（机械电子工程专业论文）汽车速度相位传感器功能测试设备关键技术研究.pdf

上海大学硕上学位论文 摘要 随着汽车电子技术的不断进步，汽车电子化程度也越来越高。作为汽车 电子控制系统的信息源，汽车传感器也是汽车电子控制系统不可缺少的重要 组成部分，可以说汽车传感器的好坏直接影响了整个汽车控制系统的好坏。 “汽车速度相位传感器 是安装在汽车发动机曲轴和凸轮轴上的传感器，是 发动机管理系统( e n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ) 中最重要的传感器，因此确保 “汽车速度相位传感器 的有效性是十分必要的。 本课题通过对汽车速度相位传感器的功能测试要求加以研究，成功研制 出了“汽车速度相位传感器测试设备 。整个系统分为i p c 和p l c 上下级控 制，系统动作主要由下位p l c 系统来控制，上位控制则是使用n i 公司的 l a b v i e w 软件进行二次开发而成，综合使用k e y e n c e 高精度c c d 测微计、 n ip c i - - 5 1 2 4 数字化仪示波器、h e i d e h a n 旋转编码器及i k 2 2 0 p c 计数卡 等仪器设备。 在整个课题的研究过程中，解决了许多关键技术，包括传感器信号的高 速采集以及数据的连续读取，传感器信号分析的算法实现，气隙测算等等， 同时整个系统的研制还结合了虚拟仪器技术和数据采集理论，这些理论的采 用为系统的研制成功提供了理论基础。论文将结合汽车速度传感器的测试原 理，和具体的功能测试要求，分析了本课题研究的的总体方案和软硬件结构， 并详细介绍课题研究过程中采用的关键技术及理论基础。 关键词：速度相位传感器l a b v i e w 功能测试信号采集 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u s l yp r o g r e s s i n go ft h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , t h e d e g r e eo fa u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sh a sb e c o m em o r es o p h i s t i c a t e d a st h e i n f o r m a t i o ns o u r c 宅a u t o m o t i v es e n s o ri sa ni m p o r t a n ta n di n d i s p e n s a b l e e l e m e n to ft h ea u t o m o t i v ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s ，i no t h e rw o r d s ，i t s p e r f o r m a n c eh a sad i r e c ti n f l u e n c et ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ea u t o m o t i v e e l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e m s t h ea u t o m o t i v es p e e d p h a s e s e n s o r , w h i c hi s i n s t a l l e da r o u n dt h ee n g i n ec r a n k s h a f to rc a m s h a f t ，i st h em o s ti m p o r t a n ts e n s o r t ot h ee n g i n em a n a g e m e n ts y s t e m ，s oi t sn e c e s s a r yt oe n s u r et h ee f f e c t i v e n e s so f t h ea u t o m o t i v es p e e d p h a s es e n s o r a f t e rt h er e s e a r c ho ft h et e s tr e q u i r e m e n t so ft h ea u t o m o t i v es p e e d p h a s es e n s o r , a na u t o m o t i v es p e e d p h a s es e n s o rf u n c t i o nt e s te q u i p m e n ti sd e v e l o p e d t h e e n t i r ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee q u i p m e n ti sb a s e do nt h em a s t e r - s l a v ec l a s so