現(xiàn)代電控發(fā)動(dòng)機(jī)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)處理方法的探討

丁志恒，李陽陽，馮武

（1．陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

現(xiàn)代電控發(fā)動(dòng)機(jī)磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)處理方法的探討

丁志恒1，李陽陽2，馮武1

（1．陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

對(duì)傳感器的信號(hào)處理是現(xiàn)代電控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)速傳感器的信號(hào)處理是重中之首。本文介紹了常見的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)的處理方法及常用的轉(zhuǎn)速信號(hào)移相方法，并對(duì)本技術(shù)今后的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器；信號(hào)；移相

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-10-02

前言

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，電控技術(shù)已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。電控發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)的主流，由于其對(duì)燃油供給量、點(diǎn)火時(shí)刻等參數(shù)控制精度高，因此電控發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)比傳統(tǒng)化油器汽油機(jī)及機(jī)械泵式柴油機(jī)具備燃油經(jīng)濟(jì)性好、排放污染物少，動(dòng)力性穩(wěn)定且強(qiáng)勁等優(yōu)點(diǎn)。電控發(fā)動(dòng)機(jī)之所以能精確控制其各項(xiàng)參數(shù)，主要?dú)w功于發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝的多個(gè)傳感器；傳感器輸出的信號(hào)能準(zhǔn)確反映發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，電控單元就能根據(jù)這些信號(hào)來下達(dá)指令，準(zhǔn)確控制執(zhí)行器的工作。

1、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器中最重要的當(dāng)屬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器，車用轉(zhuǎn)速傳感器大多數(shù)為性價(jià)比較高的磁電式傳感器，其信號(hào)可以反映發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速、確定一缸上止點(diǎn)以及曲軸轉(zhuǎn)角，也被稱為曲軸位置傳感器；它的信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)控制的基準(zhǔn)信號(hào)，如果轉(zhuǎn)速傳感器故障，發(fā)動(dòng)機(jī)將無法啟動(dòng)[1]。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器一般要配合一個(gè)鐵質(zhì)信號(hào)輪工作，信號(hào)輪一般安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上，其上一般有N×60個(gè)信號(hào)齒組成的齒圈，并在一缸上止點(diǎn)位置處去除2個(gè)齒，形成一個(gè)“缺口”，傳感器利用缺口即可確定上止點(diǎn)位置。其工作原理如下：當(dāng)信號(hào)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)使傳感器與信號(hào)齒之間磁力線的密度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致磁通量的變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，這時(shí)候在傳感器內(nèi)永磁體周圍的線圈中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這個(gè)電信號(hào)就是傳感器的輸出信號(hào)。信號(hào)波形如圖所示，根據(jù)其工作原理及實(shí)際測(cè)量可知，轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)有以下特點(diǎn)：

（1）信號(hào)基本是正弦波，其中有一延長(zhǎng)波形為一缸上止點(diǎn)信號(hào)。

（2）信號(hào)峰值電壓大小與轉(zhuǎn)速大小成正比，最高可達(dá)50V以上。

（3）由于信號(hào)是用于相位計(jì)算，信號(hào)比較穩(wěn)定且精準(zhǔn)。

2、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)一般處理方法

根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)特點(diǎn)，一般的處理方法都是避免對(duì)其進(jìn)行濾波，只是在進(jìn)行隔離、限壓保護(hù)的基礎(chǔ)上，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分壓后再經(jīng)電壓比較器處理成方波信號(hào)，最終輸入發(fā)動(dòng)機(jī)ECU即可[2]。

之所以轉(zhuǎn)速信號(hào)不進(jìn)行濾波，是考慮到目前常用的濾波器都含有電容及電感組件，信號(hào)通過這些組件后會(huì)產(chǎn)生相位變化，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的控制精度。但目前也有一些利用電子濾波器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行零相位濾波的方法，如隋青美等人利用6階巴特沃斯濾波器進(jìn)行正、反向兩次濾波后，可以將相位漂移控制在2.5ms以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了零相位濾波[3]。

3、磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)相位調(diào)整方法

正如前面所說，轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)如果發(fā)生相位錯(cuò)動(dòng)，則會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)曲軸轉(zhuǎn)角判斷錯(cuò)位；但是我們可以利用這一點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火正時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

目前很多天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)都是由電控汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝而來的，由于天然氣相對(duì)于汽油而言，其滯燃期較長(zhǎng)、辛烷值高的特點(diǎn)，一般需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于老式的利用分電器進(jìn)行點(diǎn)火控制的發(fā)動(dòng)機(jī)可以拆開分電器，轉(zhuǎn)動(dòng)分電器體，對(duì)點(diǎn)火時(shí)刻進(jìn)行調(diào)整；但是目前電控汽油機(jī)多采用的是電子點(diǎn)火系統(tǒng)，若想改變點(diǎn)火時(shí)刻，一種方法是將轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)應(yīng)的信號(hào)盤移位；另外也可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中的點(diǎn)火正時(shí)參數(shù)進(jìn)行改寫；這兩種方法對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)制造單位而言比較簡(jiǎn)單易行，但是對(duì)于改裝企業(yè)，則難以操作。因此一般需要進(jìn)行點(diǎn)火正時(shí)調(diào)整的改裝發(fā)動(dòng)機(jī)，都采用的是對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)移相的處理方法[4]。

