（精密仪器及机械专业论文）基于振动原理的发动机转速测量方法的研究.pdf

摘要 摘要 汽车技术的发展很大程度上取决于汽车试验技术的发展，随着汽车工业的发展，适应现 代汽车技术要求，并采用现代仪器设备的汽车检测与诊断技术应运而生。发动机测试技术是 汽车试验技术中的一个重要组成成分，转速是发动机试验中的一个重要测试参数，是发动机 运行综合状况的一个综合体现，在内燃机工程中，瞬时转速的测量工作意义重大。 目前发动机转速检测方法已经成熟，但仍缺少一种能够实现发动机在不解体条件下( 或 仅卸下个别小件) 的快速测量方法。针对这情况，本文对基于振动原理的发动机转速测量 技术进行了研究。 本论文首先分析了传统的发动机转速测量方法的原理与优缺点，并分析了内燃机工作时 的内部振动激励，在此基础上论证了用振动方法测量发动机转速方法的可行性。并在此基础 上设计了基j 1 m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的振动法测发动机转速的硬件系统，包括a d ，信号调理，u s b 2 o 内存扩展及显示电路等处理器接口电路，另外开发了相应的d s p 软件，并设计了f f t 等数字 信号处理的算法。 关键词：发动机转速；振动；d s p ：f f t 东南大学硕士论文 a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l et e c h n o l o g yt oal a r g ee x t e n td e p e n d s0 1 1t h ed e v e l o p m e n to f t h ea u t o m o b i l et e s tt e c h n o l o g y a l o n gw i t ha u t o m o b i l ei n d u s t r y ，sd e v e l o p m e n t , t h em o d e m v e h i c l ed e t e c t i o na n d d i a g n o s i st e c h n o l o g i e sa r i s ei nt h ec o n t e x to fm o d e ma u t o m o b i l et e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t s e n g i n et e s t i n gi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h ev e h i c l et e s t i n gt e c h n o l o g y t h e r o t a t i o n a ls p e e di sa l li m p o r t a n tt e s tp a r a m e t e ri na ne n g i n et e s t , f o ri ti sac o m p r e h e n s i v e r e f l e c t i o no ft h es t a t u so fa ne n g i n em o v e m e n t i nt h ee n g i n ep r o j e c t , t h em e a s u r e m e n to ft h e i n s t a n t a n e o u sr o t a t i o n a ls p e e di ss i g n i f i c a n t t h o u g ht h ee r a - r e n te n g i n es l l 髓 dd e t e c t i o nm e t h o dw a sa l r e a d ym a t u r e ，o k i n do fr a p i d m e a s u r e m e n tm e t h o dw a ss t i l ll a c k e dt or e a l i z et h et e s tw o r kw i t h o u td i s m a n t l i n gt h ee n g i n e i n v i e wo ft h i ss i t u a t i o n , ar a p i dm e a s u r e m e n tm e t h o db a s e d0 1 1t h ev i b r a t i o ns i g n a l so ft h ee n g i n ei s r e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a d i t i o n a le n g i n es p e e dm e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ca n a l y s e d a l s o t h em e c h a n i s mo ft h ee n g i n ei n t e r n a ls h o c ke x c i t a t i o ni sd i s c u s s e dt