阶比跟踪技术在车用发动机信号处理中的应用

阶比跟踪技术在车用发动机信号处理中的应用

在对车辆驾驶员在线状态监测和故障诊断的情况下，通常使用悬挂噪声、盖板振动、外部卡压、发出点和瞬时速等信号来诊断故障。这些信号不仅主要频率成分相差很大,而且与转速有着密切的关系,例如振动信号的范围一般在15kHz以下,排气噪声一般在300Hz以下。若发动机转速为3000r/min,飞轮齿数为129,则磁电式转速传感器信号频率为6450Hz,若用来作为阶比跟踪的鉴相脉冲信号,为保证角域重采样的采样精度,采样频率须达到40～60kHz。另外,由于发动机转速在车辆行驶时可能随时变化,因此,测得的各种信号往往是非稳态的。这些信号如果用传统的等时隙方法采集,在时域或频域进行分析往往达不到理想的效果。阶比分析技术可很好地分析与转速相关的信号,但在实际阶比分析时需要对信号进行阶比跟踪滤波。作为一种时变滤波,阶比跟踪滤波器无论是从硬件还是软件实现都较为困难。因此,本研究在分析了发动机各种信号的特点后,利用软件和硬件相配合的变采样率变采样阶比的阶比跟踪技术,避免了繁琐的阶比跟踪滤波,实现了基于嵌入式系统的发动机实车状态在线监测。1发动机采用轴转速跟踪阶比定义为参考轴1r内发生的循环振动次数。o=循环振动次数/r(阶)。(1)阶比与对应振动频率的关系为f=o×n60f=o×n60。(2)式中:o为阶比;n为参考轴转速。由上式可以看出,阶比可很好地表示与转速有关的振动信号。对发动机排气噪声信号进行阶比跟踪后,其阶比谱具有明显的意义,排气噪声中最强的主要阶比由式(3)决定:oi=cτioi=cτi。(3)式中:i为谐波次数(i=1,2,3,…);c为气缸数;τ为行程系数(四行程机τ=2;二行程机τ=1)。对于发动机缸盖振动信号,各缸燃爆、气门开启及关闭所引起的振动冲击总是出现在曲轴的同一转角位置,因此,对缸盖振动信号进行等角域采样就可以消除转速波动的影响,准确定位到燃爆和气门开启及关闭的冲击信号。同理,在角域分析外卡油压信号与在时域分析相比具有更高的精度。2在线支持系统的硬件结构2.1转换芯片的设计发动机状态在线监测系统硬件结构见图1,根据采样通道数的多少可外扩1片或多片AD7606模数转换芯片。系统硬件体积小,核心电路部分面积仅6×9cm2,能够适应车辆内部空间有限的特点。2.2不同通道同重采样图2示出了监测系统某一通道信号采样阶比与抗混叠滤波器截止频率及转速的关系。图中:fc为抗混叠滤波器的截止频率;nmin为发动机最低转速;o1,o2分别为1阶比和2阶比成分;os为采样阶比。由阶比采样定理可知,图2中斜线阴影部分的阶比成分是发生阶比混叠的成分,其余部分则满足阶比采样定理。如果采集的信号包含斜线阴影部分的成分,在阶比重采样时必须要用阶比跟踪滤波将其去除才能保证不发生阶比混叠。而阶比跟踪滤波属于时变滤波,不仅算法复杂,而且容易在原始信号中加入畸变或干扰。由于发动机有最低转速nmin,因此当发动机运行时,某一通道以截止频率fc采集到的信号频率范围如图2中矩形阴影部分所示。由阶比采样定理知,只要os/2以下的阶比成分能够完全包含矩形阴影部分,则等时隙采集的原始信号在以采样阶比os重采样时,不用阶比跟踪滤波也不会发生频率混叠。由式2及图2可知,满足上述要求的关键在于原始信号率f在等时隙采样时,抗混叠滤波截止频率fc要小于os/2阶比在最低转速nmin时对应的频率fmin,即fc<fmin,fmin=os2×nmin60fmin=os2×nmin60。(4)设发动机最低转速为600r/min,排气噪声信号通道抗混叠滤波器截止频率为500Hz,则由式(4)可知,排气噪声信号角域重采样阶比osp应满足osp>100。对于缸盖振动信号,设其抗混叠滤波器截止频率为15kHz,则由式(4)可知,缸盖振动信号角域重采样阶比osg应满足osg>3000。同理,对于其他通道信号也可以依次推算出其合适的等时隙采样率、抗混叠滤波器截止频率及角域重采样阶比。因为系统要求各通道信号要同步采样,且AD7606模数转换器8个通道只有2个采样触发引脚,故将这2个采样触发引脚一起连到DSP端的1个通用I/O口以实现同步采样。由于各通道频率成分、截止频率及重采样阶比都不同,因此,本研究利用软件设置来实现不同通道不同采样率同步采样,具体原理如下。将各通道信号按采样率由小到大进行排序:f1=f,f2=2n2f,……f8=2n8f;(5)T1=1f,T2=12n2f,⋯⋯T8=12n8fΤ1=1f,Τ2=12n2f,⋯⋯Τ8=12n8f;(6)Tc=N1T1=N2T2=……=N8T8。(7)式中:fi为第i个通道采样频率,其中f1=f为最低采样率;Ti为第i个通道采样点时间间隔,其中T8最小;2ni为第i个通道相对于最低采样率的倍数;Ni为第i个通道在总采样时间Tc内采集到的点数,其中N1最小。程序运行流程见图3至图4。