目前多數(shù)廠家生產(chǎn)的點(diǎn)火提前器多是利用電容和電感的混合電路（一般常用電容和電阻）對(duì)信號(hào)的移相作用進(jìn)行相位調(diào)整，其實(shí)這種移相方法早在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電能表、電量變送器等設(shè)備的校驗(yàn)儀器中，它具備成本低，可靠性好等特點(diǎn)，但是若想精確移相，需要輸入信號(hào)的頻率穩(wěn)定，因此一般還是應(yīng)用在發(fā)電站相關(guān)設(shè)備中。

其基本原理如下：在純電感電路中，正弦信號(hào)電流比電壓滯后90度，在純電容電路中，電流比電壓超前90度。而在電容、電感混合電路中，輸入電壓Ui與輸出電壓Uo的相位差可以用以下公式計(jì)算：

式中f為信號(hào)頻率，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍約為10-100Hz，因此轉(zhuǎn)速傳感器輸出的正弦波信號(hào)頻率f應(yīng)為N×600～N× 6000之間。從式1中可以看出，在確定L和C的參數(shù)后，隨著轉(zhuǎn)速上升，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差隨之變大；由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身就要求轉(zhuǎn)速上升后，需要增大點(diǎn)火提前角，而且現(xiàn)在電控發(fā)動(dòng)機(jī)一般都具備爆震傳感器對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行閉環(huán)控制，因此用這種原理制作的點(diǎn)火提前器還是能比較好滿足系統(tǒng)要求的。

另外現(xiàn)在很多裝置也采用一些微處理器對(duì)信號(hào)相位進(jìn)行調(diào)整，此類調(diào)整裝置對(duì)相位的調(diào)整更為精確，且不受信號(hào)頻率的影響。它的一般工作原理是這樣的：輸入信號(hào)經(jīng)倍頻電路（一般為3600或36000倍頻）產(chǎn)生倍頻信號(hào)送至微處理器，在其內(nèi)經(jīng)微處理器運(yùn)算，并通過D/A轉(zhuǎn)換器生成移相后的新波形，最終經(jīng)過功放放大輸出，這種方法也被稱為程控式移相。程控式移相硬件電路和編程比較復(fù)雜，成本較高，技術(shù)難度大，其在移相技術(shù)中的應(yīng)用尚有待進(jìn)一步發(fā)展和完善[5][6]。

4、結(jié)論

作為電控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作基礎(chǔ)，傳感器的信號(hào)處理應(yīng)該得到相應(yīng)的重視；轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)由于其重要性更應(yīng)加以深入研究。磁電式轉(zhuǎn)速信號(hào)由于其對(duì)相位要求極高的精度及變化的電壓，對(duì)其處理應(yīng)該小心謹(jǐn)慎；另外對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)移相可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)執(zhí)行器的工作時(shí)刻，利用相關(guān)信號(hào)移相技術(shù)可以達(dá)到這一目的，并在天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)上得以應(yīng)用。

[1] 王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].第二版.天津：天津大學(xué)出版社，2006.

[2] 蹇小平,王俊紅,仇世侃,張春化.電控汽油機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車技術(shù),2007(09):44-47.

[3] 隋青美.數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)及其在內(nèi)燃機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),1999(07):204-205.

[4] 王秉時(shí).移相技術(shù)的發(fā)展與移相器產(chǎn)品的進(jìn)步[J].電測(cè)與儀表,1998(03):3-10.

[5] 曹偉等.8098單片機(jī)在相位調(diào)節(jié)中的應(yīng)用.電測(cè)與儀表,1997 (03):27-28.

[6] 費(fèi)戰(zhàn)波等.用微CPU實(shí)現(xiàn)的工頻信號(hào)移相新方法.電測(cè)與儀表,1997(10):25.

Discussion on the method for processing the magnetoelectric speed sensor's signal of modern electronic-controlled engines

Ding Zhiheng1, Li Yangyang2, Feng Wu1
（1. Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200；2. Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064）

How can the modern electronic-controlled engine works is based on how to process every sensor's signal, in which how to process the magnetoelectric speed sensor's signal is the most important . The common processing method and phase shift method,for magnetoelectric speed sensor signal is introduced in this paper.The the development trend of this technology in the future is discussed as well.

Magnetoelectric speed sensor；signal；phase shift

U464.9

A

1671-7988(2015)01-10-02

丁志恒，就職于陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司。