柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)濾波電路的三次設(shè)計

馬強，梅衛(wèi)江，石秀峰，吳疆，單志鵬

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院／新疆兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點實驗室，石河子832003）

長期以來，降低柴油機(jī)燃油消耗和減少有害物排放是人們關(guān)注的熱點，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更是如此。柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械及各種小型動力裝置中的應(yīng)用廣泛，且對我國農(nóng)業(yè)機(jī)械起到至關(guān)重要的作用，其中S195柴油機(jī)是農(nóng)用機(jī)械，尤其是小四輪拖拉機(jī)和農(nóng)用機(jī)械的主要動力［1－2］。農(nóng)用柴油機(jī)的節(jié)能減排對提高農(nóng)民收入和減少環(huán)境污染具有一定的實用價值。有研究表明乙醇燃料在柴油內(nèi)燃機(jī)中的使用，可減少石油產(chǎn)品的使用量，緩解石油工業(yè)的壓力，降低農(nóng)業(yè)投入，對我國農(nóng)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義［3］，本文就自主研發(fā)的S195農(nóng)用柴油機(jī)柴油／乙醇組合燃燒電控系統(tǒng)中的部分電路展開研究。

1 研究內(nèi)容與研究方法

1.1 研究內(nèi)容

本文對柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的濾波電路進(jìn)行研究，這涉及到轉(zhuǎn)速傳感器選取的問題。常用的車速傳感器包括電磁感應(yīng)式、霍爾效應(yīng)式、光電式等，其中磁電式轉(zhuǎn)速傳感器屬能量轉(zhuǎn)換型傳感器，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能輸出，無需媒介源電路，采用變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器［9－10］。變磁通式磁電轉(zhuǎn)速傳感器其頻率等于齒輪的齒數(shù)Z和轉(zhuǎn)速的乘積，即

式（1）中：Z 為齒輪的齒數(shù)；N 為被測軸轉(zhuǎn)速（r／min）；f為感應(yīng)電勢頻率（Hz）。

當(dāng)已知Z時，測得f再通過計算可得N。

1.2 研究方法

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器在組合燃燒電控系統(tǒng)中非常重要。在電控系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速不僅是發(fā)動機(jī)的一個簡單的工作參數(shù)，而且是計算電子控制系統(tǒng)其它參數(shù)的依據(jù)和控制噴射正時的基準(zhǔn)［4－7］。由于來自傳感器的輸出信號往往含有干擾噪聲，不宜直接輸入數(shù)據(jù)采集卡，為了把噪聲干擾衰減到足夠小的程度需要采用濾波電路進(jìn)行濾波處理［8］。

本文采用三次設(shè)計對S195農(nóng)用柴油機(jī)柴油／乙醇組合燃燒電控系統(tǒng)中濾波電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1.2.1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)濾波電路的設(shè)計

由于磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的是較高的頻率信號，所以需要通過高通濾波器對頻率低于某一值的信號進(jìn)行衰減。以下將對轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)濾波電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計，高通濾波電路如圖1所示。

圖1 高通濾波電路Fig.1 High pass filter circuit

圖1所示濾波電路的傳遞函數(shù)、通帶放大倍數(shù)、截止頻率和品質(zhì)因數(shù)分別為：

品質(zhì)因數(shù)Q為望目特性，設(shè)計要求目標(biāo)值為Q＝1。根據(jù)柴油／乙醇組合燃燒發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)要求（起噴工況轉(zhuǎn)速不低于600r／min）和齒輪的齒數(shù)（60齒）設(shè)定工作頻率為100Hz。

1.2.2轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)濾波電路的參數(shù)設(shè)計

（1）可控因素水平表。

系統(tǒng)可控參數(shù)為C、R、R1、Rf，由參數(shù)設(shè)計的非線性原理應(yīng)盡量減少計算量，所以各因素均取3水平?？煽匾蛩厮奖砣绫?所示。

