（计算机应用技术专业论文）无载测功中的测试算法及其应用研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘要 为简化发动机功率检测过程，提高无负荷测功的准确性和可靠性，针对目前常用 的发动机无负荷测功技术和方法中所存在的问题和不足，本文分析了发动机无负荷功 率检测的方法和影响瞬时转速测量精度的主要因素，提出了通过采用最小二乘法拟合 求解曲轴加速度的方法进行瞬时功率的求解算法，进行了瞬时转速的测取，利用最小 二乘法拟合出发动机的飞升曲线，并结合其特点开发了发动机不解体功率测试系统。 主要研究内容包括： l 、进行了瞬时转速测量原理的分析和研究，介绍了几种测量瞬时转速朐方法， 分析了影响瞬时转速测量精度的主要因素，如齿轮分度和采样频率等，探讨了提高瞬 时转速的测量精度应用方法。 2 、进行了角加速度提取原理的研究，介绍了角加速度提取的方法，并用最小二 乘法进行数据处理。 3 、在分析柴油机动力学特性的基础上，建立了简化的瞬时功率的计算模型，设 计了相应的计算和处理程序。 4 、进行了上、下位机的设计，下位机采用高性能的具有s o c 特点的超低功耗的 m s p 4 3 0m c u 设计，配以【c d 汉字显示器和独立按键，界面清晰直观，操作方便； 具有通讯接口和u s b 接口等，利用u 盘作为外存大大提高了下位机的存储容量。采 用v c + + 开发了上位机程序，可实现对下位机的采样数据进行后续处理、数据管理以 及发动机功率波动曲线的绘制等。 在进行理论研究的同时，完成了试验研究和测量工作，并对数据进行了系统的 分析、对比和仿真，验证了上述测试系统的有效性和工程实用性，并进行了样机的设 计。 关键字；瞬时转速；角加速度；最小二乘法；转速传感器；m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 山东理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t 0s i m p l i 母m ep r o c e s so fe n g i n ep o w e rm e a s 耐n ga n di m p r o v et h er e l i a b i l i 够觚d s a f e t ) ro fe n g i n ep o 、v e rp l a i l t ，a o c o r d i n g 幻t h ep r o b l e m s a n ds h o i 钯o m i n g so f l e t e c l 1 0 l o g y i nt h ee n g i n en 9 _ l o a dp o w e ri n e a s u r i n gs y s t e m ，t 址sp a p e r 锄l y s e dt l l e m e t h o do ft l l en ol o a dp o w e rm e a s l l r i n ga n dt h em 咖f a c t o r so fm ei m p a c to f i n s t a n t a n e o u ss p l 。e dm e a s u 托m e n ta u r a c y ，a r 】d l ei n s t a n tr o t a t i o r 谢s p o e dw a si m a s u r e d i nt h et e s ts y s t e m ，i n s 伽n t a n c o u sa c c e l e r a t i o n 、v 嬲c a c u l a t e db yu s i n gm e 亿a n 脱o ft h e m c u 埘mt h el e 2 l s ts q u r em e a t h o d ，a n dt h es y s t e mo fp o w e rm e 嬲血n gw 嬲d e v e l o p e d t h em a i nc o n t e n t so ft l l ep a p e rw e r e 嬲f o l l o 、s ： 1 、1 1 l ee l e m e n t so fm e a s u r i n gi n s t a n t a n e o u ss p e e d 袱i r c 咖d i e d ，s e v e r a l 眺d so f n l e a s u r i n g i n s t a | ：l _ t a n e o u ss p e e d 、e r ei i l 们d