李京，王騰

（1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室 陜西 興平713105；2.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢430033）

柴油機轉(zhuǎn)速信號動態(tài)模擬電路分析與設計

李京1，王騰2

（1.海軍駐興平地區(qū)軍事代表室 陜西 興平713105；2.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢430033）

在柴油機調(diào)速器、機旁控制裝置的實驗室調(diào)試過程中，必須模擬柴油機的轉(zhuǎn)速信號。為了實現(xiàn)對柴油機轉(zhuǎn)速信號動態(tài)模擬，本文提出了一種基于暫態(tài)電路的電路設計方案。該電路解決了傳統(tǒng)柴油機轉(zhuǎn)速信號模擬系統(tǒng)中起動和停機的過渡過程難以實現(xiàn)的問題，滿足了柴油機起停過程中轉(zhuǎn)速信號漸變的要求，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號的占空比控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍的控制。實際應用表明，該電路能夠真實地模擬出柴油機轉(zhuǎn)速信號的動態(tài)變化，具有實用價值。

柴油機轉(zhuǎn)速信號；電壓頻率變換；暫態(tài)過程；占空比控制；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

柴油機調(diào)速器、機旁監(jiān)控裝置對柴油機的正常運行起著至關(guān)重要的作用，在柴油機調(diào)速器、監(jiān)控裝置的研制生產(chǎn)過程中，需要對產(chǎn)品進行檢測和調(diào)試。如果每次調(diào)試都采用實裝配機方式進行，代價非常昂貴。因此，設計一套能夠真實模擬柴油機轉(zhuǎn)速信號動態(tài)變化的測試系統(tǒng)具有一定的實際意義和應用價值，其中關(guān)鍵是對柴油機轉(zhuǎn)速信號的模擬[1-2]。

傳統(tǒng)的柴油機轉(zhuǎn)速信號模擬主要采用脈沖周期信號發(fā)生器，當柴油機起動后，通過開關(guān)將脈沖周期信號接至柴油機監(jiān)控裝置；柴油機停機后，開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)速信號變?yōu)榱恪５@種方式無法模擬采油機轉(zhuǎn)速信號的暫態(tài)變化過程，在對柴油機監(jiān)控裝置進行調(diào)試時，模擬停機后，轉(zhuǎn)速信號突然變?yōu)榱?，柴油機監(jiān)控裝置會發(fā)出轉(zhuǎn)速傳感器故障報警。因此，真實模擬出柴油機轉(zhuǎn)速信號的暫態(tài)變化十分必要。為了達到這個目的，文中提出并設計了一種基于RC充放電路的柴油機轉(zhuǎn)速信號動態(tài)模擬電路。

要想完成對以上電路的設計，需要做好以下幾個方面工作。首先設計能模擬出柴油機轉(zhuǎn)速信號的暫態(tài)變化的電路，實現(xiàn)起動和停機過程中的信號漸變過程；其次，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號的占空比控制，模擬出接近真實的轉(zhuǎn)速信號；最后電路還要能夠?qū)崿F(xiàn)輸出脈沖周期信號的頻率可調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)速在一定變化范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

1 模擬柴油機轉(zhuǎn)速信號的特點

柴油機的轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號主要具有3個特點[3]：

1）傳感器輸出脈沖周期信號的頻率與轉(zhuǎn)速之間呈線性對應關(guān)系，信號頻率f=（n×z）/60 Hz，其中，n為轉(zhuǎn)速大小，z為柴油機轉(zhuǎn)速測量齒輪齒數(shù)，此系統(tǒng)中為31；當轉(zhuǎn)速n=1 500 rpm時，傳感器輸出脈沖周期信號的頻率為775 Hz。

2）轉(zhuǎn)速變化的范圍寬，從0～1 800 rpm范圍內(nèi)連續(xù)變化，模擬的轉(zhuǎn)速信號應能從0～1 750 rpm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；

3）當柴油機起動、停機時，由于轉(zhuǎn)軸的機械慣性，轉(zhuǎn)速信號具有暫態(tài)變化過程，如圖1、2所示。如果停機后轉(zhuǎn)速突然變?yōu)榱?，監(jiān)控裝置會發(fā)出轉(zhuǎn)速傳感器故障報警。