表1 可控因素水平表Tab.1 The levels of controllable factors

（2）內(nèi)外表設(shè)計。

選取L9（34）作為內(nèi)表進(jìn)行設(shè)計，把C、R、R1、Rf依次安排在內(nèi)表中，如表2所示。

對4個可控因素制定誤差因素水平，按三級品計算，假設(shè)三級品的電阻和電容的波動量為±10%，把可控因素水平表給的中心值作為第二水平，中心值×（1±10%）分別作為第一水平和第三水平，以內(nèi)表中第一號方案為例，R＝14，R1＝1，Rf＝2，C＝0.1相應(yīng)的誤差因素水平如表3所示。

表2 內(nèi)表及SN比數(shù)據(jù)Tab.2 The date of internal table and SNR

表3 誤差因素水平表Tab.3 The levels of the error factors

因有9號實驗，所以共有9張誤差因素水平表。選用L9（34）作為外表安排誤差因素的試驗，按式5計算的數(shù)據(jù)對應(yīng)每張外表填寫各號試驗下的輸出特性值，又由于本試驗為望目特性，根據(jù)信噪比（SN）的計算公式可算得每號試驗的SN，填入內(nèi)表，如表4所示。

SN的計算公式如下：

表4 內(nèi)表各號方案輸出特性值及SN比Tab.4 The output value for every plan of internal table and SNR

1.2.3轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)濾波電路的容差設(shè)計

參數(shù)設(shè)計選出的最佳方案為：

以此方案為第二水平采用三級品，再按原誤差因素的波動范圍設(shè)計誤差因素水平表，選取L9（34）為外表得出輸出特性值（表5）。

表5 最佳條件的外表及輸出特性值Tab.5 Optimum conditions of external table and output value

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)表的統(tǒng)計分析

首先計算出各列SN和T1、T2、T3總和T及其修正項CT，填入表2，然后進(jìn)行SN比的方差分析，結(jié)果見表6。

由表6可知：電容C對信噪比的影響是顯著的，其次是R1，Rf和R。由于信噪比以大為好，對照表2可知是第8號方案，為C3R12Rf1R3，第8號方案的均值Y＝1.049與目標(biāo)值1很接近，因此不需要進(jìn)行均值校正。

表6 SN比的方差分析Tab.6 Variance analysis of SNR

2.2 方差分析

由于因素的水平是等間隔的，故可用正交多項式分解波動平方和，并求出相應(yīng)的貢獻(xiàn)率。方差分析結(jié)果見表7。

表7 輸出特性方差分析表Tab.7 The analysis of variance table for output characteristic

2.3 容差壓縮

本試驗是望目特性，目標(biāo)值Q＝1，由表7計算可知損失函數(shù)為n件產(chǎn)品的平均損失為：

倘若把貢獻(xiàn)率最大的誤差因素R1的容差壓縮一半，則新的貢獻(xiàn)率為：

其平均質(zhì)量損失為：

2.4 結(jié)果

由表5和公式（12）的計算結(jié)果可知，可控因素的最佳組合為C＝（0.3±0.03）、R＝（16±1.6）、R1＝（2±0.2）、Rf＝（2±0.2）。此組合下輸出特性值與目標(biāo)值偏差最小，且平均損失最小。

3 結(jié)論

本文通過對組合燃燒柴油機(jī)電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器的信號濾波電路進(jìn)行三次設(shè)計的優(yōu)化，得到了以下結(jié)論：

（1）將三次設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用到自主研發(fā)的S195農(nóng)用組合燃燒柴油機(jī)電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速傳感器的信號濾波電路的設(shè)計上可提高效率和降低成本，并取得良好的擇優(yōu)效果。

（2）通過三次設(shè)計的優(yōu)化可使本農(nóng)用發(fā)動的電控系統(tǒng)的濾波電路達(dá)到結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)的合理搭配，降低系統(tǒng)的噪音，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

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