u c e d ，t h ep r i m a 叮f i a c t o r s t 0a 任t 吐l e m e a s u 獭n e n tp r e c i s i o no ft h ei n 北埘t a n e o l l ss p e e d ，s u c ha st l l eg e a rp r e c i s i o n ，s 锄p l e 舶q u e n c ye t c ，、v e r ea n n l y z e d ，a r di no m e rt oe n t l a n c et l l e i n e 嬲u r e m e n tp r e c i s i o n ，t h e i i l s 切n t a n e o u ss 】p e e ds i g l l a l sw e r ep r o c e s s e da n d2 u l a l y z e db ys e v e r a lm e m o d s 2 、t h er e s e a r c ho fa n g u l a ra c c e l e r a t i o nw a sc o r l d u c t e d s e v e r a lm e t h o d so f m e a s u r i n ga n g u l a ra c c e l e r a t i o nw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ed a ：t ao f t h ea n g u l 盯a c c e l e r a t i o n w a sp r o c e s s e db yt h el e a s ts q u r em e a 1 0 d 3 、as i i l l p l i f i e dm o d e lo fe n g i n ei i l s t a i l t a i l e o u sp o 、e rw 嬲d e v e l o p c db 勰e do n 吐l e i n v e s t i g a t i o no fd y n 锄i cp r o p e r 哆o fe n 西n e ，a n dm em e a s u r i n gs y s t c mw 觞d e v e l o p e d t 0 0 4 、7 n l em o d eo f t h eh o s ta i l ds l a v ec o m p u t e rw 硒a d o p t e di i lt h et e s ts y s t e m t h es l a v e c o m p u t e ra d o p t e dm c u ，w i t hl c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 趾dc o 仃e 唧n d i n go p e r a t i o n b u _ t t o n ，w 址c hm a d ei t1 1 0 to i l l yh a v et h ec l e a ri n t e r f a c ea n d c a i lb eu s e ds i m p l y ；a n da l s o c a r 坷o nd a t at 锄s m i s s i o nb e t w e e nt l l ep ca r l dm c ub yt l l ec o m m u i l i c a t i o nw a y 组d u s bi n t e r f a c ew a sa d d e di no r d e rt or e a l i z el a r g er n e m o 巧u s i n gt h eu d i s k t h cp r o g r 锄 o ft h eh o s tc o m p u t e rw a u sd e v e l o p m e n t e db yv c + + ，a n dw t l i c hc a l lb er e a l i z e dt om a n a g e t i 圯m e a s u l e dd a t 巩d r a w l et e s tc u n ，ee t c al o to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e si nr c a l 一、0 d de n g i n c sa a c c o m p l i s b e d ，a n d 地 