图中J1～J8分别为1～8通道采集信号时的标志位,其最大值分别为N1～N8。Tp1～Tp8初始时设为T1～T8,每次8通道同步采样后与最短采样周期T8做减法,再与0作比较,以判断本次采样值是否达到本通道采样周期Ti。若达到则将数据存入本通道的信号数组Xi中。Xi(Ji)为第i个通道采集到的第Ji个数据。图4用于判别暂存数据tempi是否存入第i通道数组。E和F为无任何实际意义的变量,因为采样时每条程序语言都占用一定的时间延迟,利用E和F写的3条赋值语言的时延与存储数据时3条语言的时延一样,保证了原始信号的等时隙采样。各通道采样率f1～f8确定后,抗混叠滤波器截止频率fc1～fc8即可确定,再由式(4)确定出第i个通道在阶比跟踪时的重采样阶比osi。阶比跟踪具体步骤如下。(1)先计算出磁电式转速传感器信号的上升沿过零点时间数组,并作为鉴相脉冲信号。设发动机飞轮齿数为z,则发动机曲轴1r有z个鉴相脉冲信号。设发动机曲轴转角θ与时间t在相邻的3个鉴相脉冲内的关系为θ(t)=b0+b1t+b2t2。(8)式中:b0,b1,b2为待定系数。在时域中,设1个鉴相脉冲间隔对应的轴转角增量为Δφ,则式(8)中待定系数b0,b1,b2可以通过3个连续的鉴相脉冲到达时间t0,t1,t2得到,易知:⎧⎩⎨⎪⎪θ(t1)=0θ(t2)=Δφθ(t3)=2Δφ{θ(t1)=0θ(t2)=Δφθ(t3)=2Δφ。(9)(2)将式(9)代入式(8)得:⎡⎣⎢0Δφ2Δφ⎤⎦⎥=⎡⎣⎢⎢111t1t2t3t21t22t23⎤⎦⎥⎥⎡⎣⎢b0b1b2⎤⎦⎥[0Δφ2Δφ]=[1t1t121t2t221t3t32][b0b1b2]。(10)将3个逐次到达的脉冲时间点t1,t2,t3代入式(10),可以求出b0,b1,b2的值,再代入式(8)即可求出恒定角增量Δθ所对应的时间t:t=12b2[4b2(kΔθ−b0)+b21−−−−−−−−−−−−−−−√−b1]t=12b2[4b2(kΔθ-b0)+b12-b1]。(11)式中:k为插值系数,k=1,2,…Δφ/Δθ;Δθ为等角度重采样的角域间隔。Δθ2πosiΔθ2πosi。(12)(3)利用第i通道在采样阶比osi下求得的插值时刻t,对第i通道在采样频率fi下采得的原始信号进行插值,得到的序列即为等角域重采样信号。(4)对各通道的等角域重采样信号进行FFT变换,即可得到信号的阶比谱。直接在角域对这些信号在发动机多个工作周期之间进行参数平均、信号平均或进行Hilbert包络分析,即可准确在角域定位燃爆、气门开启、气门关闭、喷油开始和上止点等时刻,提取这些时刻的角域值或这些时刻信号的某些参数,即可用于发动机相应性能的评判及故障诊断。3未通过同步采样来检测角域信号试验用机为F3L9123缸四行程柴油机,发火顺序为1—2—3,飞轮齿数为129。在发动机正常工况下,由式(3)计算得到排气噪声主要阶比成分o1=1.5,o2=3。从图5可以看出计算值与实测值相符。而对排气噪声作频谱分析则会发现由于变速时信号是非稳态的,所以频率成分存在严重的“频率涂抹”现象,无法进行准确分析。同理,在发动机第1缸和第3缸失火后,排气噪声主要阶比成分o1=0.5,o2=1。观察图6可以看出计算值与实测值也相符。从图7可以看出,在对第2缸外卡油压信号进行等角域采样后,信号的周期性更强了,原始信号周期间的相对误差为ey=Ty1−Ty2(Ty1+Ty2)/2=ey=Τy1-Τy2(Τy1+Τy2)/2=0.1122−0.0972(0.1122+0.0972)/2×100%=14.3%0.1122-0.0972(0.1122+0.0972)/2×100%=14.3%。而角域信号周期恒定为720°曲轴转角,周期间的相对误差为ed=Td1−Td2(Td1+Td2)/2=720−720(720+720)/2×100%=0%ed=Τd1-Τd2(Τd1+Τd2)/2=720-720(720+720)/2×100%=0%。图8示出了与图7中的信号同步采集的第1缸缸盖振动信号及其角域信号的Hilbert包络。同理可以求出第1缸燃爆冲击周期的相对误差:ey=Ty1−Ty2(Ty1+Ty2)/2=0.1114−0.0972(0.1114+0.0972)/2×100%=13.8%,ey=Τy1-Τy2(Τy1+Τy2)/2=0.1114-0.0972(0.1114+0.0972)/2×100%=13.8%,ed=Td1−Td2(Td1+Td2)/2=ed=Τd1-Τd2(Τd1+Τd2)/2=720.5−720(720.5+720)/2×100%=0.07%720.5-720(720.5+720)/2×100%=0.07%。由上述分析可以看出,对外卡油压信号、缸盖振动及上止点等信号进行阶比跟踪后,通过程序很容易对喷油、燃爆、气门开启、气门关闭、上止点等信号的角度及幅值进行准确定位,进而对供油提前角、喷油压力、燃烧状况及配气相位等信息进行在线监