磁电式转速传感器单电源信号调理电路设计

2015-09-04周澍张旻周振超

汽车工程师 2015年9期

周澍张旻周振超

（富士通南大软件技术有限公司）

转速测量方法主要有磁电式和霍尔式2种，它们都利用传感器和测速齿盘之间的相互作用来测量转速。不同的是磁电式转速传感器是一种无源传感器，不需要辅助电源就能将被测对象的机械能转换成易于测量的电信号[1]。且由于结构简单及安装间隙精度要求低等优点被广泛用于发动机电子控制系统中。目前高校或科研院所通常采用双电源运算放大电路调理磁电转速信号，双电源的电路设计带来了模拟地的零电位偏移以及电源模块冗余问题。针对这一系列课题，文章提出引入虚拟地等设计的单电源转速调理电路设计方案，该电路能向发动机控制器点火同步等模块提供精准的基准脉冲信号。

1 磁电式转速传感器结构及工作原理

磁电式转速传感器的工作原理，如图1所示。

断路环的感应电动势公式，如式（1）所示。

式中：UM——磁电式转速传感器的输出电压幅值，V；

UM取决于N和而既和凸齿/缺齿与传感器的间隙有关，也和齿盘的转速有关。由式（1）可知，在齿形和齿间距固定不变的情况下，dΦ在不同转速下不变，UM将随n的升高而线性增大[2]。

在发动机启动阶段（平均转速为100～200 r/min），磁电式转速传感器的输出信号幅值只有0.2～1.0 V；但在发动机高速工况（平均转速达5 000～6 000 r/min）时，输出信号幅值可超过50 V。

N——线圈的匝数；

Z——齿数；

Φ——磁通量，Wb；

n——转速，r/min。

2 磁电式转速传感器信号调理电路设计

磁电式转速传感器信号具有幅值随转速的升高而线性增大等特点，所以需要经过一系列调理后才被输入到单片机的捕获模块。图2示出采用Proteus软件设计的磁电式转速传感器信号调理电路，该电路主要由低通滤波电路、钳位电路、电压跟随电路及迟滞比较电路四部分构成。

2.1 低通滤波电路

低通滤波电路由R2和C1组成，滤除信号中频率较高的干扰波。根据工程经验，R2和C1存在匹配关系，选取1组匹配的即可，因此R2和C1的值可以通过式（2）计算得到，f通过当前发动机允许最大转速及齿数计算获得[3]。

式中：f——发动机最大转速对应的频率，Hz；

R——滤波电阻，Ω；

C——滤波电容，F。

2.2 钳位电路

D1和D2选用肖特基二极管S100，利用其导通特性构成的钳位电路将电压信号钳在±0.85 V，防止高转速产生的高电压损坏电路[4]。

2.3 电压跟随电路

通过R7和R8分压电路获得2.5 V电压，再经过由LM358构成的电压跟随电路，作为虚拟地输出转速调理电路。此时Vnode2测到的转速信号是以（2.5±0.85）V幅值变化的方波。

2.4 迟滞比较电路

迟滞比较电路即施密特电路，该电路可以有效屏蔽由LM393反向输入信号在门限值附近因信号噪声而带来的干扰。此外，由于迟滞比较电路带来的正反馈远比电路中的寄生耦合强很多，故迟滞比较电路还可免除由电路寄生耦合产生的自激振荡。

该设计在发动机低转速工况时效果明显，可以有效过滤因低转速产生的信号毛刺。

2.5 信号调理效果

测试台架模拟发动机常速工况（2 000 r/min），分别获取观测点Vnode1和Vnode2的电压波形图，如图3所示。由图3a可见，迟滞比较电路的输入是以（2.5±0.85）V幅值变化的方波信号；由图3b可见，迟滞比较电路的输出是标准的TTL电平的转速信号。

3 性能测试及试验数据分析

3.1 测试目的

本次项目的发动机有效转速为4 00～6 000 r/min，在此转速区间控制器需要获得稳定可靠的转速信号，所以需要通过测试台架对本电路设计进行性能验证。本次测试主要目的是统计在一定时间内发动机处于各种工况下调理后的转速信号的毛刺数，用于分析该电路设计的实用性及可靠性。

3.2 测试台架及测试方法

图4示出发动机转速测试台架，它是模拟真实发动机运行时的转速信号采集机构，主要由凸轮轴/曲轴码盘、磁电转速传感器、直流有刷电机及驱动器构成。通过旋变电位器进行电机转速控制，并通过霍尔信号将当前电机转速值反馈到LED显示。单片机通过捕获模块对调理后的脉冲进行脉宽计算，在电机进入稳定转速状态后，单片机捕获的前后脉冲宽度差值达到5%脉宽，即视为毛刺信号并进行计数统计。

3.3 数据分析与结论

通过测试台架模拟发动机在低速（400 r/min）、常速（2 500 r/min）及高速（6 000 r/min）3种工况下产生的磁电传感器信号，并针对各工况进行6 h压力测试，测试结果毛刺数均为0。因此可以看出，该转速信号调理电路可以长时间保持调理信号的高可靠性，零毛刺的信号调理效果大大降低了发动机控制软件对于转速信号的滤波成本，提高了控制器点火同步的精度，完全满足性能需求。