fi p c s y s t e ma n dp l cs y s t e r n t h ea c t i o no ft h ee q u i p m e n ti sm a i n l yc o n t r o l l e db yt h e s l a v e - c l a s sp l cs y s t e m t h em a s t e r - e l a s sc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n g t h es o f t w a r en a m e dl a b v i e wp u b l i s h e db yt h en a t i o n a li n s t r u m e n t ( n i ) n l c k e y e n c el s 7 0 0 0s e r i e sh i g h s p e e dl i n e a rc c d a n dt e l e m e t r i co p t i c a ls y s t e m i su s e dt od e t e c tt h ea i r - g a pb e t w e e nt h ea u t o m o t i v es p e e d p h a s es e n s o ra n dt h e s i g n a ls t i m u l u sw h e e l a n do n en ip c i 512 4d i g i t i z e r o s c i l l o s c o p ei su s e dt o s a m p l et h es i g n a lg e n e r a t e db yt h ea u t o m o t i v es p e e d p h a s es e n s o r , a n dt h e s y s t e mu s e st h eh e i d e h a nr o t a r ye n c o d e ra n di k 2 2 0p cc o u n t e rc a r dt oc a r r yo u t t h ea c q u i s i t i o no ft o o t hp h a s ed a t ao ft h es i g n a ls t i m u l u sw h e e l t h r o u g h o u tt h es t u d yo ft h ec o u r s e ，an u m b e ro fk e yt e c h n o l o 西e sa r es o l v e d ， i n c l u d i n gh i g h - s p e e ds e n s o rs i g n a la c q u i s i t i o na n dc o n t i n u o u sd a t af e t c h i n g , t h e a l g o r i t h mi m p l e m e n t a t i o no ft h et e s t i n gs i g n a la n a l y z i n g ，m e a s u r e m e n to f a i r - g a pa n ds oo n , a n dt h ea d o p t i o no fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dd a t a a c q u i s i t i o nt h e o r yp r o v i d e s at h e o r e t i c a l s u p p o r t f o rt h e s u c c e s s f u l l y d e v e l o p m e n to ft h et e s te q u i p m e n t t l i sd i s s e r t a t i o nw i l lm a i n l yi n t r o d u c et h e d e t a i l so ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h e o r e t i c a lb a s i sa d o p t e dd u r i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h et e s te q u i p m e n t ，a n dt h ed e s i g nc o n c e p to ft h et e s te q u i p m e n t i sa l s og o i n gt ob ed e s c r i b e dc o m b i n e dw i t ht h et e s tp r i n c i p l ea n dt h et e s t r e q u i r e m e n t so ft h et e s te q u i p m e n t k e y w o r d s ：s p e