op r o v et h el l wm e t h o d s f e a s i b i l i t y t h eh a r d w a r eb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2i sd e s i g n e d b e s i d e sd s p 乳墒聊a ，ad i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gs u c ha sf f ra l g o r i t h m si sa c h i e v e d k e y w o r d s ：r o t a t i o n a ls p e e d ；v i b r a t i o n ；d s p ；f f r h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：触日 期：删 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：雌导师签名：衅日 期：划 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着汽车工业的发展，汽车保有量迅猛增长，汽车维修任务相应加大，同时由于汽车的机 构日益复杂，电子化程度越来越高，汽车维修难度相应加大，单凭经验进行的汽车维修已不能 适应现代汽车的技术要求，于是采用现代仪器设备的汽车检测与诊断技术应运而生，现代汽 车的检测与诊断，是一种全新的，现代化的检验工作，它与传统的人工检查有原则上的不同， 它是借助科学技术的新成就，利用必要的仪器、设备，在满足整车不解体条件下进行检测，从 而确定汽车技术状况、工作能力和故障部位。现代仪器诊断法的优点是诊断速度快、准确性 高、能定量分析。 汽车技术的发展很大程度上取决于试验技术的发展。发动机测试技术是汽车测试技术的 一个重要组成部分，也是最复杂的一个部分 衡量发动机动力性和经济性的指标主要有：功率、扭矩、转速、燃油消耗等，在发动机 常规性能试验中测量的参数有发动机的功率、扭矩、转速、燃油消耗量和燃油消耗率、燃油 温度、润滑油压力和温度、进气压力和温度、排气温度和压力、冷却水的进出口温度等 转速是发动机的一个重要参数，是发动机运行状况的一个综合体现发动机转速的变 化规律是作用于曲轴上的气体压力扭矩、摩擦力扭矩、往复惯性力扭矩、负荷等各种力矩共 同作用的结果，含有丰富的信息。另外，转速的测量有简单、准确、不介入等优势，所以， 转速测量技术一直是发动机测量技术的基础。在七十年代末，由于微电子技术，特别是计算 机技术的发展与普及，使得发动机瞬时转速测量技术得以实现。同时，内燃机工业的发展、 电控技术的采用、可诊断性要求的提高以及测量技术发展的要求等，都对发动机瞬时转速测 量技术的发展起着推动作用。随着发动机瞬时转速测量技术水平的迅速提高，其应用范围也 很快得到了扩大 发动机的转速通常可分为稳定转速、循环转速和瞬时转速，并分别应用于不同的研究中。 利用发动机转速的波动变化规律可以对发动机运行参数进行监测，利用发动机瞬时转速还可 以对发动机功率进行估算。因此，测量瞬时转速可以在发动机工作阶段及时的发现发动机故 障，预防事故发生 在内燃机工程中瞬时转速意义重大，传统的发动机转速检测方法已经十分成熟，也具备 相当的测量精度，然而在实际使用时都存在不可避免的弊端，这些测量都需要在发动机的连 接部件或内部的旋转部件上安装传感器，测量费时费力，不适合快速检测。例如目前通常使 用的非接触的光电式测量，需要在发动机传动轴( 或其它转动部位) 上粘贴光标纸，这不仅麻 烦而且在测量中光标纸容易脱落，致使测量中断。其次，转速表与光标纸的距离受到光线强 度和转速表灵敏度的限制，因此测量十分不便，特别是在需要边测量边调试的场合，往往是事 倍功半。 因此开发一种便捷快速的发动机转速测量仪，尽可能的缩短监测时间，降低汽车的维修 成本和对维修人员的专业技术要求，这无疑符合现代汽车发动机测试试验要求的快速便捷的 特性 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外研究与应用现状 早在2 0 世纪4 0 、5 0 年代，国外一些发达国家就成功研制了一些功能单一的检测或诊断设 备，它们通过检测电流、电压、温度等用简单仪表就可获得的参数，结合操作者的经验进行 故障诊断，但这种方法依赖于操作者的经验，存在很大的局限性。6 0 年代后期，国外汽车发 动机检测诊断技术发展很快，出现了示波器、转速袁、真空表、功率表以及c o 测定器等检测 仪器。它们是发动机检测与诊断设备的雏形但由于它们依靠操作者来逐项进行，而且是边 诊断、边记录，因此效率较低。进入7 0 年代后，随着微型计算机的问世，传感器技术飞速发 展，从而为发动机性能检测、故障诊断技术的发展提供有利的条件。这段时间，不仅单个检 测、诊断设备实现了微机控制，而且出现了检测控制自动化、数据采集自动化、数据处理自 动化、检测诊断结果自动储存并可打印的现代综合检测技术，检测效率较高。进入8 0 年代后， ，一些发达国家的现代检测与诊断技术已达到广泛应用的阶段。