CN105298644B - 基于状态机的曲轴信号流程式处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于状态机的曲轴信号流程式处理方法及装置，其特征是，处理方法如下：（1）发动机钥匙上电待机，状态机进入暂停状态；（2）启动发动机由暂停状态进入等待信号沿状态，检测曲轴信号沿；（3）检测到曲轴信号沿后，进入消抖状态；（4）经过消抖时间，状态机进入忽略消抖后首个信号沿状态；（5）检测到信号沿，进入忽略数个信号沿状态；（6）ECU中计数器记录在此状态下获取的信号沿个数大于等于设置的忽略信号沿个数时，进入等待缺齿状态；（7）首次发现缺齿时，进入发现缺齿状态，最终输出单齿齿宽、齿数、转角角度、转速等曲轴信号特征参数。本发明实现曲轴信号合理准确高效地运算及输出，并提高曲轴信号状态判断的可靠性。

Description

基于状态机的曲轴信号流程式处理方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于状态机的曲轴信号流程式处理方法及装置，尤其是一种基于状态机的电控柴油发动机曲轴信号流程式处理方法及曲轴信号获取装置，属于柴油发动机电控系统的机电控制技术领域。

背景技术

曲轴信号传感器是柴油机电控系统中最重要的传感器之一，用于检测曲轴转角位移或转速。由于发动机曲轴信号盘机加工误差、信号盘污损带来的信号误差、偶然的高频信号干扰、曲轴实际转速瞬变（常温/低温启动、随机的加速/减速、单缸做功不均）等，均可对曲轴信号的稳定性、可靠性产生较大影响。但现有已公布方法及装置中，均未能针对上述问题，实现曲轴信号处理过程的全面解决方案设计或系统化的合理处理状态流程设计。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于状态机的曲轴信号流程式处理方法及装置，使用状态机对多种状态、不同模式下曲轴信号进行控制处理，实现曲轴信号合理准确高效地运算及输出，并提高曲轴信号状态判断的可靠性，增加了系统的容错能力。

按照本发明提供的技术方案，所述曲轴信号获取装置，其特征是：包括曲轴信号盘、曲轴信号传感器和发动机电控单元ECU，曲轴信号盘的边缘为齿圈，曲轴信号传感器设置于曲轴信号盘的一侧，曲轴信号传感器通过发动机线束连接发动机电控单元ECU；所述曲轴信号盘的齿圈的总齿数为m，该m个齿中具有n个连续的缺齿，m－n个正常齿。

所述基于状态机的曲轴信号流程式处理方法，其特征是，处理方法如下：

（1）发动机钥匙上电待机，赋予曲轴信号模块初值参数，状态机进入暂停状态；

（2）启动发动机，状态机由暂停状态进入等待信号沿状态，检测曲轴信号沿；

（3）状态机检测到一个曲轴信号沿后，进入消抖状态；

（4）ECU中时钟计时经过消抖时间，状态机进入忽略消抖后首个信号沿状态；

（5）消抖后检测到信号沿，进入忽略数个信号沿状态，记录单齿齿宽，计算发动机瞬时转速；

（6）在忽略数个信号沿状态下，ECU中计数器记录获取的信号沿个数大于等于设置的忽略信号沿个数时，进入等待缺齿状态；

（7）首次发现缺齿时，进入发现缺齿状态；运行工况下，无曲轴信号故障时，状态机最终处于发现缺齿状态。

在所述等待缺齿状态下，曲轴信号滤波方法如下：

①使用低通滤波时间滤波，若单齿齿宽小于此转速下的低通滤波时间，则认为此信号为高频干扰信号，予以滤除；

②使用合理性窗口滤波，通过上一次的齿宽数据来预测下一有效边沿发生的时刻，并在该时刻前后各设置一时间而形成窗口；若曲轴信号沿不在窗口内，则认为此信号沿出现是不合理的，予以滤除。

所述等待缺齿状态下结合曲轴信号滤波进行正常齿、缺齿判断流程如下：

进行S402低通滤波算法：当前单齿齿宽＞当前转速下低通滤波时间；满足，则进行S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法；否，则进行S404，为高频干扰信号，记录错误，过滤；

S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法为：前一齿单齿齿宽×正常齿窗口下限系数＜当前单齿齿宽＜前一齿单齿齿宽×正常齿窗口上限系数；满足，则记录为S405正常齿；否，则进行S406缺齿齿合理性窗口滤波及判断算法；

