磁电式转速传感器输出电压波动的稳健设计

吴玮+彭艳+张磊

摘 要：在磁电式转速传感器生产、装配过程中尺寸公差、装配公差、材料性能偏差等噪音因子，造成了传感器之间输出电压的数值分散。文章采用稳健设计方法，通过优化线圈匝数、铁芯磁导率、磁钢磁感应强度等设计参数，降低输出电压波动的均值、分散区间，使磁电式转速传感器的输出电压具有一定的稳健性。

关键词：转速传感器；输出电压波动；稳健设计

1 概述

磁电式转速传感器广泛应用于发动机转速测量，在监控发动机状态过程中发挥着重要作用。发动机工作时，具有导磁性的音轮旋转，通过转速传感器线圈的磁通量发生周期性变化，线圈中产生周期性电压，通过对输出电压处理计数，测出齿轮转速[1-2]。输出电压是转速传感器的重要性能指标，其数值直接影响控制器对转速信号的判断。然而，转速传感器的输出电压对材料磁导率误差、音轮跳动、磁钢充磁误差等很敏感，尺寸公差、装配公差、材料性能偏差等噪音因子的影响造成了实际输出电压与设计值之间的偏差，以及传感器之间的数值分散，限制了磁电式传感器在更高精度控制条件下的应用。

目前，我厂基于确定参数模型设计转速传感器，忽略了噪音因子对输出电压的影响。为使传感器输出电压保持一致，通常从生产、检验过程着手，如提高加工精度、挑选产品使用等，生产成本较高。转速传感器输出电压稳健设计通过设计参数优化，达到传感器输出电压一致的目的。设计时考虑噪音因子对输出电压的影响，根据特性分散随设计参数组合的敏感程度改变的特点，设计合适的参数，减小输出电压波动，其优势是在现有生产条件下，兼顾输出电压的波动均值和分散区间。

2 输出电压波动的稳健设计

2.1 模型建立

转速传感器是根据电磁感应原理设计的，完整的测量系统由传感器及音轮两部分组成。音轮按齿形不同可分为端面齿音轮与径向齿音轮。以径向齿音轮为例，传感器的测量端正对音轮的齿，传感器的测量端与音轮的齿之间存在间隙，音轮转动时，间隙交替变化周期性地改变磁路中的磁阻，磁阻周期性的变化引起通过线圈磁通量的变化，线圈两端输出周期性、上下对称的脉冲电压信号。随着音轮转速的升高，输出电压幅值增大，直至达到饱和。

转速传感器将非电量转速信号转换为对称的脉冲信号，脉冲的频率值与转速的关系为：

其中，n为音轮转速，f为脉冲频率值，Z为音轮齿数。

由于音轮齿数Z为常数，从式（1）中可以看出，转速n与脉冲的频率值f成正比关系。

转速传感器一般由铁芯、磁钢、外壳、端盖及线圈等组成，铁芯在为传感器提供磁通路径的同时也作为骨架供绕制线圈用。

其中，N为线圈匝数，B为通过线圈的磁感应强度，S为线圈横截面积，ω为线圈切割磁场角速度。

B主要由磁钢磁感应强度B0和铁芯磁导率μ两大参数决定，其他影响因素有传感器测量端与音轮之间的间隙δ、音轮材料磁导率μ'等。

S由骨架外径D1及线圈外径D2决定，线圈外径D2又与匝数N、漆包线直径d、骨架长度L相关。

ω由音轮齿数Z和音轮转速n决定。

2.2 确定控制因子和噪音因子

确定控制因子和噪音因子如下：控制因子分别为线圈匝数N，磁钢磁感应强度B0，铁芯磁导率μ，噪音因子包括外壳磁导率误差、端盖磁导率误差、音轮转速波动、音轮跳动、音轮磁导率误差、磁钢充磁误差、周围磁场干扰等。

控制因子选取的水平值具体见表1，其依据为输出电压波动减小的方向和设计参数可改变的范围。

2.3 安排试验

确定控制因子及噪音因子之后，需选用相应的正交表，建立正交试验方案，由Minitab软件计算完成。

正交试验可从大量试验中选择出最有代表性的少数几项试验，获得可靠的结果，分析计算便捷[3]。由表1可知，控制因子确定为3个3水平值因子。全因子试验需进行27次，而选用L9（3个3水平因子）的正交表，仅需进行9次试验。建立的正交试验方案見表2。

2.4 试验实施

通过Ansoft/Maxwell 3D有限元仿真分析软件对低频输出电压峰值进行仿真计算。仿真结果见表3。

2.5 数据分析

运用Minitab软件对实验结果进行分析。

表4为信噪比响应表，可见三个控制因子对信噪比的影响排序：磁钢磁感应强度>线圈匝数>铁芯磁导率，图1为信噪比主效应图。

表5为均值响应表，可见三个控制因子对均值的影响排序：磁钢磁感应强度>线圈匝数>铁芯磁导率，图2为均值主效应图。

2.6 最佳控制因子水平

稳健设计以输出电压波动为优化方向，输出电压波动信噪比的增大代表输出电压波动幅值的减小或平均输出电压的增大。故选取大输出电压波动信噪比均值所对应的控制因子水平，其中线圈匝数N、磁钢磁感应强度B0分别选取水平2、水平3，铁芯磁导率μ选取水平1或3均可。

3 结束语

本文采用稳健设计方法，优化传感器设计参数，减小了传感器的输出电压波动，拟制了因噪音因子产生的输出电压波动分散。

参考文献

[1]强锡富.传感器[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]陈思娟，王海涛.增大磁电式转速传感器输出的方法研究[J].仪器仪表学报，2009，30（6）：742-745.

[3]陈立周.稳健设计[M].北京：机械工业出版社，2000.