不仅在专职的汽车检测站，而 且在一般的维修企业都使用了先进的检测与诊断设备，从而给交通安全、环境保护、节约能 源、降低运输成本等方面带来了明显的社会效益和经济效益懵- 目前，日本小野测器公司推出了一种通过测量电机电磁变化以及电机噪音来反映电机转 速的转速测量仪最新推出的产品为f t - 1 5 0 0 转速表。f t - 1 5 0 0 是一种新型高级转速仪。可以 从马达及各种旋转机械发生的噪声、振动或磁场变化来测量转速。由于其运算采用f f t ( 快 速傅立叶变换) ，即使来自噪声仪或振动传感器的波形信号很复杂也可抽出相应予转速的 频率成分，运算并显示转速。有些设备内部装有马达，其旋转轴藏在内部看不到，用一般的 方法测不出其转速，但用f t - 1 5 0 0 转速仪可方便地测量。一般测转速时，需在旋转轴上贴反 射标记，或要对旋转轴作特殊加工，但用f t - 1 5 0 0 转速仪时却完全没有必要。f t - 1 5 0 0 转速表 能够很方便的测量看不到的电机转轴的转速，例如：冰箱压缩机、空调压缩机、电动剃须刀、 电动牙刷等产品的转速 当前，由于电子技术、智能传感器技术、集成电路技术和计算机技术的进一步发展，特 别是人工智能技术和专家系统技术的日益成熟，发动机检测与诊断技术进入了新的发展阶 段目前国外的汽车发动机检测与诊断技术正在向智能化、自动化、精密化和综合化方向发 展，应用新技术，开拓新领域，研制新的检测与诊断设备已成为国外发动机检测与诊断技术 发展的标志。 1 2 2 国内研究与应用现状 我国从6 0 年代开始研究汽车发动机检测技术，为满足汽车维修需要，当时交通部主持 进行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时仪等检测仪器的研究、开发。7 0 年代，我国大 力发展了汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国家科委的开发应用项目，由交 通部主持研制开发了发动机综合检测仪、汽车性能综合检验台等检测设备。进入踟年代， 随着国民经济的发展，科学技术在各个领域都有了较快的发展，汽车检测与诊断技术也随之 得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，汽车检测与诊断技术和 设备的需求也与日俱增。同时我国机动车辆保有量迅速增加，随之而来的是交通安全和环境 保护等社会问题，如何保证车辆快速、经济、灵活，并尽可能不造成社会公害等问题，已逐 渐被提到政府有关部门的议事日程，因而促进了汽车发动机检测和诊断技术的发展。 2 第一章绪论 近年来国内也进行了大量的研究，并取得了一批研究成果。山东工业大学黄宜琼教授等 人开发了一套e s m 转速测量仪，可以测量瞬时转速和循环转速。浙江大学吴锋等人利用光电 编码器，实现了瞬时转速的高精度测量，山东工业大学的张立梅教授等人提出了用飞轮瞬时 转速诊断各缸压缩性的方法，通过在倒拖柴油机时测出每循环中飞轮瞬时转速的变化，用惯 量加速度原理得出各缸的最大压缩压力。武汉理工大学淮立俊、王志华等在建立柴油机动力 学模型的基础上进行了瞬时转速的仿真计算，并根据单缸漏气、漏油时瞬时转速的波动情况 提出了诊断方法1 4 l 。 近些年来国内众多研究机构和高等院校也开展了转速测量新方法的研究，内蒙古科技大 学音频法测转速：采集机械声频信号，然后对声频信号作相关分析和功率谱密度分析，由于 信号低频成份存在着与转速的强相关性，因此利用机械噪声音频信号的相关分析和功率谱分 析，可以检测出机械转速。深圳大学的国家自然科学基金资助项目提出了通过非接触传声器 测量汽车噪声从而计算汽车发动机转速的新方法，运用小波变换理论为基础的信号降噪处理 技术，将有用信号从汽车排气管口噪声背景中提取出来，测量提取汽车转速信息的信号。北 理工车辆工程学院利用振动速度传感器，频谱仪直接得出基频信号，利用基频与转速关系间 接测量出发动机转速。 目前全国各类汽车发动机综合性能检测设备生产厂家已达2 0 多个，除交通部门外，机 械、电子、高等院校等部门也进入汽车发动机检测与诊断设备的研发、生产及销售领域，并 取得了一定成绩但是由于我国汽车工业发展较晚，特别是汽车电子技术远远落后于发达国 家，因此到目前为止，发动机检测与诊断技术仍然比较落后目前的汽车发动机检测设备在 测试精度、操作便捷性、界面友好性以及采用专家系统、智能化诊断等方面与国外相比还存 在较大差距 1 3 论文的提出与主要内容 随着电子技术的发展和测试技术的提高，发动机检测与诊断设备不断地得到了更新和发 展，特别是计算机技术的引入，促进了检测与诊断设备的更新换代以计算机为主体的发动 机检测与诊断系统，国内外都有产品的研究和开发，但国内在这方面的研究起步较晚，与国 外先进技术相比还有一定的差距。因此，有必要对发动机检测与诊断系统进行一些新的研究。 本文采用振动测量的方法，分析发动机的振动与转速之间的关系，运用信号降噪处理技 术，将有用信号从噪声背景中提取出来，并研究提取汽车转速信息的信号处理算法，实现在 远离发动机的车身点的振动信号中提取转速信号，使得发动机转速测量的操作简单易行。这 种测试方法检测速度快，测试精度较高。只需在内燃机( 或车身) 上装一压电传感器，将采 集得到的信号通过频谱分析处理并进行计算即可得到转速 本论文共分为六章节，每章节的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍了本课题的研究背景和意义以及国内外的研究现状。 