e x p e 血鹏n t a lr e s u l t sv e r i 匆t 1 1 ea b o v em e o r c t i c a ld e v e l o p m e m s k e yw o r d s ：i n s t 枷r o t a t i o n a ls p e e d ；a n 叫a ra c c e l e r a t i o n ；l e a s ts q u r em e 砒o d ； r o t a l i o n a ls p e e ds e n s o r ；m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得山东理工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： 偕 时间：乒棚年6 其| ；b 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 心 时间多翻年6 只| ；b 时间游乡月 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的来源及意义 第一章、绪论 随着现代科学技术的飞速发展，人们对各种机器设备的安全性要求越来越高。发 动机作为一种往复式动力机械，目前己成为汽车、工程机械、船舶、机车和发电机组 等诸多设备的动力心脏。这些设备在人民生活和生产实践中担负着重要的任务。发动 机本身又具有结构复杂，工作条件恶劣的特点，发生故障的可能性大，一旦发生故障 不仅会影响整个设备的正常工作，直接或间接地造成巨大经济损失，而且可能危及人 身安全，造成极为严重的后果。如某电厂的数台柴油发动机组在1 9 9 6 - 1 9 9 9 年间的3 年时间内，因中、大型故障停机所造成的直接经济损失共计1 3 5 7 万元，而因停电影 响生产所造成的间接经济损失竞达2 l o o 万元。所以，如何及时发现发动机的故障隐 患己成为当前的一个研究热点。 发动机的有效功率是曲轴对外输出的净功率，是一个综合性评价指标，通过这一 指标，不仅可以定量的获得发动机的动力性，而且可以定性地确定发动机的技术状况。 目前发动机有效功率的检测方法有稳态检测和动态检测，或称为有负荷检测和无负荷 检测两种。 稳态测功是指当发动机在节气门开度一定，转速一定和其他参数保持不变的稳定 状态下，用机械测功器、电涡流测功器、水利测功器或在底盘测功试验台上测定发动 机功率的方法。利用这种方法测出的数据比较准确可靠，主要在发动机设计、制造、 定型及院校和科研部门做性能试验时使用。其特点是测功一次费时费力较多，成本较 高，且需要大型、固定安装的测功器( 这种测功仪器的费用通常是很高的) ，因而在 一般的运输、维修和交通监理部门中采用不多。并且，除底盘测功试验台外，其他测 功器也不适合对汽车进行不解体检测。 动态测功是在发动机节气门开度和转速均变动的状态下测定发动机功率的方法。 由于动态测功时无须对发动机施加外部负荷，困而又称为无负荷测功或无外载测功。 动态测功的优点是不需要外加负荷，不需大型设备，既可以在台架上进行，也可以就 车进行，因而大大提高了检测的方便性和迅速性，特别适用于检测在用车辆发动机的 功率，适合于维修检测等部门。因此其市场应用广泛，研究意义重大。 本课题的研究目的就是通过一些相关的实验对发动机的动态无载测功中的参数 问题进行深入的分析和研究，结合相应的测试算法，研制一种具有较高测试精度、标 定简单、安装方便、价格较低的无负荷测功仪。 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 发动机检测技术发展历史及现状 发动机检测技术随着科学技术和发动机技术的发展在上个世纪中叶已成为相对 独立的一门科学。促进并支撑着发动机技术的快速发展，为研制高水平的发动机提供 了重要的保证。纵观发动机的发展史，每当发动机技术发展到一个新阶段都伴随着发 动机测试技术的飞跃。从早期的电子管技术到目前的微电子和计算机技术，使发动机 设计与制造技术和发动机检测技术都得到了空前的发展，实现了从稳态性能测试到动 态性能测试，并开拓了许多新的测试领域。近年来，发动机检测技术与现代动力工程 技术的发展相适应，也产生了飞速的发展。其特点主要有1 3 j l z 6 j ： ( 1 ) 随着现代电子信息技术的飞速发展和广泛应用，发动机检测技术在观念上 产生了深刻的变革，在手段上开辟了崭新的局面，如智能化、高速多通道数据采集处 理、图像处理和各种场合的采集测量与处理等。 ( 2 ) 发动机检测技术由常规测试向专项测试发展，由弱电测试向光学、磁学等 测试发展；由接触测量向非接触测量发展；由一般测试向智能化方向发展；由稳态测 试向动态测试发展；由普通测量向状态监控方向发展。 ( 3 ) 发动机检测技术向广度和深度发展，广泛涉及到光学、声学、核磁、计算 机、遥测、自动化和模态分析技术等诸多学科领域，并引进了近代物理、数理统计、 控制论和信息论等新的理论。发动机检测技术的发展，为深入研究发动机各方面的性 能提供了高精度和多样化的分析手段。 国外内燃机行业在市场竞争和环境保护的双重压力下，其产品的综合技术水平 有了很大提高。一方面是发动机的研制开发对其测试技术提出了新的更高的要求；另 一方面，测试水平的提高又为研制开发高水平的发动机提供了可靠的保证。为此，国 外各发动机科研机构和生产厂商都十分重视发展和完善各种测试技术，一批新的先进 测试技术和装备已进入实用阶段。 随着市场经济的不断发展和国际先进发动机检测技术的影响【4 】，特别是我国加入 m 后对发动机行业的促进作用，使我国发动机检测技术也取得了长足的进步。表 现在通过引进、消化吸收和自行研制开发相结合，紧跟国际发动机检测技术的发展方 向，形成了一批以高等院校、研究所和企业为主力军的检测技术研制开发队伍。建立 了我国发动机检测技术的研究、教学、生产专业化体系。如江苏启东测功器厂在保留 引进策尔纳技术生产的y 8 8 0 测功器外又开发生产了1 5 “0k w 电涡流测功器和7 k w ，1 5k w 交流电力测功器。长沙普联动力监测仪器有限公司( 原湘西仪表厂) 与高 等院校合作新开发了全数字控制仪，具有网络性的f c 2 0 0 0 发动机自动控制系统和通 用动力机械测试组态软件。但是受原材料和生产工艺的制约，我国发动机检测技术和 国际先进水平还有很大的差距，我们还应该继续加强基础检测技术的研究开发，为提 高总体水平打好基础。 2 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 发动机测功仪研究现状及发展趋势 1 3 1 测功仪国内外研究状况分析 多年来人们都在不断尝试研制新的发动机功率检测方法与仪器【7 1 。2 0 世纪中叶， 工业化发达国家形成了以性能调试为主的功率单项检测技术，运用简单仪表检测出相 关的电流、电压、温度等值并通过计算得出发动机功率。6 0 年代末，随着发动机工 业的发展，发动机功率检测也获得较大的发展，出现了示波器、转速表、功率表等发 动机功率检测仪器。7 0 年代初，随着计算机技术、传感器技术的发展，发动机测功 技术向控制自动化、数据采集自动化、数据处理自动化方向发展。8 0 年代末，一些 发达国家的现代检测诊断技术己达到广泛应用的阶段。 我国从6 0 年代开始研究发动机检测技术，7 0 年代，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，在引进国外先进技术的基础上，研制开发了发动机 综合检测仪、汽车性能综合检测台等设备，但这个时期的设备还不完善，且数量有限。 召o 年代以来，随着我国汽车工业的发展，发动机功率检测诊断技术也得到了很大的 发展，但这个时期的检测诊断设备在自动化与智能化程度与国外相比还有一定差距。 目前国内外发动机功率检测仪器仍以有负荷测功器为主，常见的有负荷测功器有 底盘测功器、水力测功器、电涡流测功器、液压测功器、电力测功器等。与有负荷测 功器相比，无负荷测功器的种类与数量相对较少，目前虽已有单一功能的便携式无负 荷测功器，但更多的无负荷测功仪则是与发动机综合测试仪做成一体，操作复杂，不 能够满足发动机工作现场技术状态检测的要求。 1 3 2 发动机测功仪发展趋势 随着发动机工业的发展，自动化程度的不断提高，发动机测功正向智能化和自动 化、可移动式检测、动态性测试方向发展，作为测试仪器发展趋势的手持式仪器，正 好满足发动机测功仪发展要求。因此近年来国内外均在运用高性能微处理器结合测试 算法研究发动机测功方法与仪器，并在有负荷测功仪的改进、测功仪系统的模型仿真 方面取得了一定成果，但所开发检测仪器的智能化和精确度上还有待迸一步的完善和 提高。总之，运用多通道、高精度的微处理器开发的发动机无负荷测功仪在数量与种 类上还远远不能满足现代发动机检测的需要。 1 4 本课题的主要研究内容及关键性技术 本课题以汽油发动机为主要研究对象，通过传感器及其它辅助电路进行转速信号 3 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 采集，结合相应的测试算法展开分析研究，利用新一代微处理器的特点，经过一定的 仿真试验及现场测试得出本文的最后结论。