S406缺齿齿合理性窗口滤波及判断算法为：前一齿单齿齿宽×缺齿窗口下限系数＜当前单齿齿宽＜前一齿单齿齿宽×缺齿窗口上限系数；满足，则进行S407缺齿验证算法；否，则进行S408，为不合理信号，记录错误，过滤；

S407缺齿验证算法为：当前单齿齿宽/前一齿单齿齿宽＞此机型阀值1，且后一齿单齿齿宽/当前单齿齿宽＜此机型阀值2；满足，则记录为S409缺齿；否，则进行S410，为不合理信号，记录错误，过滤。

在所述发现缺齿状态下，由凸轮轴判缸信号配合确定曲轴绝对齿号，进行S402低通滤波算法，正常齿执行S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法，其中缺齿后第一个正常齿合理性窗口由缺齿齿宽/（n+1）×正常齿窗口上下限系数组成，记录正常齿个数；缺齿执行S406缺齿合理性窗口滤波及判断算法，并运用S407缺齿验证算法在缺齿处验证，记录缺齿个数。

在所述等待缺齿、发现缺齿状态下，对获得的正常齿或缺齿按如下流程操作，输出单齿齿宽、正常齿齿数、缺齿齿数、精确的曲轴转角角度、单齿瞬时转速、发动机平均转速等曲轴信号特征参数；具体流程为：

通过S405正常齿进行S501正常齿计数、S502正常齿细分和S505正常齿齿宽；通过S409缺齿进行S503缺齿细分、S506缺齿齿宽和S504缺齿计数；

由S502正常齿细分和S503缺齿细分输出S507细分计数，由S507细分计数输出S508精确的曲轴转角角度，由S508精确的曲轴转角角度输出S509角度缓存；

由S505正常齿齿宽和S506缺齿齿宽输出S511时间缓存；由S505正常齿齿宽、S506缺齿齿宽和S510单齿角度输出S512单齿瞬时转速；

由S509角度缓存和S511时间缓存输出S513发动机平均转速。

所述等待信号沿、忽略消抖后首个信号沿、忽略数个信号沿、等待缺齿、发现缺齿状态下出现无信号或不满足条件的信号、正常齿或缺齿齿数计数与信号盘齿数不一致时，故障置位，后进入初始化状态。

所述暂停状态时，存在曲轴位置传感器信号故障，进入备用模式，使用凸轮轴位置传感器信号辅助系统工作。

本发明具有以下优点：

（1）本发明通过状态机控制，使曲轴信号处理系统化流程化，并且合理、高效；

（2）本发明通过状态机及主要的转变步骤（暂停/消抖/低通滤波/合理性判断/单个信号倍频细分/计算输出等）配合，提高了曲轴信号判定的可靠性；

（3）本发明通过状态机状态显示，可以明确曲轴信号处理进程。出现故障时，能简单的找到故障点；

（4）本发明无需发动机本体部件改动，只要配套本装置及处理流程（电控单元ECU的硬件及软件设置），即可推广适应搭载电子调速、电控单体泵、电控分配泵、蓄压分配式共轨、高压共轨等燃油系统的各类电控柴油机型，成本低。

附图说明

图1为本发明所述曲轴信号获取装置的示意图。

图2为 基于状态机的曲轴信号处理流程示意图。

图3为电控柴油发动机曲轴信号状态机的示意图。

图4为曲轴信号滤波和正常齿、缺齿判断流程图。

图5为曲轴信号处理和特征参数输出流程图。

图6为电控柴油发动机曲轴信号状态机时序图。

图7为正常齿合理性窗口和缺齿合理性窗口示意图。

图8a为低通滤波时间曲线。

图8b为正常齿、缺齿窗口滤波系数曲线。

图1中：曲轴信号盘101、正常齿102、缺齿103、曲轴信号传感器104、发动机线束105、发动机电控单元ECU106。

图8a中X轴为发动机转速，Y轴为滤波时间；图8b中X轴为发动机转速，Y轴为合理性窗口系数。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1所示：所述曲轴信号获取装置包括曲轴信号盘101、曲轴信号传感器104和发动机电控单元ECU106，曲轴信号盘101的边缘为齿圈，曲轴信号传感器104设置于曲轴信号盘101的一侧，曲轴信号传感器104通过发动机线束105连接发动机电控单元ECU106；所述曲轴信号盘101的齿圈的总齿数为m，该m个齿中具有n个连续的缺齿103，m－n个正常齿102。