e d p h a s es e n s o r ；l a b v i e w ；f u n c t i o n a lt e s t ；s i g n a la c q u i s i t i o n 上海人学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：呻垓l _ 一日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 牝导师签名：避日期：上竺蛆 i i 海大学 & 论女 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海大学机电工程设计院与上海联合汽车电子公司合作开发 项目“汽车速度相位传感器功能测试台”，依据客户要求，研究设计汽车发动机 速度传感器( d g 如图l1 ) 、相位传感器( p g 如图12 ) 的功能检测设备。 凹1 1 速度传感器d g 1 2 课题研究的背景和意义 2 1 汽车电子控制技术 图12 相位传感器p g 随着汽车技术的发展以及各种高新技术汽车上的广泛应用，使汽车已经由 个传统的机械装置逐渐演变为一个集机械、电子、计算机、控制、通信等技 术于一体的复杂系统。这一演变过程也被称之为汽车电子化，而与之相关的技 术常被通称为汽车电子拄制技术。近年来。为了提高动力性、经济性、安全 性、舒适性以及减少排气污染i “，汽车电了控制技术得到了迅速的发展和普及。 汽车电子控制系统主要由三大部分组成f 如图13 1 ：一是信号的输入部分， 主要包括一些传感器、放大电路以及开关器件等；二足电子控制单元( e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ，e c u ) ，e c u 的核心是微控制器，负责对输入信号进行分析处理计 上海太硕士学位* 室 算以及发出相应的操作命令：三是信号输出部分，包括输出驱动电路、各类继 电器、电动机、电磁阀等执行器件，用十将e c u 发出的命令转变为相应的动作 1 1 。 囝1 3 汽车电子控制系统示意幽 122 汽车传感器的作用 作为汽车电子控制系统的信息源，汽车传感器也是汽年电子控制系统不可 缺少的重要组成部分吼可以说汽车传感器的好坏直接影响了整个汽车控制系 统的好坏。 “汽车速度相位传感器”足安装在汽车发动机曲轴和凸轮轴上的传感器”1 ， 主要用束检测曲轴或发动机的转速和凸轮轴相位信息吲”，是发动机管理系统 ( e n g i n e m a n a g a n e n ts y s t e m ) 中最重要的传感器9 1 ，为电子控制器( e l e c o n i c c o n t r o lu n i t ) 控制点火时刻和喷油时刻提供参考点信息l ，同时还提供发动机 的转速等信息”。因此确保“汽车速度相位传感器”的有效性足十分必要的。 上海大学硕士学位论文 1 3 国内外研究概况 1 3 1 汽车测试技术的发展 汽车测试技术是伴随着汽车工业的建立和发展而逐渐成长起来的。2 0 世纪 初至4 0 年代，汽车工业采用了大规模生产技术及流水生产线。这时产品的可靠 性，寿命和性能方面的问题比较突出，同时为了适应汽车高质量、低售价的需 要，各厂家进行了大量的有关材料、工艺、可靠性、寿命以及性能等诸方面问 题的实验研究。二次世界大战后至2 0 世纪7 0 年代，汽车保有量剧增，在其结 构和性能方面有大幅度的改善和提高。这一时期汽车工业的主要特点是，既保 持着大规模生产，又有向多种品种和高技术发展的趋势。由于汽车生产发展的 需要，以及行业与学科的发展和渗透，使得汽车试验技术进入了一个新的发展 时期。大量的基础性研究工作推动了试验技术的发展。2 0 世纪7 0 年代以后， 汽车工业不仅保持大规模、多品种和高技术，而且出现一些新的更科学、更合 理的生产组织管理制度，使汽车制造业能够大规模地生产高质量、低售价的产 品。同时，试验技术也得到了同步的提高与发展，高技术的应用愈来愈多。特 别是电子技术的高度发展，电子计算机的应用对汽车试验也起到了巨大的促进 作用。电子计算机在汽车的性能预测、强度计算上，提供了快速准确的运算工 具，如操纵稳定性、空气动力学特性、车身及车架的有限元计算等，从而代替 了大量多方案的比较试验。 1 9 8 6 年美国n i 公司首先提出虚拟仪器的概念，其核心内容是以计算机作 为仪器统一的硬件平台，充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示以 及文件管理等智能化功能，同时把传统一起的专业化功能和面板控件软件化， 使之与计算机结合融为一体，这样便构成了一台从外观到功能都完全与传统硬 件仪器相同，同时又充分享用计算机智能资源的全新的仪器系统。该系统明显 优于传统的测试仪，更加利于系统功能的扩充和智能测试与诊断的开发。 目前，汽车测试技术正随着汽车业的发展而迅速发展，各种新技术新方法 的应用，使得汽车测试技术正在向着计算机与虚拟仪器的结合，规范化、自动 化、高性能、多功能、集成化、网络化方向发展【1 3 】【1 4 1 。 3 上海大学硕上学位论文 本课题所设计研制的“汽车速度相位传感器功能测试台就是在运用科学 测试方法的基础上，结合虚拟仪器、信号采集及处理等技术，开发出来的高性 能、多功能、自动化的智能测试设备。 