第二章基于振动原理的转速测量方法研究。主要是分析了几种目前测量转速方法的原 理和优缺点，在此基础上分析了发动机工作时内部的振动激励情况，提出了振动法测量转速 的方案。 第三章系统硬件设计主要设计了基于t i v i s 3 2 0 f 2 8 1 2 的测量系统硬件，并开发了基 于d s p 的外部接口电路。 第四章振动测速法的系统软件设计。主要设计了d s p 软件系统，包括d s p 的初始化 设置以及自启动方法，并设计了外围接口电路的软件。 3 东南大学硕士学位论文 第五章。数字信号处理算法在d s p 中的实现。主要介绍了f f t 原理，并比较了虚数f f t 和实数f f t 算法上的不同点，实现了算法在d s p 中的实现，最后讨论了小波算法。 第六章系统调试。主要是对硬件系统各部分的接口电路进行调试。 第七章总结。对完成的工作进行了总结，并提出了一些在研究工作中遇到的难点和今 工作中的注意点。 4 第二章基于振动原理测转速的方法研究 第二章基于振动原理的转速测量方法研究 2 1 转速测量方法概述 在发动机试验研究中，转速是一个重要的特征参数，发动机曲轴转速的测量，可以用来 计算发动机的有效功率，可以由此判定或控制发动机工况的稳定程度，如通过耐久试验测定 较长时间内的转速变化情况，用来计算转速波动率和不稳定度。有时，还需要测定发动机瞬 时转速变化情况，如启动、停车过程中瞬时转速的测定，用来评定发动机个别部件的性能。 对于转速的测量，很早以来就研制出各种不同的转速测量方法和转速仪表，近年来随着电子 技术的发展，新的测量方法应运而生，并因此研发成功了不少高质量的转速计，这些测量手 段大都是具有高精度和高响应性，保证了转速测量的准确性和高效性 转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计数式方法是 用某种方式读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变 化；同步式是利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速佟i ，测试方法参看表2 1 所示。 表2 1 转速的测量方法及特点 应用范准确度特点 型式转速表测量方法 围r m i n ( ) 利用重块的离心力 机 与转速的平方成正3 简单、价廉、应 械 式 离心式比；利用容器中的离2 4 0 0 0卜一2 2用较广，但准确 心力产生的压力或中、低速度较低 液面变化 利用旋转体粘液中简单、但易受温 粘液式旋转时传递的扭矩低速 2 度的影响 变化测速 模 拟 利用直流或交流发可远距离指示， 型 发电机 式 电机的电压与转速 一l 0 0 0 0l 一2 应用广，易受温 成正比关系度影响 电 利用电容充放电回 简单、可远距离 气 电容式路产生与转速成正 中、高速 2 式 指示 比的电流 电涡流 利用旋转盘在磁场中、高速l 简单、价廉，多 5 东南大学硕士学位论文 式内使电涡流产生变 用于机动车 化测转速 齿轮式 通过齿轮转动数字 中、低速1 简单、低价，与 机 轮：通过齿轮转动加 械钟表式 一1 0 0 0 00 5 秒表并用 式 入计时器 利用来自旋转体上中、高速 简单、没有扭矩 计 光 光电式 的光线，使光电管产 i 一2 数 电 3 型 式 生电脉冲 损失 4 8 0 0 0 利用磁、电等转换器 电 电磁式 将转速变化转换成中、高速 o 5 2 简单、数字传输 气 电脉冲 式 转动带槽圆盘，目测 机 目测式与旋转体同步的转中、高速 l 简单、价廉 械 同 式 速 步 型频利用频闪光测旋转简单、可远距、 闪 闪光式中、高速o 5 2 式 体频率 数字测量 一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式测速表，但在有些情况 下其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得 尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，丽测量方法 有测量转速周期、转速频率等 6 1 除了这些测量转速的仪表，工程中开发出许多测转速的方法，这些方法相对与转速仪表 来讲，具有更高的实用性，准确性，且用途广泛，本文将分别例举点火脉冲法、音频法、噪 声法等测量，分析各种方法的优缺点，并引出本文所采用测转速的方法 2 1 1 点火脉冲式测量发动机转速 测量发动机转速的传统方法是使用光电式转速表测量。用这种方法测量时，既要在发动 机传动轴上粘贴光标纸，又要求持表人把转速表与光标纸的距离控制在很近的范围，测量十 分不便。特别是在需要边测量边调试的场合，往往是事倍功半。 由汽油机原理知，发动机的高压点火脉冲与其转速有一定的关系。假设在一个工作循环 中，各汽缸交错均匀作功( 也就是说它们不同时作功) ，此时，点火脉冲的频率与内燃机的转 速之间满足如下关系【7 j ： 3 0 矿 刀= 二 l ( 2 - 1 ) 式中，n 为汽油机的转速，r m i mt 为冲程数，f 为点火脉冲的频率，h z ：i 为汽油机的 6 第二章基于振动原理测转速的方法研究 缸数( 如果同时有两个缸作功，则按总缸数的一半计算) 对某个特定的汽油机而言，t 和i 都是已知的。 