发的扭矩/转速复合信号模拟器
作为数字信号处理器，DSP芯片TMS320F28335具备强大数据处理能力和高运行速度，它的内部集成了数字信号处理器、串口收发器、中断控制器、定时器、GPIO端口，满足定时和通信要求。扭矩/转速复合信号模拟器硬件电路采用了核心板加底板架构，DSP核心板为DSP的最小系统，其外设以插座的形式预留给底板，而底板电路设计主要包括：USB转串口电路设计、电平转换电路(3.3V转5V)设计。
为减少串口通信时CPU的开销，DSP的串口支持16级接收FIFO，波特率为38400。具体通信协议如表1所示：总共7个字节，以0X55，0XAA开头，接着是两个字节的T和两个字节的?T（低位在前，高位在后），最后为和校验。
表1通信协议
区别于一般的串口接收算法，本模拟器的软件首先定义了一个先进先出缓冲区结构体，串口中断接收到的数据依次存储于其中，主流程定时检查缓冲区，提取最新有效的7个字节数据帧并清理缓冲区，然后再进行数据处理,得到两个低电平脉宽值T1和T2,其值为：
T1=T/2-T0+?T;
T2=T/2-T0-?T;
高电平脉宽值T0取一个相对于T较小的固定值，本实例中定为100μs。在明确了方波信号的高低电平脉宽值后，将其提供给定时中断服务程序，通过switch语句对GPIO进行交替置位，从而达到方波信号模拟的效果。此外，在定时器中断内，利用两个全局变量保护性更新同一个周期内的两个低电平特征时间参数，防止在一个周期内，低电平周期被篡改，从而保证了方波信号每个周期的完整性与正确性。
当扭矩/转速复合信号模拟器输出模拟方波波形后，利用精密示波器测量输出信号高低电平脉宽值，并将其与目标值作比较，在定时器中断程序中补偿因中断延迟造成的周期和相位的误差。在软硬件环境一定的情况下，由于中断延迟造成的周期和相位的误差保持不变，因此只需补偿一次即可。不同目标值时，补偿前后的脉宽值如表2所示。
表2
由表2可见，补偿前模拟信号的相对误差小于1%，而补偿后模拟信号的相对误差小于0.2%。补偿后的扭矩/转速模拟信号精度高，可以满足发动机控制器硬件在环仿真试验的需要。
Claims (4)
1.用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟方法，可实现一种介于发动机仿真模型计算机与发动机电子控制器之间的扭矩/转速复合信号模拟器，其特征是该方法包括如下步骤：
1）将扭矩/转速复合信号的一个周期信号分解为包含高-低-高-低四个时间段的2个脉冲，利用DSP的高速定时中断精确控制每个脉冲的高低电平切换时刻；
2）对扭矩/转速复合信号高低电平宽度精确测量，根据测量值一次性补偿因中断延迟造成的周期和相位误差；
3）扭矩/转速复合信号模拟器通过串口中断接收模型计算机输出的扭矩/转速特征时间参数，将其存储于一种先进先出缓冲区结构体中，主流程定时提取最新特征时间参数，得到两个低电平脉冲时间参数，在定时中断内，利用两个全局变量保护性更新同一个周期内的两个低电平脉冲时间参数，从而保证了模拟信号的周期完整性。
2.根据权利要求1所述的用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟方法，其特征是所述的提取最新特征时间参数，是根据缓冲区内数据长度及特征字，判断出具有最新完整数据帧，提取最新有效特征时间参数并清理缓冲区，这种方法保证了数据的完整性和更新的实时性。
3.根据权利要求1所述的用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟方法，其特征是所述的扭矩/转速复合信号模拟器通过串口与发动机仿真模型计算机连接，接收扭矩/转速特征时间参数数据帧，返回应答数据帧；通过GPIO端口输出扭矩/转速复合信号到发动机电子控制器的输入端。
4.根据权利要求3所述的用于发动机控制器硬件在环仿真的扭矩/转速复合信号模拟方法，其特征是所述的扭矩/转速复合信号模拟器，其结构由集成了数字信号处理器、串口收发器、中断控制器、定时器、GPIO端口的DSP芯片构成，其处理流程包括串口收发、数据处理、保护更新、定时器周期切换和高低电平输出。
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