摘要 隨著汽車制造技術(shù)的不斷提升，新型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造緊湊，導(dǎo)致汽車發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火線圈部分不易直接靠近，因而傳統(tǒng)脈沖點(diǎn)火方式的汽車速度檢測(cè)方法已無法滿足現(xiàn)在的測(cè)量要求，通過理論分析發(fā)現(xiàn)，汽車發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)的速度具有相關(guān)性，發(fā)電機(jī)輸出的三相電壓經(jīng)過橋式整流，加在汽車蓄電池兩端，而從汽車點(diǎn)煙器取出端電壓信號(hào)的方式快捷簡(jiǎn)便、操作簡(jiǎn)單、安全。文中通過多級(jí)帶通濾波電路實(shí)現(xiàn)了微弱電信號(hào)的噪聲濾波，電壓放大，最后采用快速離散傅里葉變換，完成了信號(hào)的實(shí)時(shí)頻譜分析，從而可以得到汽車速度相關(guān)的頻率信息，由此計(jì)算得到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
關(guān)鍵詞 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量；快速傅里葉變換；有源濾波器；諧波分析

    發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方式有多種，常用的有點(diǎn)火線圈脈沖、汽車振動(dòng)分析測(cè)量、光電傳感器測(cè)量等方式。由于新型轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)封閉性比較強(qiáng)，無法靠近點(diǎn)火脈沖線圈，采用點(diǎn)火線圈脈沖方式測(cè)量已不適用，振動(dòng)的測(cè)量方式針對(duì)振動(dòng)微弱的V6發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確，高速時(shí)振動(dòng)檢測(cè)有干擾影響等問題，同時(shí)這2種方式均需要打開汽車前端機(jī)蓋，操作繁瑣，安全系數(shù)較低；通過汽車點(diǎn)煙器提取汽車蓄電池電壓，而蓄電池電壓中含有脈動(dòng)的諧波成分，如果隔離出直流信號(hào)，提取其中交流信號(hào)，濾除掉雜波以及高頻干擾，放大和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)的信號(hào)，采用TI公司的TMS320F2812為平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)采集，并用快速傅里葉變換計(jì)算出其中的頻率成分，分析諧波頻率就可得到和汽車轉(zhuǎn)速相關(guān)的信息，通過間接換算得到汽車轉(zhuǎn)速。

1 信號(hào)的濾波和變換
1．1 信號(hào)耦合
    首先通過隔直通交電路將信號(hào)的蓄電池端電壓直流分量濾掉，如圖1所示，通過電容C67將直流分量濾除，然后通過電壓跟隨電路將微弱的交流信號(hào)耦合到下一級(jí)運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)處理。

1．2 高通濾波
    用FILterSolution軟件設(shè)計(jì)無限增益負(fù)反饋有源2階高通濾波器，截止頻率為600 Hz，濾掉汽車充電系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的低頻信號(hào)，通過2個(gè)二階高通濾波器串聯(lián)的形式增加衰減增益，如圖2所示。

1．3 低通濾波
    通過計(jì)算得到無限增益多路負(fù)反饋有源低通濾波器的各個(gè)參數(shù)，然后采用軟件仿真，設(shè)計(jì)出可行的濾波器，如圖3所示，并且串聯(lián)一個(gè)開關(guān)電容濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行高頻衰減，開關(guān)電容濾波器的時(shí)鐘頻率為1mHz，由DSP提供，根據(jù)max291使用要求，計(jì)算得到截止頻率為10kHz。

1．4 帶通濾波
    將低通和高通濾波器串聯(lián)形成帶通濾波，就可以得到和轉(zhuǎn)速相關(guān)的頻率信號(hào)<1～10kHz)，最后通過一個(gè)單屯源供電運(yùn)放，如圖4所示，將交變信號(hào)提升為直流變化信號(hào)，輸出通過D6作3 V限幅，從而進(jìn)入DSP的A／D測(cè)量通道進(jìn)行采樣分析。電路如圖4所示。