倒如，六缸四冲程汽油机的高压点火脉冲与其转速之比为3 ：l ，即6 缸依次点火1 次， 发动机曲轴旋转2 圈。据此，将发动机高压点火脉冲衰减、整形、放大处理后，用单片机对 其进行脉冲计数，并作相应的转换，可得到转速与频率。转速检测系统由发动机点火系统、 衰减电路、伺服系统及单片机系统组成。 高压点火脉冲式测量转速的方法具有如下优点：不受发动机结构的限制：测量信号不经 机一电转换；可根据发动机临界转速转换量程，根据转速高低确定测量次数，以提高测量精 度 s l 。在这种高压点火式测量中，由于传感器夹在汽缸高压线或汽缸高压油管上，对于四冲 程发动机，曲轴每转2 转，发动机一缸每点火或喷油一次，采集信号一次，所测转速是曲轴 每2 转的平均转速，所以采集频率低，精度较低，尤其不能满足测瞬时转速的要求【9 j 。 2 1 2 音频法测速 音频法测速有别于传统的联接式测速方式，是一种新型的非机械联接式测速方法。该方 法首先采集机械声频信号，然后对声频信号作相关分析和功率谱密度分析，由于信号低频成 份存在着与转速的强相关性，因此利用机械噪声音频信号的相关分析和功率谱分析，必然可 以检测出机械转速。 首先通过声传感器采集发动机噪声信号，再将噪声模拟信号转变成能被计算机处理的数 字信号，然后进行频域分析，得出信号低频成份主要峰值处的频率，此频率与转速之间有直 接关系，从而实现了转速的测量1 6 l 。 音频法测速，从一个全新的角度提出了转速的测量方法测声传感器体积小、安装方便， 但需要对被测对象的噪声特性有清晰的认识，而且易受外界的干扰，不适于应用在工况较差 的维修车间。 2 1 3 汽车噪声转速测量 汽车工业的迅猛发展使汽车检测日益重要，汽车噪声及汽车发动机的转速测量是环境检 测部门及汽车故障诊断研究的重要内容。对汽车的研究与认识表明可通过测量汽车捧气管出 口处的噪声，借助数字信号处理技术以获得相应转速，从而可实现汽车噪声和转速的同时测 量 汽车废气气流从捧气口喷出，由于捧气过程的周期性而在喷出口形成一个流场作周期性 交化的气流，于是废气喷出口便成为一个点声源。假定附近没有反射面，就会形成球对称的 声场【i q 。喷出后经过时间t ，该声场中离喷出口距离为r 处的声压瞬时值可表述为： 烈，f ) = 石p o s o r ( 百t - 一r c ) ( 2 2 ) 式中s 是喷出口的截面积；风，c 分别为空气静态密度和声速；v 为气流流出速度 气流速度变化的频率就是发动机气缸爆发的频率 f=旦z(2-3) 3 0 r 式中n 为转速；z 是缸数；t 是每个工作循环的行程数。 这个频率相当低。这种噪声构成了排气噪声中的低频部分，称为基频噪声，在排气噪声 7 东南大学硕士学位论文 频谱中相当突出 由式( 2 3 ) 可知，如果一四冲程四缸的汽车发动机转速为2 4 0 0 r m i n 则因其排气脉 动而在捧气口产生噪声的频率为8 0 h z ，可见这个频率相当低，即使转速增加一倍，达 4 8 0 0 r r a i n ，频率也只有1 6 0 h z ，这种噪声构成了排气噪声的低频部分，称为基频噪声。在 捧气噪声频谱中相当突出。因此，通过适当方法测量可获取该基频值。 综上可以得出，如果已知汽车发动机的缸数z 、每个工作循环的行程数t ，再通过测量 排气出口的噪声信号后，通过适当数字信号处理算法对该信号进行处理，获取发动机气缸爆 发的频率f ，即可根据( 2 3 ) 式计算出汽车发动机的转速。 其工作原理是，通过传声器拾取声音信号，经前置放大、滤波等信号调理，进行a d 转换， 再把数据输入给d s p ，d s p 对输入数据进行算法处理( 包含f f t 、倒谱等运算、噪声分析、转 速运算) ，最后得出噪声和转速值，输出到l c d 上。 基于d s p 开发的数字式汽车转速和定置噪音检测仪器，兼有两种仪器的功能，集成度高， 体积小。但通常情况下，废气从排气门派出后并不直接排入大气，而总要经过一段形状比较 复杂的管道才排入大气，而且在比较高档的车辆上，都安装了消声器，这样排气管道就形成 了一条声学传递链，极大的影响了排气噪声的强度和频率分布。除此之外，排气噪声受发动 机转速和负荷影响比较突出，所以此方法并不能普遍适用【l 2 2 基于振动原理的汽车发动机转速测量 本文采用了一种非联接式的快速测量方法，即测试发动机的缸盖振动信号，通过缸盖振 动信号的周期变化确定发动机的转速 2 2 1 振动测试概述 振动测量的方法是基于振动理论的基础研究。该测量方法分析了各种内燃机的内在激 励对内燃机机体或车身造成的振动影响它无需分拆发动机机械结构就能在检测过程中发 现内燃机潜在的问题，振动分析方法是将振动波形转换到频域内分析利用它可判别特定组 件的运转情况。现在国内外很多车辆生产商均在开发利用振动检测方法对车辆进行故障检测 和维修的产品，可见基于振动检测方法的研究具有很广泛的应用前景目前振动方法大多运 用于故障检测维护 内燃机运转时的汽缸爆发压力、活塞往复惯性力、旋转惯性力及其扭矩是曲轴转角的周 期性函数，是造成内燃机运转不平衡的主要原因。