【エンジン】制御に於ける物理値変換例【エアフロメータ】

【エンジン】制御に於ける物理値変換例【エアフロメータ】 エンジン
2020.05.08

はじめに

ECUによる制御をやっていると必ず付きまとうのが物理値変換。
簡単なところだと、以下がある。

  • センサの出力電圧をADCで受けて、それを具体的な物理量へ変換する
  • CAN経由で得た他ユニットのセンサ値を、具体的な物理量へ変換する

これらは単純に1次方程式(\(y=ax+b\))で変換できたり、テーブル、マップで変換できたりであまり悩むことは無い。
しかし、それでは物理量にならないものを存在する。

ここでは、エアフロメータを題材とする。
エアフロメータというセンサからどのようにして吸気流量という物理値が得られるかを解いていく。
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A8%E3%82%A2%E3%83%95%E3%83%AD%E3%83%A1%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC

エアフロメーター(英: air flow meter)はエンジンを電子制御する際の入力情報としてエンジンへの空気吸入量を計測する装置である。エアフロセンサーとも呼ばれ、省略してエアフロと呼ばれる場合もある。英語圏ではマスフローセンサー(英: Mass flow sensor, MAF)と呼ばれる場合がある。

Wikipediaより

物理値変換について

完成車メーカ各社でやや呼び方が違うことがある。

  • 物理値変換
  • 物理量変換
  • LSB変換
  • Bit/Scale
  • Bit/Scaling

基本的にはどれも一緒のことを言っていると思って良い。
しかし、
言葉の意味が物事の意味を指しているかと思えば、そうでもない。
おおよそ以下の意味を含んでいる。
「主制御が期待している入力情報の意味や精度」
「主制御が期待している出力情報の意味や精度」
(意味ってところがポイント)

センサー、ADC、物理値変換、主制御、物理値変換、DA、PWM、アクチュエータ、要は主制御が何を求めているかが重要になる。

吸気流量を得るための変換関数

  • エアフロメータから取得されるのは吸気流量ではなく、吸気流速である。
  • しかも、1秒間に透過する体積
  • よって、「体積から質量の変換」と「流速から流量の変換」が必要となる。
センサー、ADC、物理値変換、主制御、物理値変換、DA、PWM、アクチュエータ、吸気流速[L/sec]、吸気流量[g]、燃料噴射制御、燃料噴射量[g]、インジェクタ通電時間[sec]、パルス出力、インジェクタ


https://www.simulationroom999.com/blog/conversion-function/

【エンジン】吸気流量を得るための変換関数 【エアフロメータ】
エアフロメータから吸気流量を求める際の課題提起と必要なパラメータの宣言。これを元に変換の仕方を解いていく。 エアフロメータから取得されるのは吸気流量ではなく、吸気流速である。 しかも、1秒間に透過する体積 よって、「体積から質量の変換」と「流速から流量の変換」が必要となる。
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2020.05.04

吸気流量を得るための体積質量変換

  • 体積は圧力(気圧)、温度の影響を受けて変化する。
  • 体積と質量の変換はmolを経由すると楽ができる。
  • 演算回数が多いので、算出方法をある程度最適化しないと演算誤差が乗りやすくなる。
リットル、mol、g、22.7倍、28.966倍
【エンジン】吸気流量を得るための体積質量変換 【エアフロメータ】
エアフロメータから得られる吸気流速[L/sec]は体積ベースの流速になっている。これを質量ベースの吸気流速[g/sec]に変換する必要がある。その変換について記載している。 以下が実用的な式となる。 F(x,γ)=1.276[g/L]×x[L/sec]/γ[-]
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2020.05.05

吸気流量を得るための流速流量変換

  • 流速は流量の変化量である
  • よって、流量を得るには流速を積分する必要がある
  • しかし、エアフロメータからのセンサ値取得タイミングや実際の吸気工程のタイミングを意識した積分が必要。
吸気流量おｎ時間当たりの増加量が吸気流速となる。G_air、ΔG_air、Δt,t
【エンジン】吸気流量を得るための流速流量変換 【エアフロメータ】
エアフロメータから得られる流速から流量を得るための関数を求める。 流速は流量の変化量である よって、流量を得るには流速を積分する必要がある しかし、エアフロメータからのセンサ値取得タイミングや実際の吸気工程のタイミングを意識した積分が必要。
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2020.05.06

吸気流量を得るための吸気流速吸気流量変換

  • 必要な関数を大まかに分解し、それぞれを特定することはできる。
  • そして、それぞれを合成して目的の関数を得ることができる。
  • これがモデルベース開発の最も基本的な考え方となる。
吸気流速V_air[L/sec]、F(x)、G(x)、吸気流量G_air[g]、吸気流速V_air[L/sec]、吸気流速M_air[g/sec]、体積質量変換、流速流量変換
吸気流速V_air[L/sec]、F(x)、G(x)、吸気流量G_air[g]、吸気流速V_air[L/sec]、吸気流速M_air[g/sec]、体積質量変換、流速流量変換
【エンジン】吸気流量を得るための吸気流速吸気流量変換 【エアフロメータ】
前回までに導出した「体積ベース流速から質量ベース流速変換」と「流速から流量変換」を合成して、エアフロメータから吸気流量を算出する。 必要な関数を大まかに分解し、それぞれを特定することはできる。 そして、それぞれを合成して目的の関数を得ることができる。 これがモデルベース開発の最も基本的な考え方となる。
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2020.05.07

吸気流量を得るための仕様化

  • 積分仕様は移動平均で表現されることが多い。
  • 処理負荷の都合で演算が移動することが多い。
  • 演算の移動や最適化の結果、元の数式が影も形も残らないことが多い。
吸気流量変換モデル例。クランク角30[deg]毎処理、大気圧P_A[mmHg]、大気温度T_A[degC]、エアフロ出力電圧V_AFM[V]、吸気流速M_Air[g/sec]、2TDC間吸気流速平均、電圧[V]→体積流速[L/sec]→質量流速[]g/sec]、処理負荷低減を考えると移動平均を先にして、MAP検索をTDC処理が和にもってくるかも。体積質量変換ではなく、時間の概念を含む流速流量変換[L/sec]→[L]を先にした方が処理的にはお得感がある。
【エンジン】吸気流量を得るための仕様化 【エアフロメータ】
前回に導出し「エアフロメータから吸気流量算出関数」を仕様化ことSimulinkモデル化する。論理モデルと実装モデルに分けて解説。 積分仕様は移動平均で表現されることが多い。 処理負荷の都合で演算が移動することが多い。 演算の移動や最適化の結果、元の数式が影も形も残らないことが多い。
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2020.05.08

まとめ

  • 物理値変換を考える際は主制御要求を起点に考える
  • 主制御要求とセンサ情報に乖離がある場合は、物理量変換で分けて考える
    • 体積⇔質量：\(mol\)を利用した相互変換
    • 速度⇔量：微積分を利用した相互変換
  • 外部の影響を考える
    • 体積へ影響 ⇒ 温度、圧力
  • 時間次元も物理値変換の対象と考える
    • 時間の問題は時間を利用して解決することができる。
      • \(Δ/Δt\)を利用するなど
  • 「論理モデル」と「実装モデル」と「実装」はそれぞれの都合(処理負荷/精度)により異なることが多い。
    • 各種変換が見た目上、溶けて消えることがある。
    • 演算結果精度都合で物理値変換仕様を変えることもある。

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