其主要研究内容及关键技术如下： 1 4 1 本课题研究的主要内容 1 、针对现在市场上无负荷测功系统存在的精度较低、标定不准确等主要问题进 行了分析总结，通过国内外测功仪器的对比，对发动机测功仪的发展进行了展望。通 过对一些常用的无负荷测功方法进行分析、对比和论证，针对其存在的问题和不足提 出改进或提高的方法和措施。确定本系统所采用的相应算法，并制定出切实可行的实 施方案。 2 、通过对无负荷测功方法分析对比，经过论证，确定了本系统采用的应用算法， 并制定了可行的系统实施方案。 3 、设计完成了无负荷功率检测系统的软、硬件，主要包括： 在下位机方面，主要实现对瞬时转速信号的采集，并结合必要的测试算法进行处 理以便计算出发动机的瞬时功率，同时，为方便对其测试结果进行更深入的分析和后 续处理，增设u s b 接口以便可采用普通u 盘作为大容量外存。 上位机主要用来进行数据的存储、查询和分析。利用r s 2 3 2 串口通信将m c u 采集的数据和计算得出的功率传输到上位机，用v c h 实现用户界面的设计，增强系 统的可视性。 4 、经过测试实验，得出较为准确的实验数据，通过对比，得出实验结论和拟合 曲线。 1 4 2 本课题的关键性技术 通过对发动机测功仪器的调查分析，对于无负荷测功仪来讲，其主要缺点是测量 精度低、标定不准确等缺点，本课题的主要目标就是要通过寻求合适的测试算法改善 以上提到的缺点。利用公式功率可表示为： 。m e n 万，砌 r 产一= 一聆 9 5 4 99 5 4 9 3 0 衍 式中：p c 一发动机有效功率，七耽 m c 一发动机有效转矩，脚； ，发动机运动机件对曲轴中心线的的当量转动惯量，姆矿； n - 一发动机转速，m m ； 4 山东理工大学硕士学位论文第一苹绪论 咖 毋曲轴角加速度，删，； d h 硪一曲轴的加速度，l r 。 从上式可以看出，求解瞬时功率的关键是如何测取瞬时转速以及在这一速度下的 瞬时加速度。 瞬时转速的测取有软件法和硬件法之分。软件方法需要为系统配备高速d 进 行信号转换，测取的信号需用软件方法进行优化，随着单片机性能的不断提高，这种 方法造成的误差日益显著。本系统采用硬件方法，设计专门的滤波整形电路对信号进 行处理，从而获得精确的数据。 加速度的求解通常采用以下方法1 ： 设t 。( s ) 、t 2 ( s ) 、t 3 ( s ) 分别是发动机加速过程中某连续三圈的周期，n 。、n ：、m 是相应的转速。则粤：竺：丝，n 为中间一转的转速 d t& 由于n ：6 0 t 。，n 3 - 6 0 t 。，岔：丁2 + 兰芸，故 鲁= 詈= 第一务亿+ 半 在加速过程中，t t 。 t 。，并且其值变化很小，于是有r 。乃。譬，! ! 芸。r ：，于 是得：鲁划仁 但是以此方法得到的瞬时加速度存在明显的误差，时间和速度均为近似值，在之 后的计算中将产生较大的误差；也无法消除操作上的不规范给采集数据带来极大的误 差。 本文中将采用最小二乘法进行拟合求取加速度值。由发动机的飞升特性可知，转 速n 和时问t 之间存在着良好的线性关系，即n = b + a t ，式中a _ d n d t 。通过测定某一 时刻转速值，经过线性拟合即可求出d n d t 。 5 山东理工大学硕士学位论文 第二章无负荷测功系统的算法分析及实施方案设计 第二章、无负荷测功系统的算法分析及实施方案设计 2 1 常用测功方法及分类 测量汽车发动机功率的方法通常分为两大类【l 】州( 图2 1 ) ，一类属于带负荷测功， 一类属于无负荷测功。带负荷测功器一般由制动器和磅秤机构两部分组成，制动器吸 收发动机的输出扭矩，磅秤机构则把吸收的扭矩测量出来。根据吸收发动机输出扭矩 的介质的不同，常用的带负荷测功器有水力测功器和电力测功器两种。带负荷测功具 有测量精度高、可直接显示发动机扭矩数据的优点，但是这类测功器体积庞大、价格 昂贵、操作复杂，非一般维修行业所能承受，所以目前仅应用在汽车制造厂、科研院 所和大专院校等单位。尽管无负荷测功方法目前的测量精度还不是很高，但由于其具 有操作简便和费用低等特点，因此仍然是广大维修厂家广泛采用的一种测量方法。它 通常采用加速时间法和功率平衡法来间接获取发动机的有效功率。 图2 1 发动机测功方法分类 2 2 无负荷测功系统数学模型分析 2 2 1 无负荷测功基本原理 无负荷测功原理是基于动力学的原理【5 】【6 】网。当发动机在怠速或某一空载低转速 运转时，突然全开节气门加速运转，此时发动机产生的动力，除克服惯性和内部各种 运转阻力矩外，将使曲轴加速运转。即发动机以自身运动机件为载荷加速运转。如果 被测发动机的有效功率愈大，则曲轴的瞬时角加速度也愈大，而加速时间愈短。