发动机转速信号的检测及数字滤波方法

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，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，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，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：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·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，在曲轴转动一周的过程中转速并不是均匀的，因此在采用脉冲周期法测量转速时，必须考虑上述两种情况造成的测量误差。对于信号的失真，可以通过硬件电路和软件算法进行处理，硬件电路通常是采用低通滤波的方法进行处理，将高于正常转速的频率信号进行滤除，在此不再赘述。由于电子元件参数的分布影响，硬件滤波的方法通常无法精确地将所有高于正常转速的频率信号滤除掉，因而必须通过软件滤波算法进行滤波。M（x）=y（n+1）/2若样本个数n为偶数，则中值滤波结果为：（6）M（x）=yn/2+y（n+2）/2（7）2中值滤波由于去掉了极大、极小值，对偶发干扰具有较好的滤波效果，但连续采样的数据数量越大，排序计算量就越大，对控制系统的运算速度要求也越高。3.3限速（限幅）滤波限速（限幅）滤波属于一种经验滤波，主要算法为：将本次采样值x与上次采样值x的变化量的nn-1绝对值，与预设最大允许变化量Δx进行比较，如果小于或等于Δx，则取本次采样值为当前值，若大于Δx，则丢弃本次采样值，取上一次的采样值作为当前值，计算公式为:ΣΣXn=Xn-1，xn-xn-1Xn=Xn，Σxn-xn-1≤ΔxΣ转速信号的数字滤波算法在进行数字滤波设计时，首先必须清楚控制系统对发动机转速测量的要求，即控制系统的所有控制变量因子都必须达到两点基本要求：一是精度，3（8）＞ΔxΣ限速滤波的难点在于Δx的选择，若Δx取值太大，则无法将干扰滤除，若Δx取值过小，则无法—20—工程机械第43卷2012年11月TestandResearch反映真实的信号变化。对数字滤波来说，采样数据量越大，则抗干扰能力越强，滤波后的数据平滑性也越好，但考虑到采样数据量越大，则所需时间越长，对系统的响应速度是不利的。根据控制系统对采样变量的两个要求：精度和及时性，必须对两者进行平衡。为加大采样数据量，并尽可能减少数据采集时间对及时性的影响，通常可以采用FIFO（先进先出）的数据处理办法，即一组包含n个数据x1，x2，…，xn的采样数据集，若有新的采样数据xn+1，则将最先测到的x1去除，使采样数据集依然保持为n个数据，以此类推，采用FIFO的样本数据处理方法，可以改善数据的平滑性。发动机转速的实际滤波设计挖掘机发动机的转速主要通过检测飞轮转速来获得。对于飞轮齿数为Ng的发动机，转速脉冲信号的频率为：4f=N·gn（9）60若飞轮齿数Ng为127齿，发动机的正常转速n为650~2500r/min，根据式（9），正常转速检测信号的最低频率为1375Hz，最高频率为5292Hz。要对这样的频率信号进行检测，根据前文分析，采用脉冲周期法对转速传感器信号进行采样，采样结果如图2所示。图2是采用脉冲周期法测量到发动机的500个瞬时转速值，图中纵坐标为转速，横坐标为采样数。实际上每一个采样得到的转速都是测速齿经过转速传感器时的瞬时速度，图2显示出在发动机旋转一圈（即任意127个采样）中，实际上转速并不是均匀的，并且变化还相对较大，在固定油门及负载无变化的情况下，500个采样得到的最大瞬时转速为2105r/min，最小瞬时转速为2079r/min，最大的瞬时速度比最小瞬时转速高出26r/min，即在系统无变化的情况下，测到的转速值在不断地波动，这一波动会造成控制系统输出的扰动，必须通过滤波来消除这样的干扰。