内燃机运转不平衡所产生的振动激励信号 的频率与曲轴转速成一定比例关系，所以，当分析测得的振动信号之中包含有丰富的频率分 量时，就设想应该能够从中提取出相关频谱，从而计算得到发动机曲轴的转速。 利用振动测量的方法。只需在内燃机( 或车身) 上装一振动传感器，就可以进行缸盖的振 动信号采集。如图2 - 1 所示。缸盖上的振动信号反映了发动机燃烧爆发时的瞬时压力波动所 产生的周期性冲击，因此采集得到的信号通过频谱分析处理并进行计算即可得到转速，简单 易行，适用于工况检测；无需考虑各种车辆的具体因素而采用不同的检测手段，直接检测内 燃机固有的振动情况。具有普遍的通用性。 8 第二章基于振动原理测转速的方法研究 麓i 蠡机 图2 - i 加速度传感器在发动机上的安装 2 2 2 内燃机振动激励分析 内燃机运转时产生往复惯性力和旋转惯性力及反扭矩等，这些力和力矩是曲轴转角的周 期性函数，在内燃机一个运转周期中，惯性力及其力矩和反扭矩的大小方向在变化，并通过 曲轴轴承和机体传给支架，使之产生振动。 一般情况下，把内燃机中的曲轴及与其相连的连杆、活塞、飞轮等运动构件称为曲轴扭 转振动系统，由于该轴系并不是一个绝对的缸体，因此如同其他弹性系统一样，也具有一个 扭振自振频率，另一方面，曲轴是在周期性变化的扭矩作用下工作的，这个周期性变化的扭 矩，在振动中被称为干扰力矩 干扰力矩是产生扭转振动的根源。作用在内燃机曲轴上的干扰力矩，主要是气缸内燃气 压力以及曲轴连杆机构的惯性力所产生的切向力矩，其次还有因受功部件吸收功率不均匀而 产生的干扰力矩 1 压力所引起的干扰力矩及其简谐分析【u 】 内燃机一个气缸发出的扭矩为 小等乞訾r ( 胁) c 2 4 ) 式中只是作用在单位活塞面积上的燃气压力，d 为气缸直径，口是曲柄转角，是 连杆中心线与气缸中心线之间的夹角，r 是曲柄半径。 上式表示的扭矩是随曲柄转角口而变化的函数关系式它是一个复杂的周期性函数， 按傅立叶级数可将它展开为扭矩的平均值和一系列具有不同振幅、不同频率、不同初相的简 谐力矩之和，即： m _ 脚= 蚂c 0 盈也c 0 姒蚂c 0 鼢卜白s 蛔坞s 砌坞s 渤十 = + 芝孔s 硎口+ 声幅+ ：ms 碰q + ) ( 2 - 5 ) 9 东南大学硕士学位论文 m o 燃气作用力所形成的平均扭矩，m y 是 ，次简谐力矩的振幅，a , b 是傅立叶系数，q 干扰力矩的圆频率，y 数学简谐次数( y = i ，2 ，3 ) ，虬是1 ，次简谐力矩的初相位； 由高等数学可知： m o = 1 r 膏厂( 口胁 m ，= 厢 a 2 6 = 口 辔吩= f ( 2 q ( 2 - 7 ) ( 2 9 ) 对于二冲程内燃机，曲轴每转一周，干扰力矩变化一次，故干扰力矩的圆频率与曲轴的 角速度相等，即q = w ，式中( - 0 是曲轴旋转的角速度 对于四冲程内燃机，曲轴每转两周，干扰力矩变化一次，显然干扰力矩的圆频率是曲轴 角加速度的一半，即q 2 詈， 由此，式( 2 - 5 ) 可以写成如下形式，即 乞= 气+ 乞s 试，晰+ 吃) ( 二冲程) ( 2 1 0 ) v 心2 眠+ 享帆s i 一詈f + 咒- ) ( 四冲程) ( 2 - 1 1 ) 对于二冲程内燃机y = i ，2 , 3 ，对于四冲程内燃机一i 2 ，i ，3 2 通过对干扰力矩的简谐分析可知，在周期性交化的干扰力矩作用下，内燃机曲轴的运动 包括两部分，一部分是在平均扭矩m 。作用下的以角速度w 所进行的匀速旋转运动；另一部 分是在各次简谐力矩作用下所产生的不同频率的简谐振动，后者就是扭转振动研究的全部内 容。对于四冲程发动机。一般取l 2 谐波为最基本的简谐波。 2 曲柄连杆机构惯性力所引起的干扰力矩 内燃机曲柄连杆机构的惯性力。有离心惯性力和往复惯性力。离心惯性力由于作用线通 过曲轴的回转中心，故作用力矩为零。往复惯性力与燃气压力一样，作用在活塞销的中心， 通过连杆传到连杆轴颈，对曲轴产生周期性变化的切向力矩，该力矩也是引起扭转振动的动 力。 l o 蛾 f 1 骞 小 惦 q m n、 月 八 万 r f f 锄 础 s = - 蚕1 磊 第二章基于振动原理测转速的方法研究 往复惯性力矩为： 膨，= 嘲，, r 2 w 2 ( a - 4 - s i n a - a - - zs i n 2 a 一三五如孙一等s i n 4 口) ( 朋) ( 2 1 2 ) 式中m j 为往复运动部件的质量；口为曲柄转角；r 为曲柄半径；d 为曲轴角速度；入为 柄半径与连杆长度之比往复惯性力矩是由许多简谐力矩所组成的。振幅随谐次增大而迅速 减小，故一般只考虑到v = 4 为止。实际上，往复惯性力矩所引起的干扰力矩比较小，往往忽 略不计，也可以考虑燃气压力与往复惯性力二者所形成的合成扭矩，进行简谐分析。 输出总扭矩是随着缸数的不同而不同的，图2 - 2 所示为各缸的输出扭矩随转角变化的情 况，可以看到，输出总扭矩是随着转角周期性变化的，当曲轴转速为n 时，单缸机的输出总 扭矩的频率为( 1 ：2 ) ( n 6 0 ) ，4 缸机为( 4 2 ) ( i j 6 0 ) ，6 缸机为( 6 2 ) ( n 6 0 ) ，1 2 缸机为( 1 2 2 ) ( n 6 0 ) ，依此类推，各个频率都是与缸数对应的，且都与曲轴转速成一定的比例关系。 