所以， 只要测得角加速度或加速时间，就可以获得发动机功率。依据此原理，无负荷测功原 6 山东理工大学硕士学位论文第二章无负荷测功系统的算法分析及实施方案设计 理可分为两类，一类是用测定瞬时角加速度的方法测量瞬时功率，另一类是用测定加 速时间的方法测量平均功率。 上面介绍的两种基于动力学的测量方法都是对绝对功率的测量，即测量的是发动 机的总功率，第三种方法是功率平衡法，实际上是一种测量相对功率的方法。它是将 发动机稳定在某一转速范围内，通过检测仪自动控制某个汽缸不工作，使发动机转速 发生变化，而这转速的变化比，即为功率平衡百分数。 2 2 2 角加速度法 对于一般的测功仪，能够测出发动机的转速和扭矩，然后通过式( 2 1 ) 计算得 到发动机的有效功率： p e - 丝塑 9 5 4 9 ( 2 1 ) 式中：p e 发动机有效功率，k w ； m e 发动机有效转矩，册； n - 一发动机转速，m i n ； 无负荷角加速度法实际上求出的是发动机在某一时候发出的瞬时有效功率。转矩 与角加速度的关系为 膨= ，警= ，白 。2 之) 式中：勉发动机的有效转矩，埘； ，一发动机运动机件对曲轴中心线的的当量转动惯量，堙舻； n - 发动机转速，m i n ； 咖 西一曲轴角加速度，脚s 2 ； 幽 衍曲轴的加速度，l s 2 。 把勉代入式( 2 1 ) p c _ 竺竺：型拧塑 9 5 4 9 9 5 4 9 3 0 破 c l ： 型 令 9 5 4 9 3 0 p z l 即塑 则 破 7 山东理工大学硕士学位论文 第二章无负荷测功系统的算法分析及实施方案设计 由于发动机加速过程是一个非稳定工况，所以实际测得功率值是小于同一转速下 的稳态测功值的，因而上式应乘以修正系数k 。即 p d c l 船塑 m 令 c 2 = 硒 p z 2 刀坐 则 廊 ( 2 3 ) 上式表明，发动机加速过程中，在某一转速下的有效功率与该转速下的瞬时加速 度成正比。因此，只要测出加速过程中的这一转速和对应的瞬时加速度，即可求出该 转速f 的有效功率。对于一定型号的发动机，其转动惯量是一个常数。修正系数k 的值，可通过稳态测功与动态测功对比试验得出。 2 2 3 加速时间法 加速时间法，是无负荷测功中使用最广泛的一种测量方法。它通过测定发动机从 某一转速急加速到另一指定转速所需的时间，来求得发动机在这一过程中所发出的功 率，即平均功率。根据功能原理，转动惯量的功能增量等于外力所做的功，因此有： a ：i 吱一i 磅 2 2 2 1 如图2 3 1 3 山东理工大学硕士学位论文 第二章无负荷测功系统的算法分析及实施方案设计 图2 3 零点法求瞬时转速示意图 此方法适用与传感器输出原始信号为正弦波时的情况，对矩形脉冲信号而言，使 用这种方法不能根据采样后的数字信号准确的确定零点，导致较大的误差。如图2 4 中所示，点p i 较精确，而点p i + 2 就有非常大的误差。 图2 4 矩形波采用软件法计算瞬时转速时误差示意图 拟合法采用样条函数对采样序列进行拟合，如果采用三次样条，则拟合后的波形 更加光滑，并且二次可导。同时采样序列可以看成曲轴角位移的时间函数，其对时间 的一次倒数即为曲轴的瞬时转速。 2 、硬件计数法 采用高频时钟计数方式的转速脉冲信号的测量过程如图2 5 所示 绷 白 ，八r l 飞八厂h 九一， vv 萋 l vv 凳 lill l | ll l 蠢 - - 一 一最 大 飞镌 图2 5 高频时钟计数方式的转速波动信号 采用高频计数脉冲对传感器输出的脉冲信号计数，以计算脉冲宽度，即每个分度 经过传感器的时间。如果计数器的高频计数脉冲频率为f h z ，对传感器信号的第i 个 矩形脉冲计数的值为虹，每周分度为z ，则瞬时转速i l i 为： n t = 钓批l z 1 4 ( 2 一1 6 ) 山东理工大学硕士学位论文 第二章无负荷测功系统的算法分析及实施方案设计 k i 的计数误差为1 个，故为了减小误差，需要计数脉冲具有很高的频率。此方 法依靠硬件来完成，使用方便、速度快、实时性好，需要专门的整形电路和高频计数 器。 2 4 3 加速度求解方法 发动机的无载测功是基于动力学的原理建立的，发动机转速的飞升曲线可以用图 2 6 表示。 o “ 尊 图2 6 转速飞升曲线 采用最小二乘法来求d t 是为了避免操作方法( 如加油门过程) 不合理而造成的误 差。加油门时必须一踩到底，使转速响应过程接近于二阶系统的阶跃响应曲线( 飞升 曲线) ，否则，飞升曲线直线段不理想，由此计算出的结果误差很大。采用最小二乘 法后，能够减弱操作给飞升曲线的影响，进而使得操作方法给实验带来的误差变小。 