磁電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理和特點

磁電轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理和特點磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是利用磁電感應(yīng)來測量物體轉(zhuǎn)速的， 屬于非接觸式轉(zhuǎn)速測量儀表。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器可用于表面有縫隙的物體轉(zhuǎn)速測量，有很好的抗干擾性能，多用于發(fā)動機等設(shè)備的轉(zhuǎn)速監(jiān)控，在工業(yè)生產(chǎn)中有較多應(yīng)用。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理磁電式轉(zhuǎn)速傳感器是以磁電感應(yīng)為基本原理來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器由鐵芯、磁鋼、感應(yīng)線圈等部件組成的，測量對象轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)速傳感器的線圈會產(chǎn)生磁力線，齒輪轉(zhuǎn)動會切割磁力線，磁路由于磁阻變化，在感應(yīng)線圈內(nèi)產(chǎn)生電動勢。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)電勢產(chǎn)生的電壓大小，和被測對象轉(zhuǎn)速有關(guān)，被測物體的轉(zhuǎn)速越快輸出的電壓也就越大，也就是說輸出電壓和轉(zhuǎn)速成正比。但是在被測物體的轉(zhuǎn)速超過磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的測量范圍時，磁路損耗會過大，使得輸出電勢飽甚至是銳減。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的特點磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作方式?jīng)Q定了它有很強的抗干擾性，能夠在煙霧、油氣、水汽等環(huán)境中工作。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號強，測量范圍廣，齒輪、曲軸、輪輻等部件，及表面有縫隙的轉(zhuǎn)動體都可測量。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的工作維護成本較低，運行過程無需供電，完全是靠磁電感應(yīng)來實現(xiàn)測量，同時磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的運轉(zhuǎn)也不需要機械動作，無需潤滑。磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、安裝使用方便，可以和各種二次儀表搭配使用?，F(xiàn)在的柴油機正在經(jīng)歷以柴油機電控化為核心的第 3次技術(shù)飛躍。ECU技術(shù)是柴油機電控化的核心技術(shù)之一，它采集發(fā)動機的相位、轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（n）、燃油壓力、油門位置、溫度等信號,通過一定的算法得出泵油和噴油的參數(shù)，并驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器工作。在 ECU中，曲軸和凸輪軸相位傳感器信號是整個發(fā)動機工作時序的基礎(chǔ)，其作用相當于芯片中的時鐘。發(fā)動機的n、噴油相位以及判缸信號等都是通過這兩個傳感器計算處理得出的。因此，設(shè)計一種抗干擾能力強，可靠性高的曲軸和凸輪軸傳感器信號處理模塊對整個柴油機電控單元來說至關(guān)重要。常用的發(fā)動機曲軸和凸輪軸相位傳感器有霍爾式傳感器和磁電式傳感器兩種。磁電式傳感器具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、耐腐蝕、耐沖擊、可靠性高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，故本研究采用兩個磁電式傳感器分別測量6缸發(fā)動機的曲軸和凸輪軸相位信號。其中，一個磁電式傳感器用于測量曲軸相位即48X信號（X代表齒數(shù)，即曲軸齒輪盤被48等分，但缺3個齒）；另外一個磁電式傳感器用于判斷凸輪軸相位即7X信號（凸輪軸上的齒輪盤被6等分，但上止點的位置多1個齒）。通過對7X和48X信號的捕捉可計算發(fā)動機的n及相位。磁電式傳感器的特性（1）工作原理磁電式傳感器的工作原理如圖1所示，它主要由旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)輪（被等分的齒輪盤，上面有多齒或缺齒）和相對靜止的感應(yīng)線圈兩部分組成。當柴油機運行時，觸發(fā)輪與傳感器之間的間隙周期性變化，磁通量也會以同樣的周期變化，從而在線圈中感應(yīng)出近似正弦波的電壓信號。也舛L趾:圖1唱電式傳也商辛［件?腐堆(2)輸出特性由磁電式傳感器工作原理可知，其產(chǎn)生的交流電壓信號的頻率與齒輪轉(zhuǎn)速和齒數(shù)成正比。在齒數(shù)確定的情況下，傳感器線圈輸出的電壓頻率正比于齒輪的轉(zhuǎn)速，其關(guān)系為f=np：± (\)式中，n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/s；z為觸發(fā)輪被等分的齒數(shù)；f為磁電式傳感器的輸出信號頻率，Hz。磁電式傳感器的輸出電壓不僅與傳感器和觸發(fā)輪間的間隙( d)有關(guān),而且與n有關(guān)。為了設(shè)計合理的磁電式傳感器信號處理模塊，本研究在不同的d以及n條件下，通過大量的試驗測出傳感器的輸出電壓特性。圖2為不同的n條件下,7X傳感器輸出峰值電壓與d的關(guān)系；圖3為在不同的d條件下,7X傳感器輸出峰值電壓與n的關(guān)系。48X傳感器輸出峰值電壓信號特征也如此。從圖中可看出，在同一d條件下，傳感器輸出的峰值電壓隨n升高而增大；在同一n條件下,d

越小，其輸出峰值電壓越高。由此可以擬合出傳感器的輸出峰值電壓特性為SKX字 (2/式中/為傳感器輸出峰值電壓,V；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速,r/s；d為傳感器與觸發(fā)輪間的間隙，mmK為與傳感器有關(guān)的參數(shù)。;| *r■I..IiHh--?-——'It11'H;| *r■I..IiHh--?-——'It11'HI■ .'r*\tmil■ 1:UlIE不ad務(wù)伴下】兀件即域出卻值電壓割"II砒1 :monNrmin1圖3不戌”條件下F.T傳愿器檢出埠佰電壓硬件優(yōu)化設(shè)計傳統(tǒng)的磁電式傳感器處理方法是通過比較器對輸入波形進行整形，但由于磁電式傳感器的輸出電壓在發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化很大比較器的參考電壓的選擇成為一個難題。米用的參考電壓過高，則在n較低時，由于傳感器輸出峰值電壓過低，整形后無高電平信號輸出；參考電壓過低，

