基于蓄電池脈動電壓測量的汽車轉速檢測方法

張 帥

(天津工業大學電氣與自動化學院，天津 100030)

發動機轉速測量的方式有多種，常用的有點火線圈脈沖、汽車振動分析測量［1］、光電傳感器測量等方式。由于新型轎車的發動機封閉性比較強，無法靠近點火脈沖線圈，采用點火線圈脈沖方式測量已不適用，振動的測量方式針對振動微弱的V6發動機會出現測量不準確，高速時振動檢測有干擾影響等問題，同時這2種方式均需要打開汽車前端機蓋，操作繁瑣，安全系數較低;通過汽車點煙器提取汽車蓄電池電壓，而蓄電池電壓中含有脈動的諧波成分，如果隔離出直流信號，提取其中交流信號，濾除掉雜波以及高頻干擾，放大和發電機轉速相關的信號，采用TI公司的TMS320F2812為平臺進行信號采集，并用快速傅里葉變換計算出其中的頻率成分，分析諧波頻率就可得到和汽車轉速相關的信息，通過間接換算得到汽車轉速。

1 信號的濾波和變換

1.1 信號耦合

首先通過隔直通交電路將信號的蓄電池端電壓直流分量濾掉，如圖1所示，通過電容C67將直流分量濾除，然后通過電壓跟隨電路將微弱的交流信號耦合到下一級運放進行信號處理。

圖1 限幅電路和電壓跟隨器

1.2 高通濾波

用FILterSolution軟件設計無限增益負反饋有源2階高通濾波器，截止頻率為600 Hz，濾掉汽車充電系統電壓調節器產生的低頻信號，通過2個二階高通濾波器串聯的形式增加衰減增益，如圖2所示。

圖2 二階高通濾波器

1.3 低通濾波

通過計算得到無限增益多路負反饋有源低通濾波器的各個參數，然后采用軟件仿真，設計出可行的濾波器，如圖3所示，并且串聯一個開關電容濾波器對信號進行高頻衰減，開關電容濾波器的時鐘頻率為1 mHz，由DSP提供，根據max291使用要求，計算得到截止頻率為10 kHz。

圖3 開關電容低通濾波器

1.4 帶通濾波

將低通和高通濾波器串聯形成帶通濾波，就可以得到和轉速相關的頻率信號(1～10 kHz)，最后通過一個單電源供電運放，如圖4所示，將交變信號提升為直流變化信號，輸出通過D6作3 V限幅，從而進入DSP的A/D測量通道進行采樣分析。電路如圖4所示。

圖4 電壓抬升電路

2 信號的采集和分析

信號的采集采用TMS320F2812平臺，2 812自帶12位高精度A/D轉換，最小分辨率為0.000 732 V，滿足了信號檢測的精度要求，最高允許測量電壓是3 V，所以最后一級輸出采用+5 V單電源運放將信號電壓抬高至0 V以上，輸出用電阻分壓，以及限幅電路，將電壓限制在3 V以內。然后連接到DSP的A/D1上面。DSP采用事件觸發的方式啟動A/D轉換，根據香農定理，采樣頻率是最高可測量信號頻率的2倍，這樣才可還原采集的信號，可測量的最高頻率為10 kHz，所以采樣頻率設置為20 kHz，FFT變換采用1 024點，最小分辨頻率為20 Hz，為提高測量精度，可以采用更高FFT 變換點數［2］。

對模擬電壓信號做快速傅里葉變換，可以計算出模擬信號的頻譜，TI公司提供快速傅里葉變換函數庫，直接調用庫文件fft就可以計算得到頻率譜。根據計算得到的頻率譜，分析其中的幅值最大點的位置，由此可以計算得到蓄電池的基波頻率，如果頻譜中帶有固定干擾頻率而且干擾頻率幅值比基波頻率幅值大，就采用取第二大幅值算法，從而得到隨汽車轉速變化的頻率。

3 汽車發動機轉速計算方法

首先對各個參數進行命名:n為發電機轉速;N為汽車轉速;f為發電機的三相電壓頻率;P為發電機轉子磁極對數;F為整流后紋波頻率;k為發電機和發動機轉速比;K為轉速與基波頻率比例系數

(1)汽車發電機定子磁場旋轉速度

(2)發電機整流后的基波頻率［3］

其中，i為常數，一般等于6，整流后的紋波頻率為基波的6倍。

(3)汽車轉速

(4)發動機轉速計算的通用公式

其中，K=60/(k×p×i)為常數，由式(4)可得汽車轉速和蓄電池端電壓的基波頻率成正比。一般普通4缸4沖程汽車發電機的極對數P=6，轉速比k=1/2，i=6，因此K=5/6，汽車轉速

4 實驗數據分析

通過對長安奔奔汽車測試得到的實驗數據，測量結果如表1所示，表中對示波器和DSP的測量結果做了對比。其中發動機的速度N通過汽車轉速表盤觀察所得，基波頻率F是測量所得，比例系數和轉速比通過式(4)計算所得。將表1中的F=1 000 Hz，代入式(5)計算得到N=833 r/min和實際的測量結果900基本吻合，誤差來源于轉速比系數。

表1 實驗數據測量結果

5 誤差分析

汽車用電設備產生的諧波是干擾的主要來源，而且這個頻率在發電機輸出的基波頻率1～10 kHz之間，幅值比較大，最后在確定轉速基波頻率時就要通過查找最大值算法區分。式(4)可知誤差主要的影響因素是發動機和發電機轉速比k，以及DSP測量的頻率F，因為不同汽車的轉速比系數不同，如果籠統設置k為2，顯然不合理，所以這種測量的方式，最根本的誤差產生于此;其次測量頻率的誤差也是影響因素，測量頻率分辨率決定了汽車速度測量的分辨率。目前采樣頻率為20 kHz，測量的頻率誤差為20 Hz，假設系數k=2;代入N=5/6×F=17 r/min，分辨率就為17 r/min，如果根據發動機速度自動降低測量的頻率就可以獲得較高的測量精度，比如采樣頻率設置為6 kHz，轉速誤差就是(6 000/1 024)×5/6≈5 r/min。

6 結束語

雖然文中測量方式方便快捷，但轉速比系數的誤差以及不確定性，導致計算出的汽車轉速產生誤差，所以還需要其他方式輔助計算出轉速比，比如在汽車怠速時采用加速度傳感器測量振動頻率推算出汽車轉速，因為汽車怠速的范圍一般在700～1 500 r/min之間，所以測量怠速較簡單，同時測量出蓄電池電壓的基波頻率，通過轉速和基波頻率計算得到比例系數，采用這個系數乘以測得的基波頻率就可以測算汽車轉速，這種方法精度高，且測量方便。其次通過增加FFT變換的點數，采用更高主頻的DSP，都可以提高分辨率，增加測量精度。

［1］陳曦，袁文文.基于汽車振動分析的發動機在線轉速實驗研究［J］.自動化與儀表，2011(1):15－23.

［2］C28x Foundation Software.Module user's guide C28x foundation software［R］.Texas Instruments Inc，2002.

［3］陳水.用波形圖解法分析交流發電機Y0(中心點)整流電路［J］.汽車電器，2010(6):6 －10.

［4］丁美玉，高西全.數字信號處理［M］.2版.西安:西安電子科技大學出版社，2000.

［5］蘇奎峰，呂強.TMS320F2812原理與開發［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［6］STEVEN W S.The scientist and engineer's guide to digital signal processing［M］.USA:California Technical Pub，1997.