所述发动机电控单元ECU硬件电路已设置需要捕获的曲轴方波信号触发沿（上升沿或下降沿）类型，即信号沿，检测n个连续缺齿时需要触发沿，触发沿为上升沿时缺齿定义为n个连续缺齿与之前的一个正常齿组成的完整齿；触发沿为下降沿时缺齿定义为n个连续缺失齿与之后的一个正常齿组成的完整齿。

通过所述曲轴信号获取装置基于状态机的曲轴信号处理流程如图2所示， 曲轴信号传感器获取模拟信号，ECU硬件电路对由曲轴信号传感器获取的模拟信号进行模数转换、电路放大、信号整形，通过状态机及其参数配置对曲轴方波信号进行低通滤波、合理性窗口滤波、正常齿和缺齿判断、缺齿验证、单齿细分、数据缓冲等处理，最终输出单齿齿宽、齿数、转角角度、转速等曲轴信号特征参数。

图3为曲轴信号状态机，图3中实线箭头表示曲轴信号正常时的流程，曲轴无信号或信号不满足要求时，回到初始化状态或备用模式状态的流程，以虚线表示。结合状态机对曲轴信号流程式处理方法如下：

（1）发动机钥匙上电待机，赋予曲轴信号模块所有初值参数，状态机直接进入暂停状态。

（2）启动发动机，由暂停状态进入等待信号沿状态，检测曲轴信号沿。

（3）检测到一个曲轴信号沿后，进入消抖状态。

（4）ECU中时钟计时经过消抖时间，进入忽略消抖后首个信号沿状态。

（5）消抖后检测到信号沿，进入忽略数个信号沿状态，记录单齿齿宽（正常齿或缺齿），计算发动机瞬时转速。

（6）在忽略数个信号沿状态下，ECU中计数器记录获取的信号沿个数大于等于设置的忽略信号沿个数时，进入等待缺齿状态。

在等待缺齿状态下，曲轴信号滤波方法如下：

①根据发动机转速使用不同的低通滤波时间滤波，若单齿齿宽小于此转速下的低通滤波时间，则认为此信号为高频干扰信号，予以滤除；

②根据发动机转速使用不同合理性窗口滤波，通过上一次的齿宽数据来预测下一有效边沿发生的时刻，并在该时刻前后各设置一时间而形成窗口；若曲轴信号沿不在窗口内，则认为此信号沿出现是不合理的，予以滤除。

结合上述两种曲轴信号滤波进行正常齿、缺齿判断流程如图4所示，其中：

S401为当前单齿齿宽；

S402低通滤波算法：当前单齿齿宽＞当前转速下低通滤波时间；是，则进行S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法；否，则进行S404，为高频干扰信号，记录错误，过滤；

S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法为：前一齿单齿齿宽×正常齿窗口下限系数＜当前单齿齿宽＜前一齿单齿齿宽×正常齿窗口上限系数；是，则记录为S405正常齿；否，则进行S406缺齿齿合理性窗口滤波及判断算法；

S406缺齿齿合理性窗口滤波及判断算法为：前一齿单齿齿宽×缺齿窗口下限系数＜当前单齿齿宽＜前一齿单齿齿宽×缺齿窗口上限系数；是，则进行S407缺齿验证算法；否，则进行S408，为不合理信号，记录错误，过滤；

S407缺齿验证算法：当前单齿齿宽/前一齿单齿齿宽＞此机型阀值1，且后一齿单齿齿宽/当前单齿齿宽＜此机型阀值2，阀值1、2由试验数据得到；是，则记录为S409缺齿；否，则进行S410，为不合理信号，记录错误，过滤。

（7）根据步骤（6），首次发现缺齿时，进入发现缺齿状态；运行工况下，无曲轴信号故障时，曲轴信号状态机最终处于发现缺齿状态；在发现缺齿状态下，由凸轮轴判缸信号配合确定曲轴绝对齿号，进行S402低通滤波算法，正常齿执行S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法，其中缺齿后第一个正常齿合理性窗口由缺齿齿宽/（n+1）×正常齿窗口上下限系数组成，记录正常齿个数；缺齿执行S406缺齿合理性窗口滤波及判断算法，并运用S407缺齿验证算法在缺齿处验证，记录缺齿个数。

