发动机转速信号的检测及数字滤波方法

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1、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）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"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

2、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

3、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

4、，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3000Hz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Td，记录下在这时间段内转速脉冲的个数Np，得到转速脉冲频率fp为:f=Np（1）pTd则转速n为：n=60fp（2）Ng作者简介：蔡登胜（1971—），男，广西全州人，高级工程师，

5、硕士，研究方向：工程机械电气与控制工程。!!!!"!!!!"工程机械第43卷2012年11月TestandResearch式中：Ng为测速齿轮的齿数。从转速计算公式可知，时间Td为准确值,测量的精度主要取决于脉冲计数Np的误差。定时脉冲频率法测量方法简单，但由于窗口时间段Td不可能与脉冲整数周期完全重合，存在起始脉冲和最后一个脉冲丢失的可能，当待测信号频率较低时，若窗口时间段较短，则测量误差较大。脉冲周期法是通过单个脉冲的周期来计算转速的方法。采用脉冲周期法测量转速，实际上是以每个脉冲周期为窗口时间段

6、，统计控制器CPU的定时器在这一窗口时间段内得到的计数值Ncc，则这个转速脉冲的周期Tp为：二是及时性。若只考虑测量精度，加大样本量是提高精度的最重要的手段，而加大样本量所导致的延时则必然影响数据的及时性，因此必须找出发动机转速的特点，在有限的时间内，将测到的异常信号滤除，从而及时获得所需要的精确转速信号。通常的数字滤波方法有均值滤波、中值滤波和限速（限幅）滤波等。3.1均值滤波算术均值滤波是将所有采样值求和后除以样本数，而加权均值滤波是在求和之前对每个采样值赋给一个权重系数ai，均值滤波计算公式为：

7、nX軍=1ΣaiXi（5）Tp=Nccni=1（3）fc式中：fc为CPU基准计数频率。则转速为：对算术滤波，式中的a=1。从均值滤波的定义可i以看出，均值滤波并不能够将干扰排除，而是将干扰分散，使数据的变化变得平滑一些。3.2中值滤波中值滤波是指将一组数据队列的中值作为滤波结果输出值的滤波方法。中值滤波计算方法为：将连续采样得到一组样本数据x1，x2，…，xn，按从小到大（或从大到小）的次序进行排序，排序后的数据按次序依次为y1，y2，…，yn。若样本个数n为奇数，则中值滤波结果为：60（4）n=N

8、·gTp可以看到，与定时脉冲频率法一样，测量精度与时钟频率fc和待测信号频率有关，在fc远远大于转速脉冲的频率时，可以取得较高的精度。工程机械用发动机转速通常在650~2500r/min的范围，采用脉冲周期法测量结果精度会更高。由于发动机转速信号检测电路属于弱电电路，在封闭的车载电气系统上，极易受到电磁干扰，从而导致测量结果出现干扰误差，另外，由于在采用脉冲周期法进行转速测量时，实际上得到的是一个个测速齿经过转速传感器时的瞬时转速，而对发动机来说，在曲轴