此外，应选择合理的工况进行测试，以保证测量的准确性。 由发动机的飞升特性可知，转速n 和时间t 之间存在着良好的线性关系，即 n = b + a t ，式中删d t 。通过测定某一时刻转速值，经过线性拟合即可求出d 1 1 d t 。其矩 阵表示形式( 一元形式) 为： 陈2 ：黝 ： = 盼；l ( 伊- ，缈o ) ，( 伊，矽) j 。【- 6 j 。l ( 厂，9 t ) j 其中： 9 ( 伽，伽) = 坳 j = o 9 ( 厂，缈) = 蝴 _ ，= o ( 缈o ，矽- ) = ( 卯，伽) = 蚴 ，= o 9 ( 厂矽o ) = 啪 1 5 ( 2 1 7 ) 蟛 9 脚 = 、l ， 缈b缈 i _ ， 一砌一( 厂，缈o ) ( 缈o ，缈- ) 一( 厂，妒- ) ( 妒o ，伊o ) 口= 一= o 2 ；o o o o 可求得： 统 ( 缈。，矽- ) 2 一( 缈。，驴。) ( 缈l ，妒1 ) ( 2 1 8 ) 2 6 最小二乘法原理h 阳 在自然科学、社会科学等领域内，为确定客观存在着的变量之伺的函数关系，需 根据大量的实验、观察或者社会调查所得数据建立函数关系式。这些数据中往往带有 随机的误差，但有时却无法重新采集。如果利用这些数据按插值法求函数关系近似表 达式，必然将不合理的误差( 形象地称作“噪声”) 带入函数关系式中来。如测试某物 体的直线运动，得到一组数据( t i ，s i ) = 0 ，1 ，2 ，m ，将其描在坐标平面上，如图2 7 ， 由于测试有误差，所以数据点没能落在一条直线上。显然，再用插值法求运动方程， 会得出不符合实际的结果，必须寻求新的方法。 s o 图2 7s 与t 的关系 根据图2 7 平面上测试点的分布情况，可以画出合多条靠近这些点的直线，其方 程都可以表示为 s ( t ) = a t + b ( 2 - 1 9 ) 其中a ，b 为待定参数。又可从形如( 2 1 9 ) 的所有直线中，找出一条用某种度量标 准来衡量最靠近所有数据点的直线。 令式磊= s 纯) 一吼，用lq 表示测试数据的重度，称为权系数，通常用 h 万睚z 彩。磊= q ( s 饥 一每) 1 知由。蝴 ( 2 2 0 ) 作为衡量s ( t ) 与数据点偏离大小的度量标准，对于确定( 2 1 9 ) 式中的待定参数比 较方便。 称按条件( 2 2 0 ) 求函数s ( t ) 的方法为数据拟合的最小二乘法，简称最小二乘法。 1 6 山东理工大学硕士学位论文第三章系统总体设计 3 1 系统总体设计思想 第三章、系统总体设计 系统的设计思想是在发动机不解体的情况下，完成瞬时转速和瞬时功率的测量以 及发动机温度的测取，同时将数据显示在l c d 或p c 机上。测试过程要满足简便、 快捷、准确、高效的特点；传感器的安装要简便，使得系统很快的使用；测量数据要 准确，保证检测结果可信：系统工作效率要高，短时间内能够实现测量及分析过程。 基于上述思想，进行如下设计。 系统功能模块如图3 1 所示。包括键盘输入模块、信号采集模块、数据处理模块、 显示模块、u s b 数据存储模块、通信模块、测温模块、p c 机功能模块( 可选) 。 数据输入模块 = 今 八 l c d 显示模块 v 。 温度采集模块 = 二今 m e u 模块 糙鬟羹糕黟 八 通信模块 八 上位机 模块i 沙。 图3 1 系统功能模块 键盘输入模块主要功能是完成初始数据的输入，包括j 值( 关于j 值将在后面的 章节介绍) 的输入，起止点的输入，功能模块的选择等等。 转速信号采集模块完成信号采集及其处理功能。信号采集系统的功能是完成瞬时 转速信号的采集，是整个系统的基础，同时，将其中伴随的干扰信号滤出，避免不必 要的干扰。信号采集使用的传感器将在下一节中介绍。无论采用的是何种传感器，滤 波和整形电路是必不可少的。这些处理电路的作用是将信号曲线和非标准的方波转变 成标准的方波，以便于单片机检验。 温度采集模块主要利用温度传感器测量环境温度，以保证发动机以及测功仪工作 在合适的温度环境，确保测量数据的准确性。 m c u 模块是系统的核心，用以完成瞬时转速的优化、最小二乘法及相关分析算 法等。 显示模块的功能是完成数据输入、过程检测和处理结果的信息显示。 u s b 模块主要进行海量数据存储，单片机的存储空间有限，u s b 完全能实现动 17 山东理工大学硕士学位论文第三章系统总体设计 态数据的存储问题。 通信模块的功能是完成m c u 与p c 机的数据通信。其工作方式是全双工串行通 信，将数据处理模块所保存的数据发送至p c 机。 p c 机功能模块主要完成数据接收、转速曲线、飞升曲线以及其他参数的显示和 查询分析。 