2 轉(zhuǎn)速信號產(chǎn)生芯片選取

柴油機轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號為脈沖周期信號，可選用電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片來完成對轉(zhuǎn)速信號的模擬[4-5]。LM331是美國NS公司生產(chǎn)的一種具有高性價比和簡單外圍電路的低功耗精密電壓/頻率轉(zhuǎn)換器集成電路。LM331具有12位的數(shù)字分辨率和100 dB的動態(tài)范圍寬，它工作時的頻率可以低至0，并且在工作頻率為1Hz的時候仍然具有良好的線性度。LM331的另一個特點就是它的輸出脈沖的邏輯電平可以通過搭配不同外接電阻和控制邏輯電流來進行調(diào)節(jié)，以適配TTL、DTL和CMOS等不同邏輯電路[6-7]。

圖1 柴油機起動時轉(zhuǎn)速變化曲線

圖2 柴油機停機時轉(zhuǎn)速變化曲線

圖3 LM331內(nèi)部組成及引腳圖

3 暫態(tài)電路設計

柴油機的起動和停機有一個漸變的過程[8]。當柴油機起動時，其轉(zhuǎn)速會在1 s左右由0 rpm逐漸增加至1 500 rpm；當柴油機停機時，其轉(zhuǎn)速則會在15 s內(nèi)從1 500 rpm逐漸降至0 rpm。而要使用電路模擬這一暫態(tài)過程，則要設計暫態(tài)電路來完成。暫態(tài)電路的核心是電容充放電電路產(chǎn)生隨時間變化的電壓[9-10]，將該電壓作為脈沖周期信號的控制電壓輸入到LM331的第7腳，控制其第3腳輸出脈沖周期信號的頻率變化。模擬轉(zhuǎn)速傳感器輸出轉(zhuǎn)速信號的漸變過程。如圖4所示，當按下控制裝置上的柴油機起動按鈕時，通過繼電器控制SW1開關(guān)閉合，這時電容C2開始充電，芯片7腳電壓逐漸升高，第3腳輸出脈沖信號頻率逐漸增大，模擬柴油機起動暫態(tài)過程，當C2充電完畢，7腳電壓達到穩(wěn)定，3腳開始輸出穩(wěn)定頻率的脈沖周期信號，頻率為775 Hz（對應轉(zhuǎn)速1 500 rpm）。按下控制裝置上的柴油機停機按鈕后，通過繼電器控制SW1開關(guān)斷開，這時電容C2開始放電，芯片7腳電壓逐漸降低，第3腳輸出脈沖信號頻率逐漸減小，模擬柴油機停機暫態(tài)過程[11]，當C2放電完畢，7腳電壓變?yōu)?，3腳輸出脈沖信號的頻率也變?yōu)?，（對應轉(zhuǎn)速0 rpm）。

電路中，R6為可調(diào)電位器，可以通過調(diào)節(jié)R6的值，改變芯片輸入端直流電壓，達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的[12]。

圖4 暫態(tài)電路

4 電路參數(shù)選取

1）暫態(tài)過程參數(shù)選取

設柴油機起動后。其轉(zhuǎn)速由0到1 500 rpm的上升時間為1 s；柴油機停機后，其轉(zhuǎn)速由1 500 rpm下降到0的時間為15 s。

電容C2放電等效電路如圖5（b）所示。放電時間長數(shù)為τ=R6C2，設轉(zhuǎn)速下降時間為5τ=15 s，取C2為100 μF，計算可得R6=30 kΩ。實際電路中R6采用50 kΩ電位器，便于對輸出信號頻率進行調(diào)節(jié)。

電容C2充電等效電路如圖5（a）所示。充電時間長數(shù)為τ=R0C2，其中R0=R7∥R6，取轉(zhuǎn)速上升時間為5τ=1 s，計算可得R7=2.5 kΩ。可取R7=2.4 kΩ。

圖5 電容充放電等效電路

2）電路其他參數(shù)選取

電路中的其他參數(shù)，如Rt、Ct、Rs、R1、C1的參數(shù)取值，應充分考慮電路輸出脈沖周期信號的頻率及占空比[13]。

當轉(zhuǎn)速n=1 500 rpm時，輸出脈沖周期信號的頻率應為775 Hz，信號波形的占空比應為0.5，如圖6所示，t1、t2分別為一個周期內(nèi)的低、高電平寬度，t1=t2=0.5 T，T=1/775 Hz。

圖6 占空比示意圖

取Ct=47 nF，由t1=1.1RtCt可得：Rt=12.4 kΩ，取Rt=12 kΩ；

取C1=10 nF，由t2=5R1C1可得：R1=12.9 kΩ，取R1=13 kΩ；

表1 暫態(tài)電路參數(shù)計算結(jié)果

5 實驗驗證

為了測量電路輸出脈沖周期信號的頻率隨時間變化曲線，在電路輸出端接一個頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，將輸出頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓以便測量，轉(zhuǎn)速0～1 500 rpm對應電壓0～5 V。測量設備連接關(guān)系如圖7所示[15]。

