基于蓄电池脉动电压测量的汽车转速检测方法

摘要 随着汽车制造技术的不断提升，新型汽车的发动机构造紧凑，导致汽车发动机点火线圈部分不易直接靠近，因而传统脉冲点火方式的汽车速度检测方法已无法满足现在的测量要求，通过理论分析发现，汽车发电机的转速和发动机的速度具有相关性，发电机输出的三相电压经过桥式整流，加在汽车蓄电池两端，而从汽车点烟器取出端电压信号的方式快捷简便、操作简单、安全。文中通过多级带通滤波电路实现了微弱电信号的噪声滤波，电压放大，最后采用快速离散傅里叶变换，完成了信号的实时频谱分析，从而可以得到汽车速度相关的频率信息，由此计算得到汽车发动机转速。
关键词 汽车发动机转速测量；快速傅里叶变换；有源滤波器；谐波分析

    发动机转速测量的方式有多种，常用的有点火线圈脉冲、汽车振动分析测量、光电传感器测量等方式。由于新型轿车的发动机封闭性比较强，无法靠近点火脉冲线圈，采用点火线圈脉冲方式测量已不适用，振动的测量方式针对振动微弱的V6发动机会出现测量不准确，高速时振动检测有干扰影响等问题，同时这2种方式均需要打开汽车前端机盖，操作繁琐，安全系数较低；通过汽车点烟器提取汽车蓄电池电压，而蓄电池电压中含有脉动的谐波成分，如果隔离出直流信号，提取其中交流信号，滤除掉杂波以及高频干扰，放大和发电机转速相关的信号，采用TI公司的TMS320F2812为平台进行信号采集，并用快速傅里叶变换计算出其中的频率成分，分析谐波频率就可得到和汽车转速相关的信息，通过间接换算得到汽车转速。

1 信号的滤波和变换
1．1 信号耦合
    首先通过隔直通交电路将信号的蓄电池端电压直流分量滤掉，如图1所示，通过电容C67将直流分量滤除，然后通过电压跟随电路将微弱的交流信号耦合到下一级运放进行信号处理。

1．2 高通滤波
    用FILterSolution软件设计无限增益负反馈有源2阶高通滤波器，截止频率为600 Hz，滤掉汽车充电系统电压调节器产生的低频信号，通过2个二阶高通滤波器串联的形式增加衰减增益，如图2所示。

1．3 低通滤波
    通过计算得到无限增益多路负反馈有源低通滤波器的各个参数，然后采用软件仿真，设计出可行的滤波器，如图3所示，并且串联一个开关电容滤波器对信号进行高频衰减，开关电容滤波器的时钟频率为1mHz，由DSP提供，根据max291使用要求，计算得到截止频率为10kHz。

1．4 带通滤波
    将低通和高通滤波器串联形成带通滤波，就可以得到和转速相关的频率信号<1～10kHz)，最后通过一个单屯源供电运放，如图4所示，将交变信号提升为直流变化信号，输出通过D6作3 V限幅，从而进入DSP的A／D测量通道进行采样分析。电路如图4所示。

2 信号的采集和分析
    信号的采集采用TMS320F2812平台，2 812自带12位高精度A／D转换，最小分辨率为0．000 732 V，满足了信号检测的精度要求，最高允许测量电压是3 V，所以最后一级输出采用+5 V单电源运放将信号电压抬高至0 V以上，输出用电阻分压，以及限幅电路，将电压限制在3 V以内。然后连接到DSP的A／D1上面。DSP采用事件触发的方式启动A／D转换，根据香农定理，采样频率是最高可测量信号频率的2倍，这样才可还原采集的信号，可测量的最高频率为10 kHz，所以采样频率设置为20 kHz，FFT变换采用1 024点，最小分辨频率为20 Hz，为提高测量精度，可以采用更高FFT变换点数。
    对模拟电压信号做快速傅里叶变换，可以计算出模拟信号的频谱，TI公司提供快速傅里叶变换函数库，直接调用库文件fft就可以计算得到频率谱。根据计算得到的频率谱，分析其中的幅值最大点的位置，由此可以计算得到蓄电池的基波频率，如果频谱中带有固定干扰频率而且干扰频率幅值比基波频率幅值大，就采用取第二大幅值算法，从而得到随汽车转速变化的频率。

3 汽车发动机转速计算方法
    首先对各个参数进行命名：n为发电机转速；N为汽车转速；f为发电机的三相电压频率；P为发电机转子磁极对数；F为整流后纹波频率；k为发电机和发动机转速比；K为转速与基波频率比例系数
   
    其中，K=60／(k×p×i)为常数，由式(4)可得汽车转速和蓄电池端电压的基波频率成正比。一般普通4缸4冲程汽车发电机的极对数P=6，转速比k=1／2，i=6，因此K=5／6，汽车转速
    N=5／6 x F (5)

4 实验数据分析
    通过对长安奔奔汽车测试得到的实验数据，测量结果如表1所示，表中对示波器和DSP的测量结果做了对比。其中发动机的速度N通过汽车转速表盘观察所得，基波频率F是测量所得，比例系数和转速比通过式(4)计算所得。将表1中的F=1 000 Hz，代入式(5)计算得到N=833 r／min和实际的测量结果900基本吻合，误差来源于转速比系数。

5 误差分析
    汽车用电设备产生的谐波是干扰的主要来源，而且这个频率在发电机输出的基波频率1～10 kHz之间，幅值比较大，最后在确定转速基波频率时就要通过查找最大值算法区分。式(4)可知误差主要的影响因素是发动机和发电机转速比k，以及DSP测量的频率F，因为不同汽车的转速比系数不伺，如果笼统设置k为2，显然不合理，所以这种测量的方式，最根本的误差产生于此；其次测量频率的误差也是影响因素，测量频率分辨率决定了汽车速度测量的分辨率。日前采样频率为20kHz，测量的频率误差为20Hz，假设系数k=2；代入N=5／6×F=17 r／min，分辨率就为17 r／min，如果根据发动机速度自动降低测量的频率就可以获得较高的测量精度，比如采样频率设置为6kHz，转速误差就是(6000／1 024)×5／6≈5 r／min。

6 结束语
    虽然文中测量方式方便快捷，但转速比系数的误差以及不确定性，导致计算出的汽车转速产生误差，所以还需要其他方式辅助计算出转速比，比如在汽车怠速时采用加速度传感器测量振动频率推算出汽车转速，因为汽车怠速的范围一般在700～1 500 r／min之间，所以测量怠速较简单，同时测量出蓄电池电压的基波频率，通过转速和基波频率计算得到比例系数，采用这个系数乘以测得的基波频率就可以测算汽车转速，这种方法精度高，且测量方便。其次通过增加FFT变换的点数，采用更高主频的DSP，都可以提高分辨率，增加测量精度。