2 信號(hào)的采集和分析
    信號(hào)的采集采用TMS320F2812平臺(tái)，2 812自帶12位高精度A／D轉(zhuǎn)換，最小分辨率為0．000 732 V，滿足了信號(hào)檢測(cè)的精度要求，最高允許測(cè)量電壓是3 V，所以最后一級(jí)輸出采用+5 V單電源運(yùn)放將信號(hào)電壓抬高至0 V以上，輸出用電阻分壓，以及限幅電路，將電壓限制在3 V以內(nèi)。然后連接到DSP的A／D1上面。DSP采用事件觸發(fā)的方式啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，根據(jù)香農(nóng)定理，采樣頻率是最高可測(cè)量信號(hào)頻率的2倍，這樣才可還原采集的信號(hào)，可測(cè)量的最高頻率為10 kHz，所以采樣頻率設(shè)置為20 kHz，F(xiàn)FT變換采用1 024點(diǎn)，最小分辨頻率為20 Hz，為提高測(cè)量精度，可以采用更高FFT變換點(diǎn)數(shù)。
    對(duì)模擬電壓信號(hào)做快速傅里葉變換，可以計(jì)算出模擬信號(hào)的頻譜，TI公司提供快速傅里葉變換函數(shù)庫(kù)，直接調(diào)用庫(kù)文件fft就可以計(jì)算得到頻率譜。根據(jù)計(jì)算得到的頻率譜，分析其中的幅值最大點(diǎn)的位置，由此可以計(jì)算得到蓄電池的基波頻率，如果頻譜中帶有固定干擾頻率而且干擾頻率幅值比基波頻率幅值大，就采用取第二大幅值算法，從而得到隨汽車轉(zhuǎn)速變化的頻率。

3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算方法
    首先對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行命名：n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；N為汽車轉(zhuǎn)速；f為發(fā)電機(jī)的三相電壓頻率；P為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)；F為整流后紋波頻率；k為發(fā)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比；K為轉(zhuǎn)速與基波頻率比例系數(shù)
   
    其中，K=60／(k×p×i)為常數(shù)，由式(4)可得汽車轉(zhuǎn)速和蓄電池端電壓的基波頻率成正比。一般普通4缸4沖程汽車發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)P=6，轉(zhuǎn)速比k=1／2，i=6，因此K=5／6，汽車轉(zhuǎn)速
    N=5／6 x F (5)

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
    通過對(duì)長(zhǎng)安奔奔汽車測(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果如表1所示，表中對(duì)示波器和DSP的測(cè)量結(jié)果做了對(duì)比。其中發(fā)動(dòng)機(jī)的速度N通過汽車轉(zhuǎn)速表盤觀察所得，基波頻率F是測(cè)量所得，比例系數(shù)和轉(zhuǎn)速比通過式(4)計(jì)算所得。將表1中的F=1 000 Hz，代入式(5)計(jì)算得到N=833 r／min和實(shí)際的測(cè)量結(jié)果900基本吻合，誤差來源于轉(zhuǎn)速比系數(shù)。

5 誤差分析
    汽車用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是干擾的主要來源，而且這個(gè)頻率在發(fā)電機(jī)輸出的基波頻率1～10 kHz之間，幅值比較大，最后在確定轉(zhuǎn)速基波頻率時(shí)就要通過查找最大值算法區(qū)分。式(4)可知誤差主要的影響因素是發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速比k，以及DSP測(cè)量的頻率F，因?yàn)椴煌嚨霓D(zhuǎn)速比系數(shù)不伺，如果籠統(tǒng)設(shè)置k為2，顯然不合理，所以這種測(cè)量的方式，最根本的誤差產(chǎn)生于此；其次測(cè)量頻率的誤差也是影響因素，測(cè)量頻率分辨率決定了汽車速度測(cè)量的分辨率。日前采樣頻率為20kHz，測(cè)量的頻率誤差為20Hz，假設(shè)系數(shù)k=2；代入N=5／6×F=17 r／min，分辨率就為17 r／min，如果根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)速度自動(dòng)降低測(cè)量的頻率就可以獲得較高的測(cè)量精度，比如采樣頻率設(shè)置為6kHz，轉(zhuǎn)速誤差就是(6000／1 024)×5／6≈5 r／min。

6 結(jié)束語(yǔ)
    雖然文中測(cè)量方式方便快捷，但轉(zhuǎn)速比系數(shù)的誤差以及不確定性，導(dǎo)致計(jì)算出的汽車轉(zhuǎn)速產(chǎn)生誤差，所以還需要其他方式輔助計(jì)算出轉(zhuǎn)速比，比如在汽車怠速時(shí)采用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)頻率推算出汽車轉(zhuǎn)速，因?yàn)槠嚨∷俚姆秶话阍?00～1 500 r／min之間，所以測(cè)量怠速較簡(jiǎn)單，同時(shí)測(cè)量出蓄電池電壓的基波頻率，通過轉(zhuǎn)速和基波頻率計(jì)算得到比例系數(shù)，采用這個(gè)系數(shù)乘以測(cè)得的基波頻率就可以測(cè)算汽車轉(zhuǎn)速，這種方法精度高，且測(cè)量方便。其次通過增加FFT變換的點(diǎn)數(shù)，采用更高主頻的DSP，都可以提高分辨率，增加測(cè)量精度。