則在n較高時，由于輸出電壓信號變大，齒輪盤振動加居IJ,傳感器輸出信號毛刺增多，比較器無法過濾這些因素引起的干擾。圖4即為某轉(zhuǎn)速下采用較低的圖4即為某轉(zhuǎn)速下采用較低的定參考電壓,比較器整形后輸出的波形。從圖中可以看出，該處理方式無法過濾干擾。更下尿E檢出估號更下尿E檢出估號基于以上問題，設(shè)計了一種新型的發(fā)動機曲軸和凸輪軸磁電式傳感器信號智能處理電路模塊。該模塊的核心是通過軟件設(shè)定磁電式傳感器信號整形比較器的參考電壓，根據(jù)磁電式傳感器輸出信號與n間的關(guān)系特征，設(shè)定出不同n條件下的比較器參考電壓值。在發(fā)動機運行過程中，該模塊根據(jù)n輸出相應(yīng)的電壓作為傳感器整形比較器參考電壓值。采用這種方式處理傳感器信號，可以在n較低時，采用較低的參考電壓以盡快實現(xiàn)發(fā)動機判缸；在n較高時，則可以采用較高的參考電壓以避免干擾。使用這種新型的信號處理方式，可以同時滿足發(fā)動機低轉(zhuǎn)速判缸以及系統(tǒng)高抗干擾性的要求。模塊的硬件結(jié)構(gòu)如第30頁圖5所示,7X和48X磁電式傳感器的輸出信號經(jīng)過屏蔽雙絞線進入ECU后,先經(jīng)過前端預(yù)處理和過壓保

護電路，再經(jīng)過低通濾波后進入比較器的一端。輸出信號經(jīng)過比較器整形后輸入PIC18F458的CCP模塊進行捕捉計算，然后通過智能判缸程序處理后在RB口輸出判缸信號（7X信號）、每缸上止點信號111損IT、TTIJ（111損IT、TTIJN.g” 7：K土口> 『1一Lf1CCPhl忖kH'lE戍床■rt4：VI1圖*吊號亞即屯席傳感器輸入信號比較器的參考電壓采用隨n變化的方式。PIC18F458內(nèi)部帶有一個比較參考電壓模塊，通過設(shè)定相應(yīng)的寄存器值，可以輸出量程為0.00V3.13V，共16種參考電壓Vref。該參考電壓經(jīng)過電阻分壓可以得到7X和48X信號對應(yīng)的比較器參考電壓Vref1和Vref2 。在不同n條件下7X和48X信號整形比較器所對應(yīng)的參考電壓Vref1和Vref2如圖6所示。其中，參考電壓的起始值為0.05V，隨n成正比變化。Vref1和Vref2經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送入PIC18F458進行檢測以確定輸出的參考電壓值是否正25IX-25IX-圖6不同“條件下比較器蚤蜘11壓軟件設(shè)計該模塊的軟件主要實現(xiàn)參考電壓的設(shè)置、發(fā)動機判缸以及故障診斷的功能，它包括系統(tǒng)初始化以及CCP輸入捕捉中斷處理。系統(tǒng)初始化將參考電壓起始值設(shè)置為0.050V,然后打開PIC18F458的CCP中斷對比較器輸出的方波進行捕捉。CCP1模塊捕捉到比較器輸出的7X信號的中斷處理如圖7所示。PIC18F458捕捉到中斷后，先判斷兩次中斷間隔時間是否合理，如果合理則先進行判缸，根據(jù)判缸結(jié)果在RB口輸出7X信號或者6X信號，然后進行轉(zhuǎn)速范圍判斷以設(shè)置合理的參考電壓；如果中斷時間間隔不合理，且累計不合理次數(shù)少于3次，則判斷為非故障,PIC18F458通過計算輸出方波信號；如果中斷時間間隔累計不合理次數(shù)大于3次的話，則判斷為故障，PIC18F458通過SPI通信向MC68376輸出故障狀態(tài)并重新啟動整個系統(tǒng)。48X信號的CCP2捕捉中斷處理原理與此相同軟件還帶有參考電壓合理性判斷功能。通過PIC18F458的A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸出的參考電壓進行A/D轉(zhuǎn)換后，進入微處理器用于判斷參考電壓是否工作正常。如果參考電壓與對應(yīng)的轉(zhuǎn)速下預(yù)設(shè)的參考電壓值差別過大，則判斷為故障。試驗結(jié)果該模塊在GD1高壓共軌式柴油機電控單元上進行了可靠性試驗。試驗結(jié)果表明，相對于以前的磁電式傳感器處理電路，新型的處理模塊有以下優(yōu)點：發(fā)動機起動時判缸速度更快；圖8為發(fā)動機起動時曲軸'凸輪軸磁電式傳感器輸出信號處理前后的對比；由圖可見，在發(fā)動機起動很短的時間內(nèi)(0.5s)即可正確輸出判缸信號；(2)電路的抗干擾性增強；在柴油機工作轉(zhuǎn)速范圍(100r/min2500r/min)內(nèi)均能正確輸出判缸信號和相位信號，充分滿足ECU的需要。(3)運行可靠；通過對輸出參考電壓的標定，該模塊在不同的曲軸、凸輪軸傳感器安裝間隙下，都能夠可靠地運行?！覶帕冷-----aywwvwww啊訕一WWWWWii刪IWWlBb刪刪J