周澍 張旻 周振超

（富士通南大軟件技術(shù)有限公司）

轉(zhuǎn)速測量方法主要有磁電式和霍爾式2種，它們都利用傳感器和測速齒盤之間的相互作用來測量轉(zhuǎn)速。不同的是磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是一種無源傳感器，不需要輔助電源就能將被測對象的機械能轉(zhuǎn)換成易于測量的電信號[1]。且由于結(jié)構(gòu)簡單及安裝間隙精度要求低等優(yōu)點被廣泛用于發(fā)動機電子控制系統(tǒng)中。目前高?；蚩蒲性核ǔ２捎秒p電源運算放大電路調(diào)理磁電轉(zhuǎn)速信號，雙電源的電路設(shè)計帶來了模擬地的零電位偏移以及電源模塊冗余問題。針對這一系列課題，文章提出引入虛擬地等設(shè)計的單電源轉(zhuǎn)速調(diào)理電路設(shè)計方案，該電路能向發(fā)動機控制器點火同步等模塊提供精準(zhǔn)的基準(zhǔn)脈沖信號。

1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理，如圖1所示。

斷路環(huán)的感應(yīng)電動勢公式，如式（1）所示。

式中：UM——磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電壓幅值，V；

UM取決于N和而既和凸齒/缺齒與傳感器的間隙有關(guān)，也和齒盤的轉(zhuǎn)速有關(guān)。由式（1）可知，在齒形和齒間距固定不變的情況下，dΦ在不同轉(zhuǎn)速下不變，UM將隨n的升高而線性增大[2]。

在發(fā)動機啟動階段（平均轉(zhuǎn)速為100～200 r/min），磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出信號幅值只有0.2～1.0 V；但在發(fā)動機高速工況（平均轉(zhuǎn)速達5 000～6 000 r/min）時，輸出信號幅值可超過50 V。

N——線圈的匝數(shù)；

Z——齒數(shù)；

Φ——磁通量，Wb；

n——轉(zhuǎn)速，r/min。

2 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理電路設(shè)計

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號具有幅值隨轉(zhuǎn)速的升高而線性增大等特點，所以需要經(jīng)過一系列調(diào)理后才被輸入到單片機的捕獲模塊。圖2示出采用Proteus軟件設(shè)計的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器信號調(diào)理電路，該電路主要由低通濾波電路、鉗位電路、電壓跟隨電路及遲滯比較電路四部分構(gòu)成。

2.1 低通濾波電路

低通濾波電路由R2和C1組成，濾除信號中頻率較高的干擾波。根據(jù)工程經(jīng)驗，R2和C1存在匹配關(guān)系，選取1組匹配的即可，因此R2和C1的值可以通過式（2）計算得到，f通過當(dāng)前發(fā)動機允許最大轉(zhuǎn)速及齒數(shù)計算獲得[3]。

式中：f——發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率，Hz；

R——濾波電阻，Ω；

C——濾波電容，F(xiàn)。

2.2 鉗位電路

D1和D2選用肖特基二極管S100，利用其導(dǎo)通特性構(gòu)成的鉗位電路將電壓信號鉗在±0.85 V，防止高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的高電壓損壞電路[4]。

2.3 電壓跟隨電路

通過R7和R8分壓電路獲得2.5 V電壓，再經(jīng)過由LM358構(gòu)成的電壓跟隨電路，作為虛擬地輸出轉(zhuǎn)速調(diào)理電路。此時Vnode2測到的轉(zhuǎn)速信號是以（2.5±0.85）V幅值變化的方波。

2.4 遲滯比較電路

遲滯比較電路即施密特電路，該電路可以有效屏蔽由LM393反向輸入信號在門限值附近因信號噪聲而帶來的干擾。此外，由于遲滯比較電路帶來的正反饋遠比電路中的寄生耦合強很多，故遲滯比較電路還可免除由電路寄生耦合產(chǎn)生的自激振蕩。

該設(shè)計在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速工況時效果明顯，可以有效過濾因低轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的信號毛刺。

2.5 信號調(diào)理效果

測試臺架模擬發(fā)動機常速工況（2 000 r/min），分別獲取觀測點Vnode1和Vnode2的電壓波形圖，如圖3所示。由圖3a可見，遲滯比較電路的輸入是以（2.5±0.85）V幅值變化的方波信號；由圖3b可見，遲滯比較電路的輸出是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平的轉(zhuǎn)速信號。

3 性能測試及試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 測試目的

本次項目的發(fā)動機有效轉(zhuǎn)速為4 00～6 000 r/min，在此轉(zhuǎn)速區(qū)間控制器需要獲得穩(wěn)定可靠的轉(zhuǎn)速信號，所以需要通過測試臺架對本電路設(shè)計進行性能驗證。本次測試主要目的是統(tǒng)計在一定時間內(nèi)發(fā)動機處于各種工況下調(diào)理后的轉(zhuǎn)速信號的毛刺數(shù)，用于分析該電路設(shè)計的實用性及可靠性。

3.2 測試臺架及測試方法

圖4示出發(fā)動機轉(zhuǎn)速測試臺架，它是模擬真實發(fā)動機運行時的轉(zhuǎn)速信號采集機構(gòu)，主要由凸輪軸/曲軸碼盤、磁電轉(zhuǎn)速傳感器、直流有刷電機及驅(qū)動器構(gòu)成。通過旋變電位器進行電機轉(zhuǎn)速控制，并通過霍爾信號將當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速值反饋到LED顯示。單片機通過捕獲模塊對調(diào)理后的脈沖進行脈寬計算，在電機進入穩(wěn)定轉(zhuǎn)速狀態(tài)后，單片機捕獲的前后脈沖寬度差值達到5%脈寬，即視為毛刺信號并進行計數(shù)統(tǒng)計。

3.3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過測試臺架模擬發(fā)動機在低速（400 r/min）、常速（2 500 r/min）及高速（6 000 r/min）3種工況下產(chǎn)生的磁電傳感器信號，并針對各工況進行6 h壓力測試，測試結(jié)果毛刺數(shù)均為0。因此可以看出，該轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路可以長時間保持調(diào)理信號的高可靠性，零毛刺的信號調(diào)理效果大大降低了發(fā)動機控制軟件對于轉(zhuǎn)速信號的濾波成本，提高了控制器點火同步的精度，完全滿足性能需求。

4 結(jié)論

該磁電式轉(zhuǎn)速調(diào)理電路設(shè)計在完全滿足寬范圍轉(zhuǎn)速信號調(diào)理性能需求的前提下，采用單電源形式解決了通常信號調(diào)理電路對負電源的依賴，降低了控制器的硬件成本及電路布局的負荷。臺架測試試驗表明，該電路設(shè)計毛刺少，穩(wěn)定性高。綜上，本設(shè)計方案簡潔、穩(wěn)定、可靠，具有較高的設(shè)計參考價值。