圖7 模擬轉(zhuǎn)速測量設備連接圖

分別模擬柴油機起動和停機過程，采用示波器記錄模擬柴油機轉(zhuǎn)速信號的輸出。輸出轉(zhuǎn)速信號電壓波形如圖8所示。

圖8 模擬轉(zhuǎn)速信號測量波形圖

從實驗波形上看，柴油機起動時，轉(zhuǎn)速由0上升到1500rpm的時間為0.75 s。柴油機停機時，轉(zhuǎn)速由1 500 rpm下降到0的時間為17.5 s。

該結(jié)果與設計要求基本一致，較好地模擬了柴油機起動和停機過程中，轉(zhuǎn)速隨時間變化的暫態(tài)過程。該電路應用于對柴油機監(jiān)控設備的檢驗和調(diào)試，取得了很好的使用效果。

6 結(jié) 論

基于暫態(tài)電路的控制原理，文中提出了一種動態(tài)模擬柴油機轉(zhuǎn)速信號的電路設計方案。從示波器顯示的柴油機轉(zhuǎn)速信號來看，該電路很好的模擬出了柴油機起動和停機過程中轉(zhuǎn)速隨時間變化的暫態(tài)過程，并實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號的占空比控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍的控制。實際應用表明，該電路能夠真實地模擬出柴油機轉(zhuǎn)速信號的動態(tài)變化，具有一定的實用價值。

[1]趙俊杰，徐華中.高精度發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的測量與模擬技術(shù)研究[J].計算機與數(shù)字工程，2010（9）:162-165.

[2]趙華偉.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2009（4）:64-66.

[3]葉林，李昌禧，等.電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)特性分析及求解[J].儀表技術(shù)與傳感器，2002（6）：41-43.

[4]呂國建.一種用LM331實現(xiàn)的頻率/標準電壓轉(zhuǎn)換電路[J].四川大學學報：自然科學版，2004，41（z1）：261-263.

[5]張維昭，馬勝前，冉興萍.基于LM331的寬頻頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路[J].電子技術(shù)應用，2013，39（10）：46-48.

[6]李永敏.檢測儀器電子電路[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1994.

[7]Koutroulis E，Kalaitzakis K.Development of an integrated data-acquisition system for renewable energy sources systems monitoring[J].Renewable Energy，2003，28（1）:139-152.

[8]車龍.基于轉(zhuǎn)速信號分析的柴油機故障診斷研究 [D].大連：大連海事大學，2008.

[9]蘭欣.電控柴油機控制模擬平臺的研究[D].濟南：山東大學，2008.

[10]李文靜.船用柴油機信息化系統(tǒng)硬件在環(huán)系統(tǒng)的研發(fā)[D].上海：上海工程技術(shù)大學，2015.

[11]鄭明勇.船舶柴油機機旁監(jiān)控裝置的研制[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[12]段旭東.高速鐵路路基地段綜合接地系統(tǒng)暫態(tài)電路模型研究[D].成都：西南交通大學，2014.

[13]劉亦萍，王瑋，薛超，等.基于Matlab的高階暫態(tài)電路實例分析[J].上海第二工業(yè)大學學報，2014，31（1）:55-60.

[14]劉曉文，薛雪，喬欣，等.方波激勵下的RLC串聯(lián)電路暫態(tài)響應仿真研究[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（1）.

[15]蔣成龍.柴油發(fā)電機組建模及轉(zhuǎn)速控制研究[D].北京：北京理工大學，2015.

Analysis and design of diesel engine speed signal dynamic analog circuit

LI Jing1，WANG Teng2
（1.Navy Military Representative Office in Xingping Area，Xingping 713105，China；2.School of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In the laboratory debugging process of diesel next governor and control apparatus，it's necessary to simulate the engine speed signal.To meet the need for dynamic simulation of engine speed signal，a circuit design scheme is proposed based on transient circuit.in this paper.The circuit solved the surges and sags problem in startup and shutdown sections of traditional diesel engine speed signal simulation system，which is more in line with the gradient characteristics of real engine speed signal.Besides，it can also control the duty cycle and speed adjustment range of the speed control signal.The application shows that this circuit can simulate the dynamic changes of the engine speed signal realistically，which has a practical value.

diesel engine speed signal；voltage frequency conversion；dynamic analog；duty cycle control；speed adjustment range control

TP302

A

1674－6236（2016）24-0187-03

2016-02-22 稿件編號：201602094

李 京（1970—），男，陜西西安人，工程師。研究方向：艦船柴油機的質(zhì)量監(jiān)督和檢驗驗收。