1 。3 2 汽车传感器测试设备的研究概况 如前文所述，由于汽车传感器对于整车性能，尤其是汽车电子控制的重要 性，为保证汽车传感器的性能及稳定性，国内外许多汽车厂商以及一些研究机 构都对“汽车传感器功能测试系统做过研究，取得了很多成果，而且还制造 出了相关的“汽车传感器功能测试设备 ，尤其是在一些相关的传感器生产厂家 里，这类测试设备已经成了其产品生产及质量检测的重要手段，据了解德国 b o s c h 公司就曾为许多传感器厂家研制过一些汽车传感器测试设备；此外，德 国西门子( v d o ) 也曾着力于汽车传感器测试的研究，开发出了类似的传感器测 试系统【1 5 】。在国内也有一些厂家和科研单位进行过类似的研究【1 6 】【1 7 】【1 8 】【1 9 】，并制 造出了一些设备，但这些设备由于设计目的和设计原理不同，性能上也存在一 定的差别，据了解同济大学的樊留群教授就曾对汽车速度相位传感器的测试系 统进行过研究，并发表了相关的学术论文【2 0 】；此外，中国电子科技大学、武汉 科大、湖南大学、吉林大学等高校都曾对汽车传感器的测试系统进行过深入的 研究，取得了丰富的学术成果【2 l 】【2 2 】【2 3 】f 2 4 】。据了解上海上大克来机电自动化工程 有限公司于2 0 0 6 年研制的一套“轿车发动机速度相位传感器装配测试生产线 其测试精度和测试水平已经达到了国际先进水平，并具有自动测试功能，实现 了多功能自动化高精度快速生产测试，相比该生产线，本课题要设计的“测试 台 主要用于实验测试目的，对测试的精度等方面具有更高的要求。 1 4 论文的主要研究内容 本课题旨在通过对“汽车速度相位传感器功能测试台 开发过程中的一些 关键技术加以研究，最终研制出一台符合客户要求的设备，用于实施新开发产 品的测试和验证试验，并为新产品的批量生产的性能检验提供一个综合测试平 厶 口o 4 上海大学硕上学位论文 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，详细介绍了“汽 车速度相位传感器测试台 研制过程中解决的关键技术，以及整套设备的概况。 在第一章中阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。第二 章将就本论文涉及的汽车速度相位传感器的工作原理、测试特性等进行简单的 介绍和阐述。第三章为系统功能要求及总体方案设计。第四章详细阐述在课题 研究过程中针对各技术功能要求所采用的关键技术，包括虚拟仪器技术、信号 采集与处理技术等。第五章介绍了整个测试系统的控制流程以及辅助功能模块 的设计并对系统的误差分析与修正做简要介绍。最后第六章对全文进行总结， 探讨了本次设计的不足之处及未来系统的改进，并对汽车传感器测试系统的发 展做一个展望。 5 上海大学硕十学位论文 第二章汽车速度相位传感器的检测 2 1 汽车传感器概述 现代汽车电子控制中，传感器广泛应用在发动机、底盘和车身各个系统中。 汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输，由e c u 对信息进行处理后 想执行器发出指令，实行电子控制。传感器在电子控制和自我诊断系统中是非 常重要的装置，它能及时识要i i l # i , 界的变化和系统本身的变化，再根据变化的信 息去控制本身系统的工作。各个系统控制过程正是依靠传感器，进行信息的反 馈，实现自动控制工作的【2 5 】【2 6 1 。 2 1 1 汽车传感器的分类 电子控制单元有效地控制着系统的工作，需要具备完整的条件，而传感器 的精度、响应性、可靠性、耐久性及输出的电压信号等，对系统的控制稳定性 起着至关重要的作用，它的分类可按能量关系、信号转换、输入量、工作原理 和输出信号分类【2 5 】。 表1 一l 汽车用传感器种类 种类检测量或检测对象 冷却水、排除气体( 催化剂) 、吸入空气、发动机机油、自动变速器液压油、车 温度传感器 内外空气 进气歧管压力、大气压力、燃烧压力、发动机油压、自动变速器液油压、制动压、 压力传感器 各种泵压、轮胎气压 转速传感器 曲轴转角、曲轴转速、方向盘转角、车轮速度 速度、加速度传感器车速( 绝对值) 、加速度 6 上海大学硕上学位论文 流量传感器吸入空气量、燃料流量、废气再循环量、二次空气量、冷媒流量 液量传感器 燃油、冷却水、电解液、洗窗液、机油、制动液 节气门开度、废气再循环阀开度、车辆高度( 悬架、位移) 、行驶距离、行驶方 位移方位传感器 位、g p s 全球定位 气体浓度传感器氧气、二氧化碳、二氧化氮、碳化氢 其它传感器转矩、燃料成分、湿度、电池电压、蓄电池容量、轮胎失效等 按检测量或检测对象分时，汽车用传感器可分为温度传感器、压力传感器、 转速传感器、速度m 速度传感器、流量传感器、液量传感器、位移方位传感器、 气体浓度传感器及其他传感器等( 表1 1 ) 2 5 】，本课题研究的速度相位传感器 就属于以上分类中的转速传感器。 2 1 2 汽车传感器的性能要求 汽车用传感器的性能指标包括精度指标、响应性、可靠性、耐久性、结构 紧凑性、适应性、输出电平和制造成本掣2 5 1 。 