发动机转速信号的检测及数字滤波方法资料

图 1 发动机转速测量系统框图

发动机转速信号的检测及数字滤波方法

蔡登胜，罗 维，赵明辉 （广西柳工机械股份有限公司）

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摘 要：发动机转速作为一个重要的控制参数，在工程机械的控制过程如功率控制、变速控制等应用中

占有重要地位，如何快速准确地测量发动机转速，减少干扰信号的影响，同时尽可能地减轻控制系统测量负 担，对提高控制系统的稳定性和响应能力具有重要意义。结合发动机转速测量系统的结构组成，分析相应的 测量及滤波方法的特点，提出具体的测量及滤波方法，并进行实际测试及滤波效果的验证。

关键词：发动机；转速；检测；数字滤波

随着电子控制技术的发展，工程机械的电子控

制系统的应用也越来越多，如装载机的自动变速控 制系统、挖掘机的功率匹配控制系统等，在这些电

子控制系统中，发动机转速作为一个重要的系统基

础变量参数，是最重要的控制变量之一，其测量的 精度和及时性直接关系到电子控制系统的控制效 果，因此对发动机转速进行快速、高精度的测量一 直是工程技术人员追求的目标。转速信号属于频率 信号，具有快速变化、易受干扰的特点，因而如何能 够快速、准确地检测频率信号，满足控制响应需求， 是控制系统设计中不可忽视的重要环节。本文以挖 掘机发动机转速控制系统为例，对频率信号的检测 方法进行探讨。 挖掘机发动机转速的测量系统如图 1 所示。 电磁感应式转速传感器输出信号必须通过测 量系统的接口调理电路进行整形，以获得标准的方

波信号。

发动机转速测量系统结构分析

1 发动机转速信号的测量方法

2 在工程机械上，常用两种类型的转速传感器：

1） 霍尔转速传感器；2） 电磁感应式转速传感器。 霍尔传感器作为有源传感器，其特点为输出幅值稳 定的方波信号。电磁感应式转速传感器是无源器 件，其特点是输出信号为幅值不稳定的正弦波信 号，转速越高输出信号幅值同步越高。通常车用霍 尔传感器只能检测 3 000 Hz 以下的频率信号，因而 主要用于较低转速信号的测量。电磁感应式转速传 感器由于结构简单，工作稳定，是工程机械发动机 转速测量首选的传感器。

在采用单片机进行转速测量时，通常采用两种 方法：定时脉冲频率法和脉冲周期法[1]。 采用定时脉冲频率法测量转速，先设定窗口时 间段 T d ，记录下在这时间段内转速脉冲的个数 N p ， 得到转速脉冲频率 f p 为: f = N p

（1）

p T d

则转速 n 为：

n= 60f p

（2）

N g

作者简介：蔡登胜（1971—），男，广西全州人，高级工程师，硕士，研究方向：工程机械电气与控制工程。

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Δx ，则丢弃本次采样值，取上一次的采样值作为当 前值，计算公式为:

Σ

Σ X n =X n -1， x n -x n - 1 X n =X n ，Σx n -x n - 1 ≤Δx Σ 转速信号的数字滤波算法

在进行数字滤波设计时，首先必须清楚控制系

统对发动机转速测量的要求，即控制系统的所有控

制变量因子都必须达到两点基本要求：一是精度， 3 （8） ＞Δx Σ 限速滤波的难点在于 Δx 的选择，若 Δx 取值 太大，则无法将干扰滤除，若 Δx 取值过小，则无法

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工程机械

第 43 卷 2012 年 11 月

Test and Research

反映真实的信号变化。 对数字滤波来说，采样数据量越大，则抗干扰能 力越强，滤波后的数据平滑性也越好，但考虑到采样 数据量越大，则所需时间越长，对系统的响应速度是 不利的。根据控制系统对采样变量的两个要求：精 度和及时性，必须对两者进行平衡。 为加大采样数据量，并尽可能减少数据采集时 间对及时性的影响，通常可以采用 FIFO （先进先出） 的数据处理办法，即一组包含 n 个数据 x 1，x 2，…，x n 的采样数据集，若有新的采样数据 x n+1，则将最先测 到的 x 1 去除，使采样数据集依然保持为 n 个数据， 以此类推，采用 FIFO 的样本数据处理方法，可以改 善数据的平滑性。

发动机转速的实际滤波设计

挖掘机发动机的转速主要通过检测飞轮转速来 获得。对于飞轮齿数为 N g 的发动机，转速脉冲信号 的频率为：

4 f = N ·g n （9） 60 若飞轮齿数 N g 为 127 齿，发动机的正常转速 n 为 650~2 500 r/min ，根据式（9），正常转速检测信号 的最低频率为 1 37

5 H z ，最高频率为 5 292 H z 。

要对这样的频率信号进行检测，根据前文分析， 采用脉冲周期法对转速传感器信号进行采样，采样 结果如图 2 所示。

图 2 是采用脉冲周期法测量到发动机的 500 个瞬时转速值，图中纵坐标为转速，横坐标为采样 数。实际上每一个采样得到的转速都是测速齿经过 转速传感器时的瞬时速度，图 2 显示出在发动机旋 转一圈（即任意 127 个采样）中，实际上转速并不是 均匀的，并且变化还相对较大，在固定油门及负载 无变化的情况下，500 个采样得到的最大瞬时转速 为 2 105 r/m i n ，最小瞬时转速为 2 079 r/min ，最大的 瞬时速度比最小瞬时转速高出 26 r/min ，即在系统 无变化的情况下，测到的转速值在不断地波动，这 一波动会造成控制系统输出的扰动，必须通过滤波 来消除这样的干扰。

假设不存在干扰的情况下，按照发动机旋转一 圈的齿数选取每次 127 个脉冲作为当前采样进行 FIFO 算术平均滤波，得到 127 位 FIFO 算术平均滤 波结果如图 3 所示。

图 3 显示，通过 127 位算术平均滤波后，得到

转速为 2 090~2 092 r/m i n ，只有 2 r/min 的波动，说 明以整转脉冲个数作为样本数据集进行算术平均 滤波，对转速周期性的波动可以取得较好的滤波 效果。

在采用脉冲频率法进行转速测量时，通常采用中 断捕捉方式测量每个转速信号的周期，测量过程需占 用系统时间，若每次捕捉 127 个脉冲，按 2 090 r/min 的转速来计，捕捉 127 个脉冲约需 28 m s ，这对一个 控制系统来说周期太长了，因此必须寻找到较短时间 来获得同样或近似的滤滤效果。

为缩短采样时间，采用每次采样 8 个脉冲进行 分段算术平均滤波，滤波效果如图 4 所示。

从图 4 来看，缩短了采样中断时间后，8 位分段 算术平均滤波效果并不明显，仍是按照与原始瞬时 转速相同的趋势在波动。

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