磁电转速传感器的工作原理和特点

现在的柴油机正在经历以柴油机电控化为核心的第3 次技术飞跃。

ECU 技术是柴油机电控化的核心技术之一，它采集发动机的相位、转速（ n ）、燃油压力、油门位置、温度等信号,通过一定的算法得出泵油和喷油的参数，并驱动相应的执行器工作。

在ECU 中，曲轴和凸轮轴相位传感器信号是整个发动机工作时序的基础，其作用相当于芯片中的时钟。

发动机的n 、喷油相位以及判缸信号等都是通过这两个传感器计算处理得出的。

因此，设计一种抗干扰能力强，可靠性高的曲轴和凸轮轴传感器信号处理模块对整个柴油机电控单元来说至关重要。

常用的发动机曲轴和凸轮轴相位传感器有霍尔式传感器和磁电式传感器两种。

磁电式传感器具有成本低、结构简单、耐腐蚀、耐冲击、可靠性高和稳定性好等优点,故本研究采用两个磁电式传感器分别测量6 缸发动机的曲轴和凸轮
轴相位信号。

其中,一个磁电式传感器用于测量曲轴相位即48 X信号（ X 代表齿数，即曲轴齿轮盘被48 等分,但缺3 个齿）；另外一个磁电式传感器用于判断凸轮轴相位即7 X 信号（凸轮轴上的齿轮盘被6 等分，但上止点的位置多1 个齿）。

通过对7 X 和48 X 信号的捕捉可计算发动机的n 及相位。

1．磁电式传感器的特性
（1）工作原理
磁电式传感器的工作原理如图1 所示，它主要由旋转的触发轮（被等分的齿轮盘,上面有多齿或缺齿）和相对静止的感应线圈两部分组成。

当柴油机运行时，触发轮与传感器之间的间隙周期性变化，磁通量也会以同样的周期变化，从而在线圈中感应出近似正弦波的电压信号。

（2）输出特性由磁电式传感器工作原理可知，其产生的交流电压信号的频率与齿轮转速和齿数成正比。

在齿数确定的情况下，传感器线圈输出的电压频率正比于齿轮的转速，其关系为
式中，n 为发动机转速，r/ s；z 为触发轮被等分的齿数；f 为磁电式传感器的输出信号频率，Hz 。

磁电式传感器的输出电压不仅与传感器和触发轮间的间隙（ d ）有关,而且与n 有关。

为了设计合理的磁电式传感器信号处理模块，本研究在不同的d 以及n 条件下,通过大量的试验测出传感器的输出电压特性。

图2 为不同的n 条件下,7 X 传感器输出峰值电压与d 的关系;图3 为在不同的d 条件下,7 X 传感器输出峰值电压与n 的关系。

48 X 传感器输出峰值电压信号特征也如此。

从图中可看出,在同一d 条件下,传感器输出的峰值电压随n 升高而增大；在同一n 条件下,d 越小, 其输出峰值电压越高。

由此可以拟合出传感器的输出峰值电压特性为
式中, V 为传感器输出峰值电压,V；n 为发动机转速,r/ s；d 为传感器与触发轮间的间隙,mm；K 为与传感器有关的参数。

2．硬件优化设计
传统的磁电式传感器处理方法是通过比较器对输入波形进行整形,但由于磁电式传感器的输出电压在发动机转速范围内变化很大,比较器的参考电压的选择成为一个难题。

采用的参考电压过高,则在n 较低时,由于传感器输出峰值电压过低,整形后无高电平信号输出;参考电压过低,则在n 较高时,由于输出电压信号变大,齿轮盘振动加剧,传感器输出信号毛刺增多,比较器无法过滤这些因素引起的干扰。