现在汽车电子控制系统对传感器的性能要求有以下几点【1 】： 有较好的环境适应性。 由于汽车工作环境的变化，特别是发动机，它是在热、振动、油污等恶劣 的环境下工作的，这就要求传感器能适应温度、湿度、冲击、振动、腐蚀及油 污等恶劣的工作环境。 要有较高的可靠性。 同普通传感器一样，汽车传感器的可靠性是最重要的，且稳定性要好。 再现性好。 由于电子计算机控制系统的应用，即使传感器线性特性不良，只要再现性 好，通过电脑可以修正计算。 具有批量生产和通用性。 7 上海大学硕上学位论文 汽车电子化的发展趋势，使得传感器市场前景广阔，因此要求传感器具有 批量生产性。一种传感器信号可以用于多个因素的控制，如可以把速度信号微 分，求得加速度信号等，所以，要求传感器具有通用性。 传感器数量不受限制。 由于在现代汽车电子控制系统中，传感器能把被测参数转变成电信号，无 论参数数量怎样多，只要把传感器信号输入电脑，既便于处理，又易于实现汽 车的高精度控制。 其他要求 要求小型化，便于安装使用，检测识别方便；应符合有关标准要求【2 5 1 。 2 2 汽车速度、相位传感器 本课题涉及的汽车速度传感器是指用于测量发动机转速以及曲轴相位的一 类汽车用传感器，即曲轴位置传感器；相位传感器则是指用于检测凸轮轴相位 信号的传感器，即凸轮轴位置传感器。 曲轴位置传感器又称曲轴转角传感器，是发动机电子控制系统的最主要的 传感器。它是控制发动机点火小时、确认曲轴位置的信号源。曲轴位置传感器 用于检测活塞上止点信号和曲轴转角信号，它也是测量发动机转速的信号源。 在现代电控发动机上，曲轴位置传感器和发动机转速传感器制成一体，既用于 发动机曲轴位置、上止点位置的测定，又用于发动机转速的测定2 5 】【2 7 1 。 凸轮轴位置传感器又称气缸识别传感器，采集配气凸轮轴的位置信号并输 入e c u ，以是e c u 识别第一缸活塞处于压缩上止点的位置，它是控制发动机 喷油系统、点火时间和爆燃的信号源【2 】【2 7 1 。 曲轴和凸轮轴位置传感器的结构形式有磁脉冲式、光电式和霍尔式三种【2 引。 本课题涉及的速度相位传感器其结构形式属于霍尔式传感器【2 9 】【3 0 】【3 l 】。 霍尔式速度相位传感器是利用霍尔效应原理【3 2 】【3 3 】，产生相对应的电脉冲信 号，从而反映曲轴及凸轮轴的状态信息。 8 上海人学硕士学位论文 当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，物 体两侧产生电势差的现象称为霍尔 效应 3 4 】，如图2 1 【2 5 】所示。当电流通 过磁场中的半导体基片( 霍尔元件) 并且电流方向与磁场方向垂直时，电 荷在磁场力的作用下向一侧偏移，在 垂直于电流与磁场的霍尔元件的横 向侧面上即产生一个与电流和磁场 力成正比的电压，该电压成为霍尔电 压。 2 2 1 速度相位传感器的工作原理 图2 1 霍尔效应原理【2 5 】 1 电流；b 磁场：u 1 霍尔电压 速度传感器通常被安装在发动机飞轮壳上，在分电器内还设置相位传感 器，用于协助速度传感器判缸。本课题涉及的速度相位传感器由于都属于霍尔 传感器，其结构及工作原理相近，以速度传感器为例，其结构示意图如图2 2 。 四缸发动机所用的速度传感器与六缸机稍有不同。在四缸机的飞轮上有8 个槽， 分为两组，4 个槽为一组，两组相隔1 8 0 。，每组中的每个槽相隔2 0 。在六 缸机的飞轮上有1 2 个槽，4 个槽为一组，分为三组，每组相隔1 2 0 。，每组中 的每个槽也相隔2 0 。 当飞轮齿槽通过传感器的信号发生器时，传感器输出5 v 高电位；当飞轮齿 槽间的金属与传感器成一直线时，传感器输出o 3 v 低电位。每当飞轮各齿槽之 一通过传感器时，传感器便产生一个高低电位脉冲信号。当飞轮上每组槽通过 传感器时，传感器将产生四个脉冲信号。四缸发动机每一转产生两组脉冲信号， 六缸发动机每一转产生三组脉冲信号。传感器提供的每组信号，可被e c u 用来 确定两缸活塞的位置。例如，在四缸发动机上，利用一组信号，即利用同一时 间的同一飞轮槽，可知l 缸活塞和4 缸活塞接近上止点，利用另一组信号，可 知2 缸活塞和3 缸活塞接近上止点。在六缸发动机上，同样利用一组信号在 同一时间内可知两个活塞3 和4 、活塞2 和5 、活塞l 和6 接近上止点【2 5 1 。 9 上海人学硕士学位论文 速度 ( 1 ) 四缸发动机( 2 ) 六缸发动机 图2 2 霍尔式汽车速度传感器工作示意图【2 5 】 利用速度传感器( 即曲轴位置传感器) ，e c u 可以知道有两个气缸的活塞 在接近上止点。由于第四个槽的脉冲下降沿对应活塞上止点( t d c ) 前4 。，所以 e c u 根据脉冲情况，可以确定活塞在上止点前的位置。同时，e c u 根据各脉冲 间通过的时间，计算发动机的转速。由于e c u 是通过速度传感器，感知曲轴( 或 者活塞) 运行的位置和发动机韵转速，所以速度传感器信号是控制喷油和点火的 重要信号【2 5 】。 