柴油发动机转速测量系统滤波电路的三次设计

马强，梅卫江，石秀峰，吴疆，单志鹏

（石河子大学机械电气工程学院／新疆兵团农业机械重点实验室，石河子832003）

长期以来，降低柴油机燃油消耗和减少有害物排放是人们关注的热点，对于农业生产更是如此。柴油机在农业机械及各种小型动力装置中的应用广泛，且对我国农业机械起到至关重要的作用，其中S195柴油机是农用机械，尤其是小四轮拖拉机和农用机械的主要动力［1－2］。农用柴油机的节能减排对提高农民收入和减少环境污染具有一定的实用价值。有研究表明乙醇燃料在柴油内燃机中的使用，可减少石油产品的使用量，缓解石油工业的压力，降低农业投入，对我国农业的持续发展具有十分重要的战略意义［3］，本文就自主研发的S195农用柴油机柴油／乙醇组合燃烧电控系统中的部分电路展开研究。

1 研究内容与研究方法

1.1 研究内容

本文对柴油发动机转速测量系统的滤波电路进行研究，这涉及到转速传感器选取的问题。常用的车速传感器包括电磁感应式、霍尔效应式、光电式等，其中磁电式转速传感器属能量转换型传感器，将机械能转换为电能输出，无需媒介源电路，采用变磁通式磁电转速传感器［9－10］。变磁通式磁电转速传感器其频率等于齿轮的齿数Z和转速的乘积，即

式（1）中：Z 为齿轮的齿数；N 为被测轴转速（r／min）；f为感应电势频率（Hz）。

当已知Z时，测得f再通过计算可得N。

1.2 研究方法

发动机转速传感器在组合燃烧电控系统中非常重要。在电控系统中，转速不仅是发动机的一个简单的工作参数，而且是计算电子控制系统其它参数的依据和控制喷射正时的基准［4－7］。由于来自传感器的输出信号往往含有干扰噪声，不宜直接输入数据采集卡，为了把噪声干扰衰减到足够小的程度需要采用滤波电路进行滤波处理［8］。

本文采用三次设计对S195农用柴油机柴油／乙醇组合燃烧电控系统中滤波电路进行优化设计。

1.2.1转速测量系统滤波电路的设计

由于磁电式转速传感器输出的是较高的频率信号，所以需要通过高通滤波器对频率低于某一值的信号进行衰减。以下将对转速测量系统滤波电路进行详细的设计，高通滤波电路如图1所示。

图1 高通滤波电路Fig.1 High pass filter circuit

图1所示滤波电路的传递函数、通带放大倍数、截止频率和品质因数分别为：

品质因数Q为望目特性，设计要求目标值为Q＝1。根据柴油／乙醇组合燃烧发动机技术参数要求（起喷工况转速不低于600r／min）和齿轮的齿数（60齿）设定工作频率为100Hz。

1.2.2转速测量系统滤波电路的参数设计

（1）可控因素水平表。

系统可控参数为C、R、R1、Rf，由参数设计的非线性原理应尽量减少计算量，所以各因素均取3水平。可控因素水平表如表1所示。

表1 可控因素水平表Tab.1 The levels of controllable factors

（2）内外表设计。

选取L9（34）作为内表进行设计，把C、R、R1、Rf依次安排在内表中，如表2所示。

对4个可控因素制定误差因素水平，按三级品计算，假设三级品的电阻和电容的波动量为±10%，把可控因素水平表给的中心值作为第二水平，中心值×（1±10%）分别作为第一水平和第三水平，以内表中第一号方案为例，R＝14，R1＝1，Rf＝2，C＝0.1相应的误差因素水平如表3所示。

表2 内表及SN比数据Tab.2 The date of internal table and SNR

表3 误差因素水平表Tab.3 The levels of the error factors

因有9号实验，所以共有9张误差因素水平表。选用L9（34）作为外表安排误差因素的试验，按式5计算的数据对应每张外表填写各号试验下的输出特性值，又由于本试验为望目特性，根据信噪比（SN）的计算公式可算得每号试验的SN，填入内表，如表4所示。

SN的计算公式如下：

表4 内表各号方案输出特性值及SN比Tab.4 The output value for every plan of internal table and SNR

1.2.3转速测量系统滤波电路的容差设计

参数设计选出的最佳方案为：

以此方案为第二水平采用三级品，再按原误差因素的波动范围设计误差因素水平表，选取L9（34）为外表得出输出特性值（表5）。

表5 最佳条件的外表及输出特性值Tab.5 Optimum conditions of external table and output value

2 结果与分析

2.1 内表的统计分析

首先计算出各列SN和T1、T2、T3总和T及其修正项CT，填入表2，然后进行SN比的方差分析，结果见表6。

由表6可知：电容C对信噪比的影响是显著的，其次是R1，Rf和R。由于信噪比以大为好，对照表2可知是第8号方案，为C3R12Rf1R3，第8号方案的均值Y＝1.049与目标值1很接近，因此不需要进行均值校正。

表6 SN比的方差分析Tab.6 Variance analysis of SNR

2.2 方差分析

由于因素的水平是等间隔的，故可用正交多项式分解波动平方和，并求出相应的贡献率。方差分析结果见表7。

表7 输出特性方差分析表Tab.7 The analysis of variance table for output characteristic

2.3 容差压缩

本试验是望目特性，目标值Q＝1，由表7计算可知损失函数为n件产品的平均损失为：

倘若把贡献率最大的误差因素R1的容差压缩一半，则新的贡献率为：

其平均质量损失为：

2.4 结果

由表5和公式（12）的计算结果可知，可控因素的最佳组合为C＝（0.3±0.03）、R＝（16±1.6）、R1＝（2±0.2）、Rf＝（2±0.2）。此组合下输出特性值与目标值偏差最小，且平均损失最小。

3 结论

本文通过对组合燃烧柴油机电控系统中转速传感器的信号滤波电路进行三次设计的优化，得到了以下结论：

（1）将三次设计优化方法应用到自主研发的S195农用组合燃烧柴油机电控系统中转速传感器的信号滤波电路的设计上可提高效率和降低成本，并取得良好的择优效果。

（2）通过三次设计的优化可使本农用发动的电控系统的滤波电路达到结构参数和性能参数的合理搭配，降低系统的噪音，提高系统运行的稳定性。

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