l m瑚蛳伽 - 辅转触， o 簟缸飘 l 秘铂d5 盼 辅转御r 潮 l 柚筠o湘 麓转麓r l 蛳 7 2 0 im筠s傍 麓转角r ) i 逝氛 图2 - 2 不同缸数的内燃机扭矩曲线f 1 3 i 由上面对激励惯性力矩和惯性力的分析可以得出，对于缸数为i 的发动机，由于曲轴旋 转两转，共有i 个气缸依次经过一个热力循环，输出不平衡力、力矩和扭矩，当测得的振动基 频信号频率为f o 时，曲轴转速为： 珏= 6 0 ( 吖2 ) f o i ( 2 1 3 ) 式中c 为冲程数，由式( 2 1 3 ) ，可知，我们设想，对于缸数和冲程数确定的发动机， 通过采样其振动信号，并分离出振动基频信号，得出基频的频率，我们就可以通过公式求出 实时的转速。 2 3 振动检测法测转速的工作过程 根据内燃机的工作原理和数据处理的方法，本设计采用的振动法测量转速的工作可概述 为加速度传感器测定发动机从怠速，急加速到高速过程中缸盖的振动信号，经过信号滤波送 入电荷放大器，放大后的信号送入d s p 系统，经过a d 采样转换为数字信号，在频域用快 速傅里叶变换f f t 对振动信号进行处理，获得振动信号的功率谱，分离出振动信号的基频， 童z y 鼍_ 东南大学硕士学位论文 根据上节分析所知，发动机缸盖振动信号中的低频部分蕴含着发动机曲轴转速信息，从而测 出发动机的转速，并驱动显示装置显示即时的转速值。工作过程见图2 - 3 ： i o s s - i 从传感嚣来的转速信号( 时域) 撅动传感器信号 转遗i 盼 转逭3 除 口 孽 器 频域分析 转速t 输转速2 鼢转麓3 除 轴搴蕾 豢搴一i - 功率潜 口m 韵蛳栩蜘 顿奉( ) 图2 3 振动检测法测转速工作流程 根据前面阐述的测量原理和数据处理原则，对试验数据处理分析过程描述如下【1 4 1 ： ( 1 ) 对x ( t ) 采样得x 数据序列( i = o ，l ，2 n 1 ) 。 c ) 截断数据序列或增加零值数据，满足n = 2 p ( p 为正整数) ，以便于下一步的f f t 运算。 1 2 啦啦嘈啼固由哟啦巾哪 第二章基于振动原理测转速的方法研究 在这里采样点数可预设为2 p ，则此步骤可以略去。 ( 3 ) 进行加窗函数处理 信号的有限化处理等于在某一时刻被“截断”，也就相当于原信号函数x ( 0 与一截断函 数相乘，这个截断函数即是一个截断时间为t 幅度为l 的“矩形窗时间函数”乘以这个截 断函数以后，再作f f t 变换所得的频谱并不是原来的f f t 谱，而是截断函数与信号频谱的 卷积。由于矩形窗函数f f t 谱向主瓣两侧延伸的旁瓣分量较大，在某些情况下它的旁瓣可 能淹没原信号的谱峰，或甚至产生根本不存在的谱峰，因而产生“泄漏效应”，而不利于信 号的频域分析。所以应选择适当的截断函数，即“窗函数”，以减少信号频域分析中的泄漏 效应。在程序中采用了海明窗： 海明窗接近于汉宁窗，它的时域表达式为： “f ) ：1 - 2 a + 2 a c o s ( 2 一石) f 1 0 ，7 1 l o t 盛 0 ，t 】 其中a = 0 2 3 汉明谱窗的最大旁瓣高度比汉宁窗低，约为汉宁窗的l 5 主瓣衰减可达4 0 d b 倍频程， 更优于汉宁窗 ( 4 ) 对x ；( n ) 进行f f t 交换，求得x 0 【) 。 离散采样信号的傅立叶变换对为【1 5 1 ； lx ：艺x ( 刀) e 一专址：艺x ( n ) 嘭 七：0 , 1 ，n l 脚脚 ( 2 1 4 ) b = 专薹础争= 专篓耶孵咖卜，一t 一 其中式中x ( 1 【) 为采样信号x ( n ) 的离散傅立叶变换( 即离散f f i 变换) ，而式中的x ( n ) 为 ) a ( 1 【) 的离散傅立叶逆变换。 在进行离散f f r 变换时，采样点数由分析信号的长度n 确定。n 应取适当值。过大则 增加了计算量，降低程序执行的速度；过小则截取的信号不完整而导致功率谱的信息不完整， 这里n 取为1 0 2 4 。整个振动法测速的工作流程如图2 4 所示： 1 3 东南大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 4 振动法测速流程图 本章介绍了几种目前发动机转速测量中出现的新方法，简要的介绍了各种方法的原理并 比较了各种方法的优缺点，阐述了内燃机的振动激励并进行了详推导，分析了内燃机工作时 产生扭振的机理，并论证了采用振动检测法测量发动机转速方案的可行性，最终确定了本文 的基于振动原理测量发动机转速的方案此外，确定了整个测量方案的工作细节和流程 1 4 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 上一章详细讲述了系统运用振动法测量转速的原理和方法，对比了其他发动机转速测量 方法的优缺点，并论证了振动测速法的可行性和优势。 本章设计了一种以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 为系统控制和处理核心的实时信号频谱分析模块， 完成信号采集并进行快速傅立叶变换( f f t ) ，根据频谱图对信号进行频谱分析，然后将分析 结果通过串口传送到p c 机，完成数据的分析、显示、存储和打印等操作。本章主要涉及硬 件方案的设计和硬件电路中主要功能模块的具体实现。 