2 2 2 测试系统的测试原理 由汽车速度相位传感器的工作原理可知，当信号轮( 曲轴凸轮轴) 齿槽通 过传感器时，相应地就会产生信号波形【3 5 】，理论上说，由传感器产生的信号波 形应该和齿槽波形( 机械齿形) 在时间和相位上应该是完全一致的，但由( 霍 尔) 传感器发信原理可知，传感器信号的产生受到诸多因素的影响，例如传感 器与信号轮( 曲轴凸轮轴) 的安装位置，尤其是两者之间的间距大小对传感器 工作时周围磁通的大小有较大的影响，如此也会对传感器工作时发信的能力及 相应速度产生影响，因此，传感器实际工作时，或多或少存在着信号失真，主 要是传感器产生的测试信号延时即其与实际信号之间有相位偏置( 如图2 3 ) ， 1 0 上海大学硕士学位论文 实际上本课题所研究的速度相位传感器在实际工作时还存在着其它形式的信号 图2 3 传感器信号与机械齿形的相位偏置示意图 偏差，这些信号偏差的内容将在下章中系统的功能要求中做具体的说明，也正 是由于这些信号偏差的存在，使得对传感器的性能进行测试评定的十分的必要。 本课题使用的测试原理正是根据这一特性而设计的，本系统使用了一个具有连 续齿形( 一缺齿) 的信号轮，使其与传感器位置关系和传感器实际使用时其与 曲轴( 凸轮轴) 的位置关系相似，当信号轮高速旋转时，采集并记录传感器的 感应信号( 波形) ，测试台通过对传感器信号的分析和与信号轮相位信号的比较 实现传感器的功能测试，如图2 4 。 信号轮 上海大学硕十学位论文 2 3 本章小结 本章先是介绍了汽车传感器的有关概念和分类，然后具体解释了本次课题 研究的汽车速度相位传感器即霍尔传感器的工作原理，并由此进一步得到了汽 车速度相位传感器测试系统的测试原理。 1 2 上海大学硕上学位论文 第三章系统总体功能要求及结构设计 3 1 系统的功能要求 由于本课题研制“速度相位传感器功能测试台 ( 以下简称为“测试台) 是以工业自动控制为基础，集计算机控制、虚拟仪器技术、测试技术、信号采 集处理技术于一体的试验室用仪器设备，除了要实现对传感器的功能测试外， 还必须符合g b 4 7 9 3 1 1 9 9 5 测量、控制和试验室用电气设备的安全要求第一 部分：通用要求规定的要求以及诸如在设备操作性、系统可靠性等方面的要 求。详细说来，本“测试台 的功能和技术要求主要有以下几点： 可靠的获取传感器的输出信号，并对传感器信号的进行分析。 包括信号的高低电平( 平均的高低电平) 、信号突变( 上升和下降) 的时间 ( 从电压幅值的1 0 算起点，9 0 算终点) 。要求“测试台 能够测量并统计 在一定温度、转速条件下，在2 0 转内，针对所有轮齿的传感器输出信号的最大 上升下降沿时间、输出电压高低电平极限幅值( 最高高电平、最低高电平、最 低低电平、最高低电平) 。传感器的采样精度要求达到0 0 1 。 实现对最大气隙的测量。 是指在一定温度、一定转速下，可获得有效输出信号的最大气隙【3 6 】。要求 “测试台 在信号轮旋转的过程中可以连续的调整和显示气隙的大小，同时“测 试台 必须时时获取并在屏幕上显示传感器的输出信号波形。要求气隙的测量 精度为0 0 1 r a m 。 计算相位切换偏置点及其精度 包括相位切换偏置点、相位切换偏置点精度、单齿相位切换偏置点3 6 0 。 重复精度、缺齿信号重复精度，具体解释及要求如下： - 相位切换偏置点是指： 1 3 上海大学硕士学位论文 传感器信号高低电平的切换点相对与信号轮机械轮齿和齿槽相位切换点的 偏置量( 超前或者滞后的角度) ，具体对p g ( 相位传感器) 是指o p ，( t ) r e l ，如 图3 1 所示，对d g ( 速度传感器) 指( i ) o f f s e t ，如图1 0 所示。要求“测试台”能够 测量并统计在一定温度、转速条件下，在2 0 转内，针对所有轮齿的上升沿( d g 为轮齿中心) 的平均偏执量以及针对所有轮齿的下降沿( d g 为轮槽中心) 的平 均偏执量。 f m lf m 2 图3 1 相位传感器信号与机械信号相位关系示意图 图3 2 速度传感器信号与信号轮机械信号相位关系示意图 - 相位切换偏置点精度是指： 在一定温度、转速条件下，所有相位切换偏置点在2 0 转内的变动范围，表 示为a ( t ) o p ，a r e l 和a ( p o f f s e t 。要求“测试台 能够测量并统计针对所有轮 齿的上升沿( d g 为轮齿中心) 的相位切换偏置点精度和针对所有轮齿的下降沿 ( d g 为轮槽中心) 的相位切换偏置点精度，其实质是最大超前量和最大滞后量 的绝对值之和。 1 4 上海大学硕士学位论文 - 单齿相位切换偏置点3 6 0 。重复精度是指： 在一定温度、转速条件下，针对某个信号轮齿的相位切换偏置点在2 0 转内 的变动范围。要求“测试台 能够测量并统计在一定温度、转速条件下，在2 0 转内，针对某一个轮齿( 非缺齿后的第一个齿) 的相位切换切换点及其精度。 - 缺齿信号偏差( 只用于d g ) 是指： 在一定温度、转速条件下，针d g 信号轮缺齿相位切换偏置点在2 0 转内的 变动范围( 缺齿后的第一个轮齿中心，其实质是单齿相位切换偏置点3 6 0 。重复 精度针对缺齿信号的特例) 。要求“测试台能够测量并统计在一定温度、转速 条件下，在2 0 转内，针对缺齿后的第一个齿的中心的相位切换点及其精度。 