（8）等待缺齿、发现缺齿状态下，对获得的正常齿或缺齿按图5操作，输出单齿齿宽、正常齿齿数、缺齿齿数、精确的曲轴转角角度、单齿瞬时转速、发动机平均转速等曲轴信号特征参数；具体流程为：

通过S405正常齿进行S501正常齿计数、S502正常齿细分和S505正常齿齿宽；通过S409缺齿进行S503缺齿细分、S506缺齿齿宽和S504缺齿计数；

由S502正常齿细分和S503缺齿细分输出S507细分计数，由S507细分计数输出S508精确的曲轴转角角度，由S508精确的曲轴转角角度输出S509角度缓存；

由S505正常齿齿宽和S506缺齿齿宽输出S511时间缓存；由S505正常齿齿宽、S506缺齿齿宽和S510单齿角度输出S512单齿瞬时转速；

由S509角度缓存和S511时间缓存输出S513发动机平均转速。

（9）如果在等待信号沿、忽略消抖后首个信号沿、忽略数个信号沿、等待缺齿、发现缺齿状态下出现无信号或不满足条件的信号、正常齿或缺齿齿数计数与信号盘齿数不一致时，故障置位，后进入初始化状态。

（10）如果在暂停状态时，存在曲轴位置传感器信号故障，进入备用模式，使用凸轮轴位置传感器信号辅助系统工作。

实施例：

以一种电控柴油发动机，60－2曲轴信号盘为例进行具体实施方式的说明，总齿数为60，缺齿数为2。以方波下降沿作为信号触发沿。

发动机启动前，系统初始化后进入暂停状态。如图6所示为发动机在启动时及启动后运行工况下曲轴信号时序图。发动机在启动瞬间，ECU获得钥匙开关启动信号，状态机离开暂停状态，但是硬件并未捕获有效可信的曲轴信号下降沿，此时处于等待信号沿状态A。

当捕获到一次下降沿时，进入消抖状态B，设置消抖时间t’，防止因为转速低，信号波形不稳定。

经过消抖时间t’后，进入等待消抖后首个信号沿状态C。此状态C的作用是滤除消抖状态后产生的半齿。

在等待消抖后首个信号沿状态C下，捕获到一次下降沿，进入忽略数个信号沿状态D。此状态D下记录单齿齿宽t_inc，并根据单齿齿宽计算得到发动机瞬时转速。

忽略数个信号沿状态D下检测到的信号沿大于等于忽略信号沿个数设置值k时，进入等待缺齿状态E。在此状态E下，执行低通滤波；图8a中，根据发动机转速设置不同低通滤波时间t₁，当单齿齿宽小于等于t₁时，滤除此信号。同时，设置不同发动机转速下正常齿与缺齿窗口上下限系数来判断是正常齿与缺齿，并滤除窗口外不可信的信号。结合图7、图8b，当前单齿齿宽T_a，正常齿合理性窗口下限系数f₁，上限系数f₂，则正常齿合理性窗口下限T_c=T_a×f₁，上限T_d=T_a×f₂，T_b为实际下一齿的单齿齿宽，若满足T_c＜T_b＜T_d，则判定此齿为正常齿。若当前单齿齿宽为T_e，缺齿合理性窗口下限系数f₃，上限系数f₄，则缺齿合理性窗口下限T_f=T_e×f₃，上限T_h=T_e×f₄，缺齿后一齿齿宽T_j，如果下一齿齿宽T_g满足T_f＜T_g＜T_h且满足验证算法T_g/T_e＞2和T_j/T_g＜1/2，判定为缺齿。

找到曲轴缺齿后，进入发现缺齿状态F。运行工况下，曲轴信号无故障时，曲轴信号状态机最终处于发现缺齿状态，进行低通滤波，针对普通齿齿号处使用普通齿窗口滤波，缺齿齿号处使用缺齿窗口滤波同时使用缺齿验证算法验证。

状态机处于等待缺齿、发现缺齿时，对经过上述滤波的曲轴正常齿和缺齿信号，按照流程图5 对信号进行细分、计时，最终输出单齿齿宽、正常齿齿数、缺齿齿数、精确的曲轴转角角度、单齿瞬时转速、发动机平均转速等曲轴信号特征参数。

Claims (3)