图4 即为某转速下采用较低的固定参考电压,比较器整形后输出的波形。

从图中可以看出,该处理方式无法过滤干扰。

基于以上问题,设计了一种新型的发动机曲轴和凸轮轴磁电式传感器信号智能处理电路模块。

该模块的核心是通过软件设定磁电式传感器信号整形比较器的参考电压,根据磁电式传感器输出信号与n 间的关系特征,设定出不同n 条件下的比较器参考电压值。

在发动机运行过程中,该模块根据n 输出相应的电压作为传感器整形比较器参考电压值。

采用这种方式处理传感器信号,可以在n 较低时,采用较低的参考电压以尽快实现发动机判缸;在n 较高时,则可以采用较高的参考电压以避免干扰。

使用这种新型的信号处理方式,可以同时满足发动机低转速判缸以及系统高抗干扰性的要求。

模块的硬件结构如第30 页图5 所示,7 X 和48X 磁电式传感器的输出信号经过屏蔽双绞线进入ECU 后,先经过前端预处理和过压保护电路,再经过低通滤波后进入比较器的一端。

输出信号经过比较器整形后输入PIC18F458 的CCP 模块进行捕捉计算,然后通过智能判缸程序处理后在RB 口输出判缸信号（7 X 信号）、每缸上止点信号（6 X 信号）以及曲轴相位信号（48 X 信号）。

传感器输入信号比较器的参考电压采用随n 变化的方式。

PIC18F458 内部带有一个比较参考电压模块,通过设定相应的寄存器值,可以输出量程为0.00 V～3.13 V ,共16 种参考电压Vref 。

该参考电压经过电阻分压可以得到7 X 和48 X 信号对应的比较器参考电压Vref 1 和Vre f 2 。

在不同n 条件下7 X 和48 X 信号整形比较器所对应的参考电压Vref 1 和Vref2 如图6 所示。

其中,参考电压的起始值为0.05 V ,随n 成正比变化。

Vref 1 和V ref 2经过A/ D 转换送入PIC18F458 进行检测以确定输出的参考电压值是否正确。

3．软件设计
该模块的软件主要实现参考电压的设置、发动机判缸以及故障诊断的功能,它包括系统初始化以及CCP 输入捕捉中断处理。

系统初始化将参考电压起始值设置为0.050 V ,然后打开PIC18F458 的CCP 中断对比较器输出的方波进行捕捉。

CCP1 模块捕捉到比较器输出的7 X 信号的中断处理如图7所示。

PIC18F458
捕捉到中断后,先判断两次中断间隔时间是否合理,如果合理则先进行判缸,根据判缸结果在RB 口输出7 X 信号或者6 X信号,然后进行转速范围判断以设置合理的参考电压;如果中断时间间隔不合理,且累计不合理次数少于3次,则判断为非故障,PIC18F458 通过计算输出方波信号;如果中断时间间隔累计不合理次数大于3 次的话,则判断为故障, PIC18F458 通过SPI 通信向MC68376 输出故障状态并重新启动整个系统。

48 X 信号的CCP2 捕捉中断处理原理与此相同。

软件还带有参考电压合理性判断功能。

通过PIC18F458 的A/ D 转换模块将输出的参考电压进行A/ D 转换后,进入微处理器用于判断参考电压是否工作正常。

如果参考电压与对应的转速下预设的参考电压值差别过大,则判断为故障。

4．试验结果
该模块在GD1 高压共轨式柴油机电控单元上进行了可靠性试验。

试验结果表明,相对于以前的磁电式传感器处理电路,新型的处理模块有以下优点:
（1）发动机起动时判缸速度更快;图8 为发动机起动时曲轴、凸轮轴磁电式传感器输出信号处理前后的对比;由图可见,在发动机起动很短的时间内（0.5 s）即可正确输出判缸信号;
（2）电路的抗干扰性增强;在柴油机工作转速范围（100 r/ min～2500 r/ min）内均能正确输出判缸信号和相位信号,充分满足ECU 的需要。

（3）运行可靠;通过对输出参考电压的标定,该模块在不同的曲轴、凸轮轴传感器安装间隙下,都能够可靠地运行。

5．结论
（1）通过大量的试验,测量了磁电式传感器在不同n 和不同d 的条件下输出信号特征,并在此基础上拟合出了磁电式传感器的输出信号与d 和n 的关系；
（2）设计了新型的发动机磁电式传感器信号处理模块,试验应用证明,该模块的响应性以及可靠性均有了很大地提高；
（3）该模块的设计方法对于其他类型的磁电式传感器的信号处理电路的设计也具有参考意义。