其它功能要求： 除了以上3 点测试功能外，整套测试系统还要求具备一些其他的功能，如 系统各部件的装配精度( 信号轮的安装、传感器的安装、传感器与信号轮相对 位置) 符合测试要求；操作界面要清晰、明确，设备的操作要简单方便，有集 中的控制面板和明确的操控指示，并允许有关技术人员进行参数设置、选择； 由于该设备中有高速旋转的部件，所以要求设备配有可靠的安全防护装置，等 等。 3 2 系统研制的难点 由前文可知，由于汽车传感器的重要性，国内外已经有一些厂家和研究机 构开发出了针对这类传感器进行测试的设备，相比这些设备，本课题研制的“汽 车速度相位传感器功能测试设备”对测试的自动化程度、需要实现的测试功能 及测试精度都具有更高的要求，如何实现如此高精度的功能计算就成了设备研 制过程中必须面对的一个问题。另外据了解，目前国内外的有关设备在进行类 似速度相位传感器测试时的信号轮转速一般在8 0 0 r p m 左右，而本“测试台 的 要求达到的最高测试转速为3 0 0 0 r p m ，因此如何实现在信号轮“高转速 3 0 0 0 r p m 条件下的高精度测试就成为了本次“测试台 研制的最大难点，本节 将就这些难点进行分析和相关设计。 1 5 上海大学硕士学位论文 3 2 1 信号轮高转速下的信号采集 由于本课题要求在最高3 0 0 0 r p m 的转速下进行有关的功能测试，这对测试 系统提出了相当高的要求，首先就是测试信号的采集问题。 根据用户的技术指标，要求信号分析的有效位为0 0 1 。和0 1 “s 。由公式 0 0 1o 3 6 0 03 0 0 0 - - - - 二- - - - - - - 一= ：一 r ( o 0 1o ) 6 0 可得，在最高转速时信号轮转过0 0 1 。的时间 t ( 0 0 1 。) = 妄膨0 6 p s ，即表示为满足角度分析的精度要求，在最高转速时， y 每隔0 6 , u s 就需要采集一次传感器信号，而根据数据采样定理【3 7 1 ，采样频率f s 必须是测量信号所包含的最高频率的两倍，这样采样数据才能包含原始信号的 所有频率分量的全部信息，这样最高转速时信号采集的采样频率 f s ( 角度) 2 页茄丽= 3 6 m s s 。此外，考虑信号时间分析中关于有效位 0 1 “s的要求，可知此时的信号采样频率必须满足 f s ( 时间) 2 = 2 0 m s s 。 0 1 厶s 综上，在对传感器信号进行角度和时间分析时，为满足分析结果的有效位 数的要求，信号的采样频率必须分别达到3 6m s s 和2 0 m s s 。如何实现如此 高频率的信号采集，将是解决整个系统功能实现的一个关键问题，此外，由于 用于信号分析的数据为信号轮多转( 2 0 转以上) 的数据，这将会是一个非常庞 大的数据量，如何实现对这些数据的读取和处理也是本次“测试台 研制过程 中需要面对的另一个难题。本系统采用了先进的虚拟仪器技术，选用了n i 公司 的p c i 5 1 2 4 数字化仪等硬件设备来解决这一问题，具体的硬件设计以及软件实 现见“3 4 硬件系统介绍 和“第四章关键技术介绍。 3 2 2 多测试功能的实现问题 由3 1 节中介绍的功能测试要求可知，此次研制的“测试台 需要实现包 括传感器信号分析、信号相位偏置及精度等多种功能的计算，且不论计算的精 1 6 上海大学硕士学位论文 度问题，单是这些计算功能的算法实现就会给“测试台 的研制提出非常高的 要求，如在传感器输出信号分析计算时，如何确定采集到的传感器( 波形) 信 号中的上升沿和下降沿数据，并由此计算信号突变时间和最值；又如，传感器 信号分析中的高低电平的确定，即要确定波形信号的波峰和波谷；此外，在进 行信号相位切换偏置及精度计算时，如何将信号轮机械波形即机械轮齿与采集 到的传感器波形对应起来，尤其是在进行重复精度计算时还需确定2 0 转内与信 号轮某一指定机械轮齿对应的波形数据，并根据这些数据进行相关的计算等等， 这些都是实现测试功能所要面对的问题。这些问题最终通过基于l a b v i e w 平台 的先进算法研究得到了解决，具体的实现方法见“第四章关键技术介绍 。 3 2 3 其它难点 本“测试台 的研制过程中还遇到了许多问题和技术上的难题，如气隙的 测算，又如多仪器设备的集成使用等等。这些问题都在系统的总体结构设计、 软硬件控制过程中得到了解决，具体的方法将在论文之后的内容中介绍。 3 3 系统总体结构设计 根据前两节介绍的关于系统功能方面的内容，本系统采用了模块化【3 8 】的设 计方法，针对不同的功能分别进行了分析并制定出实现功能的方案，然后结合 现代机电系统设计方法中的组合法【3 9 1 ( 模块化设计) ，将各功能模块组合起来， 完成了整个“测试台”的设计。 3 3 1 功能实现的模块化设计 信号采集模块 由于本课题要实现的测试功能是建立在比对传感器信号及信号轮机械齿形 信号的基础上的，因此如何实现以上两种信号的采集就成了实现测试功能需要 解决的第一个问题。本课题设计中，使用了n l 公司的p c i 5 1 2 4 高速数字化仪 来采集测试过程中被测传感器产生的信号( 波形) ，并结合使用了h e i d e n h a i n 1 7 上海大学硕十学位论文 公司的e r n l8 0 3 6 0 0 旋转编码器及与之配套使用的i k 2 2 0 高速计数卡来实现信 号轮机械齿形的信号采集。