1.一种基于状态机的曲轴信号流程式处理方法，其特征是，处理方法如下：

（1）发动机钥匙上电待机，赋予曲轴信号模块初值参数，状态机进入暂停状态；

（2）启动发动机，状态机由暂停状态进入等待信号沿状态，检测曲轴信号沿；

（3）状态机检测到一个曲轴信号沿后，进入消抖状态；

（4）ECU中时钟计时经过消抖时间，状态机进入忽略消抖后首个信号沿状态；

（5）消抖后检测到信号沿，进入忽略数个信号沿状态，记录单齿齿宽，计算发动机瞬时转速；

（6）在忽略数个信号沿状态下，ECU中计数器记录获取的信号沿个数大于等于设置的忽略信号沿个数时，进入等待缺齿状态；

（7）首次发现缺齿时，进入发现缺齿状态；运行工况下，无曲轴信号故障时，状态机最终处于发现缺齿状态；

在所述等待缺齿状态下，曲轴信号滤波方法如下：

①使用低通滤波时间滤波，若单齿齿宽小于此转速下的低通滤波时间，则认为此信号为高频干扰信号，予以滤除；

②使用合理性窗口滤波，通过上一次的齿宽数据来预测下一有效边沿发生的时刻，并在该时刻前后各设置一时间而形成窗口；若曲轴信号沿不在窗口内，则认为此信号沿出现是不合理的，予以滤除；

所述等待缺齿状态下结合曲轴信号滤波进行正常齿、缺齿判断流程如下：

进行S402低通滤波算法：当前单齿齿宽＞当前转速下低通滤波时间；满足，则进行S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法；否，则进行S404，为高频干扰信号，记录错误，过滤；

S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法为：前一齿单齿齿宽×正常齿窗口下限系数＜当前单齿齿宽＜前一齿单齿齿宽×正常齿窗口上限系数；满足，则记录为S405正常齿；否，则进行S406缺齿齿合理性窗口滤波及判断算法；

S406缺齿齿合理性窗口滤波及判断算法为：前一齿单齿齿宽×缺齿窗口下限系数＜当前单齿齿宽＜前一齿单齿齿宽×缺齿窗口上限系数；满足，则进行S407缺齿验证算法；否，则进行S408，为不合理信号，记录错误，过滤；

S407缺齿验证算法为：当前单齿齿宽/前一齿单齿齿宽＞此机型阀值1，且后一齿单齿齿宽/当前单齿齿宽＜此机型阀值2；满足，则记录为S409缺齿；否，则进行S410，为不合理信号，记录错误，过滤；

在所述发现缺齿状态下，由凸轮轴判缸信号配合确定曲轴绝对齿号，进行S402低通滤波算法，正常齿执行S403正常齿合理性窗口滤波及判断算法，其中缺齿后第一个正常齿合理性窗口由缺齿齿宽/（n+1）×正常齿窗口上下限系数组成，记录正常齿个数；缺齿执行S406缺齿合理性窗口滤波及判断算法，并运用S407缺齿验证算法在缺齿处验证，记录缺齿个数；

在所述等待缺齿、发现缺齿状态下，对获得的正常齿或缺齿按如下流程操作，输出单齿齿宽、正常齿齿数、缺齿齿数、精确的曲轴转角角度、单齿瞬时转速、发动机平均转速等曲轴信号特征参数；具体流程为：

通过S405正常齿进行S501正常齿计数、S502正常齿细分和S505正常齿齿宽；通过S409缺齿进行S503缺齿细分、S506缺齿齿宽和S504缺齿计数；

由S502正常齿细分和S503缺齿细分输出S507细分计数，由S507细分计数输出S508精确的曲轴转角角度，由S508精确的曲轴转角角度输出S509角度缓存；

由S505正常齿齿宽和S506缺齿齿宽输出S511时间缓存；由S505正常齿齿宽、S506缺齿齿宽和S510单齿角度输出S512单齿瞬时转速；

由S509角度缓存和S511时间缓存输出S513发动机平均转速。

2.如权利要求1所述的基于状态机的曲轴信号流程式处理方法，其特征是：所述等待信号沿、忽略消抖后首个信号沿、忽略数个信号沿、等待缺齿、发现缺齿状态下出现无信号或不满足条件的信号、正常齿或缺齿齿数计数与信号盘齿数不一致时，故障置位，后进入初始化状态。

3.如权利要求1所述的基于状态机的曲轴信号流程式处理方法，其特征是：所述暂停状态时，存在曲轴位置传感器信号故障，进入备用模式，使用凸轮轴位置传感器信号辅助系统工作。