假设不存在干扰的情况下，按照发动机旋转一圈的齿数选取每次127个脉冲作为当前采样进行FIFO算术平均滤波，得到127位FIFO算术平均滤波结果如图3所示。图3显示，通过127位算术平均滤波后，得到转速为2090~2092r/min，只有2r/min的波动，说明以整转脉冲个数作为样本数据集进行算术平均滤波，对转速周期性的波动可以取得较好的滤波效果。在采用脉冲频率法进行转速测量时，通常采用中断捕捉方式测量每个转速信号的周期，测量过程需占用系统时间，若每次捕捉127个脉冲，按2090r/min的转速来计，捕捉127个脉冲约需28ms，这对一个控制系统来说周期太长了，因此必须寻找到较短时间来获得同样或近似的滤滤效果。为缩短采样时间，采用每次采样8个脉冲进行分段算术平均滤波，滤波效果如图4所示。从图4来看，缩短了采样中断时间后，8位分段算术平均滤波效果并不明显，仍是按照与原始瞬时转速相同的趋势在波动。—21—图3发动时瞬时转速与127位FIFO算术平均滤波结果图4瞬时转速与8位分段算术平均滤波结果工程机械第43卷2012年11月TestandResearch若保持相同的中断采样时间，采用8位分段中值滤波算法进行滤波，所获得的滤波效果如图5所示。从图5来看，缩短了采样中断时间后，采用8位分段中值滤波算法与采用8位分段算术平均滤波效果基本一样，无法消除周期性的波动，因此，要增大采样数，同时保证较短的采样时间，避免占用过多的CPU资源，必须采用组合滤波方法。试图对8位原始采样信号在进行分段算术滤波、分段中值滤波后再进行二级滤波。在二级滤波时，由于没有CPU资源过多占用的担忧，通过两级滤波取得更多的采样信号。以下对算术滤波法与中值滤波法分别组合形成的二级滤波效果进行分析研究。图6为一级8位分段算术平均滤波加二级8位中值FIFO滤波的滤波效果，图7为一级8位分段中值滤波加二级8位分段算术平均滤波的滤波效果，图8为一级8位分段中值滤波加二级8位FIFO算术平均滤波的滤波效果。从图6、图7和图8可以看出，采用两级滤波后，不论是哪一种滤波组合，其滤波效果与单级127位滤波效果基本相同。在第一级滤波中采用中值滤波，更能排除转速的瞬时波动，同时考虑到在实际工作时，转速信号的采样是间隔进行的，在二级滤波中采用FIFO算术平均滤波，得到的转速更平滑，并且采用FIFO还可以根据控制的需要，随时获得足够的一级滤波值来进行二级滤波，从而获得更好的及时响应能力。因此，在一级滤波时采用8位分段中值滤波，在二级滤波时采用8位FIFO算术平—22—图5瞬时转速与8位分段中值滤波结果图6一级8位分段算术平均滤波＋二级8位中值FIFO滤波效果图7一级8位分段中值滤波＋二级8位分段算术平均滤波效果工程机械第43卷2012年11月TestandResearch—23—图8一级8位分段中值滤波＋二级8位FIFO算术平均滤波效果工程机械第43卷2012年11月TestandResearch均滤波得到的结果与127位的大数据量滤波效果更接近，转速曲线更平滑。滤波，能获得比较理想的结果。就其他工程机械发动机转速测量而言，采用两级组合滤波方式也是可以的，但究竟采用哪种组合滤波方式能更好地满足控制要求，尚待进一步分析探讨。结束语本文分析了挖掘机发动机转速的测量系统，对转速的测试方法及滤波方法进行了探讨，并针对发动机转速的不均匀性，结合控制系统对转速存在的测量精度和及时性要求，提出了分段中值滤波和FIFO算术平均滤波两级滤波的转速滤波方法，以在降低单片机资源占用的情况下，获得较好的检测及时性及测量精度。对挖掘机发动机转速测量而言，采用图8所示的方案，即数字滤波采用两级组合滤波方式，一级为8位分段中值滤波，二级为8位FIFO算术平均5参考文献[1]蒋东方.基于边沿捕捉与中值滤波的航空发动机转速测量[J].仪表技术与传感器，2009（2）：96-99.[2]王保强，窦文，白