有关他们的参数特性和使用方式、具体的信号采集 方法将在3 3 节的“硬件设计 和第四章“关键技术介绍 中做详细阐释。 信号处理模块 当使用信号采集模块，将所需要的传感器信号的信号轮机械齿形信号采集 好以后，就需要对所采集的信号进行加工，例如信号的滤波等，并使用所采集 的信号，根据设备功能要求中所提到的需要计算的相位偏差及精度等值，得出 最终的传感器测试结论。在模块化设计时，将以上几点功能的实现集中概括成 了“信号处理模块 。 值得一提的是，在实际的软件实现过程中，“信号采集模块 和“信号处理 模块 可以说是结合在一起来实现的，这是考虑到在实际的传感器功能测试时， 信号的采集和处理在有些情况下几乎可以视为是同时进行的，尤其是系统要求 时时显示传感器信号的波形，这就要求将采集到的信号进行时时处理并显示到 人机界面上来。但是由于信号采集和信号处理两者之间还是存在明显的区别， 尤其信号采集主要依靠的是硬件上的设计，而信号处理更多的是体现在软件设 计及算法处理上。因此，在系统的模块化设计时，将两者区分成了两个不同的 模块。具体的信号处理、有效数据的选取、以及相位偏差及精度的计算方法等 将在第四章的“关键技术介绍 中做详细阐释。 气隙功能模块 根据设备的功能要求，测试台必须实现传感器和信号轮相对方位的电动调 整( 对中调整、方向的对正) ，两者间气隙( l s ) 的调整和测量，尤其是气隙 的大小还要实现实时的获取和显示，以实现对“最大气隙 的测量。 为实现以上的功能，本系统采用了“信号轮位置固定、传感器主动定位 的方案，即将信号轮的位置固定，然后使用一个三坐标伺服定位系统来完成传 感器与信号轮间的定位和气隙( l s ) 的调整，而气隙的测量和显示则是使用 k e y e n c e 公司的l s 7 0 0 0 系列高精度数字测微计。有关三坐标伺服定位系统的 设计和实现、l s 7 0 0 1 的参数特性和使用方法等将在3 3 节的“硬件设计 和第 四章“关键技术介绍中做详细阐释。 1 8 上海大学硕士学位论文 辅助功能模块 以上三大模块是本次设计的主干内容，通过以上三大模块的设计，基本完 成了整个测试系统的概念设计，但要实现所有测试及功能要求，整个“测试台 还必须具备其它一些功能，例如对信号轮主轴的伺服控制，要有简明的人机界 面，系统安全性设计等，这些要求由于主要都是通过软件控制来实现，因此将 这些功能都统一概括为“辅助功能模块”。具体设计内容将在第五章的“系统总 体控制及辅助功能模块的实现”中详加介绍。 3 3 2 系统的总体方案 根据3 2 1 节中所介绍了系统的四大模块的功能特性及这四大模块的关系， 完成了整个“测试台 的模块化设计，确定了系统的总体结构方案，整个系统 共有四大模块组成，分别为信号采集模块、信号处理模块、气体功能模块和辅 助功能模块，他们之间的关系如图3 3 所示，辅助功能模块将服务于信号采集 模块、信号处理模块以及气隙功能模块，同时信号采集模块与信号处理模块之 间也存在信息的交互。 3 4 硬件系统介绍 图3 3 系统总体结构设计 根据3 2 节的介绍，当完成了系统的模块化设计和总体方案设计后，系统 1 9 上海人学硕士学位论文 所需使用的硬件设备也随之确定了下来，然后根据各个硬件设备的使用方法和 工业控制的基本原理，完成了系统的硬件结构设计。硬件系统的设计主要包括 硬件仪器的选择和器件间的联接设计，系统的硬件结构框图见图3 4 。本节将依 据上一节中的模块化设计思路就本课题所使用的部分硬件仪器的选型、参数特 性及硬件系统使用的接口技术做一个介绍。 鲧 ) d | 1 - 4 星 1 - 4 瑟 赛蚕 辎甲 h2日 i - - 4 地 嘲 0 3 n 们 嵋 k 司 舄举 糖瞻鲻码嚣 謦荟 目m 8 03 6 0 0 艟 * 葛螺 一 i ：。 日p 器基 1 l 瓦p 钉t l 球q l l m l1 垂蓑 图3 4 系统硬件结构示意图 1 传感器信号测试电路 根据霍尔传感器的发信原理，以及客户提供的技术资料，设计了传感器信 号测试电路，如图3 5 。由于被测的传感器分为有源和无源两种，其区别在于有 源传感器在正常工作时需要向其提供一定的电源( 电压) ，同样为了测试有源传 感器信号，也要对其供电，以保证其工作。考虑到不同传感器对电源的要求也 不尽相同，为实现在人机界面上对供给电源( 电压) 的可视化调整，本系统还 配备了一台台湾固纬生产的 可编程电源为测试电路提供必要的测试 电源，该可编程电源可实现最高的可编程精度，可充分满足技术要求中 上海大学硕士学位论文 对测试电压0 2 5 | ：0 1 v 的精度要求。 玎 图3 5 ( 有源) 传感器信号测试电路 3 4 2p c i - 5 12 4 高速数字化仪 根据虚拟技术以及数据采集原理，结合以往的设计经验，决定使用n i 公司 的数字化仪示波器来实现测试过程中被测传感器产生的信号( 波形) 的采集。 用户要求本测试台的采样精度要达到o 0 1 。，而信号轮上平均分布着3 6 齿( 一 缺齿) ，即每个齿1 0 。，根据公式2 j i o o o 0 1 0 ，可得x 1 0 b i t ；又由“3 2 1 信号轮高转速下的信号采集 分析的内容可知，信号的采样频率f s ， 2 0 m s s 。