3 1 系统硬件方案设计 - l 井部存储嚣i i t 、一 “* “i lv 四l v 汀弓搿儇伏 国l 套r r f- l 舞部存佑器2 l 1 2 a 糯l 。 一鲆设电貊模块 17 l 通讯摸块 i 信号调理摸块l d a n o l 德l o jl l 女u _ ! 。“l： i一，l 哭时曩水曩疑l l 图3 1d s p 系统结构框图 硬件系统整体结构如图3 1 所示压电传感器检测到的缸盖振动信号送信号调理电路放 大和滤波。信号调理电路出来的模拟电压信号由d 进行采样，由于采样频率高，产生的 数据量大，必须先由微处理器将采样数据暂存于外部存储器中一次数据采集完成以后，微 处理器从外部存储器中取出数据并处理，处理后的数据通过串行口发送到p c 机。与p c 机 的通信设计了两种接口：r s 2 3 2 通用串行接口和u s b 2 0 高速串行接口r s - 2 3 2 串行通信 开发简单，但是数据传输速率低，所以仅用于系统调试，降低开发难度。系统数据传输通过 u s b 2 0 高速串行口来完成。u s b 2 0 接口的实现是通过扩展一片u s b 2 0 收发控制芯片实现。 3 1 1d s p 的选型 对于振动法测转速的硬件设计而言，处理器的选择是至关重要的，它需要完成模拟信号 的采样、数字信号的处理、及时将所得结果传送给p c 机等工作，将来可能还需要进行实时 监测。由于本系统的关键部分在振动信号的频谱分析上。要求处理器能够快速进行f f r 以 及其他各种数字信号上的算法。d s p 器件根据数字信号处理算法的特点，专门设计提供一套 高度专业化的指令集( 如增加了循环寻址、位翻转寻址等等) ，提高了f f t 和滤波器等算法的 运算速度。而a r m 处理器和单片机主要是应用于单纯的控制场合，显然无法满足本系统快 速运算的要求，所以在选型时，选择1 i 公司的d s p 。1 m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列具有强大的数据处 理和控制能力，尤其c 2 8 系列具有精度高，速度快，集成度高等特点，因此选用1 1 公司的 c 2 0 0 0 系列。 l s 东南大学硕士学位论文 1 1 公司的t m s 3 2 0 系列产品就运算格式而言，可以大致分为定点运算和浮点运算两种 格式定点运算d s p 在应用中已取得了极大的成功，在d s p 应用市场上占据很大的份额。 随着对d s p 处理速度与精度、存储器容量、编程的灵活性和方便性要求的不断提高，自8 0 年代中后期以来，陆续推出了3 2 b i t 浮点运算d s p 。其主要区别如下【1 6 l ： a )和定点运算d s p 相比，浮点运算d s p 具有许多优越性，浮点运算d s p 比定点运 算d s p 的动态范围要大很多；通常浮点d s p 的数据宽度是3 2 位，它用2 4 位 组成尾数，用8 位组成阶码，在实际应用中，尾数定义精度，阶码表示动态范 围。定点d s p 完成的是整数运算或小数运算，数值格式中不包含阶码，所以同 样2 4 位的定点d s p 提供的精度和浮点d s p 的2 4 位数据尾数提供的精度是相 同的，但是，它无法提供一个大的动态范围。 b )由于浮点d s p 的浮点运算用硬件来实现，可以在单周期内完成，因而其处理速 度大大高于定点d s p 。这一优点在实现高精度复杂算法时尤为突出，为复杂算 法的实时处理提供了保证。 n3 2 b it 浮点d s p 的总线宽度较定点d s p 宽得多，因而寻址空间也要大得多。 虽然浮点d s p 比定点d s p 具有上述几项优点，但是1 1 公司新推出的3 2 b i t t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 定点d s p 以其出色的特征抹平了这些定点d s p 与浮点d s p 之间的差距该芯片每秒可执行 1 5 亿次指令( 1 5 偶佃? s ) ，具有3 2 位x 3 2 位的乘加和累加操作功能，从而使处理器能够 实现更高精度的处理任务。最具优势的是c 2 8 x d s p 的内核还支持i q 变换函数库，使得能 够方便地使用便宜的定点d s p 来实现浮点运算。而且，浮点d s p 的长指令字以及宽的地址 总线造成较大的功耗；因此，综合考虑本系统的发展目标是手持设备，决定选用1 1 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 作为本系统的为控制器。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是1 r i 公司最新推出的通用数字信号处理器，t m s 3 2 0 f 2 8 x 系列d s p 更 趋近于一般的微控制器，它基于t m s 3 2 0 c 2 8 x 内核。最高可运行在1 5 0 m h z ，内部集成有 1 2 8 k x1 6 b i t 的f l a s h 和1 8 k x1 6 b i t 的s r a m ，以及1 6 通道1 2 b i t a d ，两路能同时工作，大 量的通用或专用f o 口，同时集成u a r t 、s p i 、s c i 、c a n 和看门狗等常用的外围接口， 所有的这些功能使得