瞬时转速测量系统的分析研究

　　内燃机在稳定运转时,虽然其平均转速不变,但瞬时转速却是波动的。假设有一个各缸工作状况绝对一致的理想的多缸内燃机,尽管它的每个缸都应发出相同的扭矩,但各缸的工作冲程却分别在不同的时刻进行。当某一个气缸处于燃烧膨胀过程时,它就有扭矩施加在曲轴上,因而曲轴转速增加。反之,当它处于吸气、压缩及排气过程时,就需要曲轴推动活塞,因而曲轴转速降低。转速波动的情况,取决于内燃机的冲程数、缸数以及排列形式。对于一个直列L缸的四冲程内燃机而言,在一个工作循环内,它的转速应变化L次,其周期按曲轴转角计则为720°/L。而在实际的内燃机上,由于各缸工作不可能绝对一致,它们发出的扭矩不可能完全一样,所以在内燃机的一个工作循环内,其瞬时转速曲线上的各个波形不尽相同。正是这种瞬时转速曲线,含有丰富的信息,可以广泛地应用于内燃机故障诊断及控制中〔1~4〕。所以,准确测量内燃机瞬时转速,研究分析产生其测量误差的原因,以便提高测量精度,具有十分重要的意义。

　　1　系统的基本工作原理及构成

　　设在被测轴系上安装了齿数为N的齿盘(每个齿对应的角度为θ0=2π/N),轴系转动τ周(τ与冲程数有关,对二冲程内燃机τ=1,对四冲程内燃机,τ=2)的平均时间为T(转动一个齿的平均时间-t=T/(N·τ),其平均角速度为-ω=2π/T或θ0/-t0。当测出轴系转过第i个齿和第i+1个齿之间的时间差为Δti,则ti时刻瞬时转速为:

　　测量系统由传感器部分、计算机插卡和软件包等3个基本部分组成。

　　a·传感器:采用装在轴系上一齿盘旁的一个或两个电磁式传感器。其作用是将轴系的转速变化转变成电信号周期的变化,轴每转动一个齿,传感器输出的电压信号就变化一个周期。轴系在旋转时,若匀速转动,则轴的各瞬时速度都等于其平均速度,这样,传感器输出的每齿一个脉冲信号的重复周期是相同的。而当轴系非匀速转动时,则相当于在其平均速度基础上叠加了一个波动速度。于是传感器输出的脉冲序列就不再是均匀间隔的了,而是一个载波频率被波动速度信号调制的调频信号。

　　b·计算机插卡:其功能是用硬件方法精确测出传感器输出电信号的周期及其变化规律。传感器输出电压信号经过光电隔离、限幅、放大、整形、单稳等电路后变成PPM信号(即定幅、定宽的脉冲位置调制信号)VS。用VS的上升沿(对应着齿盘上某一齿正好转过传感器的时刻)作为有效沿去申请中断,将计数器当时的输出值ki记录于锁存器中,并使状态字有效;且当状态字有效时,计算机读取锁存器的值,读完后使状态字无效,计数器初期为2¹⁶-1(计数器在最先初始化时,也置为2¹⁶-1)。该过程持续下去,直到计算机得到所需的数据点数后停止。设高频晶体振荡器的频率为fc,程控分频器的分频数为d,则轴转过一个齿的时间(即相邻两次VS上升沿所对应的时间差)Δti为