3 2 转速传感器选择 常用转速传感器按其工作原理可分为：磁电传感器和光电传感器，两种传感器各 有其特点，下面进行对比分析，选择适合本系统的传感器。 传感器的结构如图3 2 所示，在永久磁铁的周围绕有线圈，线圈周围是铁材制成 的齿轮。当齿轮旋转时，由于齿轮齿峰和齿谷与永久磁铁间的气隙不断发生变化，导 致通过线圈的磁力线发生变化，在线圈中就会产生如图3 3 所示的感应电压，并以交 流形式输出。当输出轴转动时，飞轮齿轮的凸齿不断地靠近或离开车速传感器，使感 应线圈内的磁通量发生变化，从而产生交流感应电压。车速愈高，输出轴的转速也愈 高，感应电压的脉冲频率也愈高。感应电压的频率与发动机的转速成正比，把此感应 电压作为输入信号，电控单元根据感应电压脉冲频率的大小计算出发动机转速。 图3 2 电磁传感器图3 3 传感器输出电压波形 当齿轮转动时，对应每一个齿就会产生如图3 3 所示的一个周期的电压，此电压 输出波形为不标准的正弦波，可以利用软件法( 下面将介绍) 来拾取信号，也可经放 大整形电路，将正弦波变为矩形波再经过处理得到标准脉冲，利用高频计数法经计算 得到转速。图3 4 给出了高频计数法的信号整形过程。 1 8 山东理工大学硕士学位论文第三章系统总体设计 “信号峨胍 【b 五t 大睇 。“ 簟k u ) 输出i 冲 图3 4 转速传感器输出信号整形 光电转速传感器一般有直射式和反射式两种。直射式光电转速传感器的结构见图 3 5 。它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。开孔圆盘的输入轴与被测轴 相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收， 将光信号转为电信号输出。开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输 出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数。 开孔饵童 图3 5 直射式光电转速传感器的结构图 反射式光电传感器的工作原理见图3 6 ，主要由被测旋转部件、反光片( 或反 光贴纸) 、反射式光电传感器组成，在可以进行精确定位的情况下，在被测部件上对 称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。 蘑竹邵件 图3 6 反射式光电转速传感器的结构图 1 9 山东理工大学硕士学位论文第三章系统总体设计 随着光电传感器价格的下降，以及测量准确、标定简单等一系列特点，在测速领 域已经广泛应用。 本系统选用大连中原仪表厂的c g 6 0 型光电转速传感器，辅以硬件计数法( 见 第二章) 进行瞬时转速信号的提取。c g 6 0 转速传感器主要用于将转动角位移转换成 电脉冲信号，供智能微机测速仪计数用，能测量各种齿轮、齿槽、叶轮、带孔圆盘等 的转速。它具有功耗小、寿命长、抗干扰能力强等优点。 主要技术参数 1 、输出脉冲数：6 0 p 瓜。 2 、输出脉冲波形：方波。 3 、输出脉冲电平：高电平= 电源电压。 低电平 + o 5 v 。 4 、测量范围：o 1 0 0 0 0 r p m ( 连续使用) 。 5 、环境温度：1 0 5 0 。 6 、相对湿度：s 8 5 。 7 、 工作电压：5 v d c 。 由于发动机特别是汽油机工作时会产生较强烈的电磁干扰，因此将会严重影响转 速信号采样的稳定性和准确性，要求信号处理电路必须具有较强的抗干扰性，为此本 系统在信号处理电路的设计中，采用了具有较强抗干扰能力的二阶有源滤波器和施密 特触发器对输入信号进行滤波、整形以形成良好的脉冲波形。 发动机转速输出信号是低频信号，为了使滤波效果尽量达到理想状态，即：使有 效信号具有较大的增益，而在无效信号经过时，滤波器的输出迅速衰减至零( 放大倍 数衰减至零) ，电路中选用二阶低通滤波器，它是由两节r c 滤波电路和同相比例放 大电路组成的。如图3 8 所示。 低通滤波电路中元件的选取需根据电路的频率特性，由于频率特性的形状主要取 决于品质因数q 和角频率国，所以应先根据它们的要求设计元件参数，然后再考虑 通带增益问题。 f 表示阻尼系数，可表示为： 孝= 缸愿+ 藤书叫臁卜 由小篆 孝选的过大或过小都不合适。孝太大，当缈= 伽时，电路衰减大；善太小，当缈= 细 1 时，附近有很大峰值。一般选取孝2 去。 本系统的测速范围为n = 1 1 0 0 0 0 转分，则传感器输出信号频率，o - n 幸刚6 0 ， 其中1 0 6 0 为转速传感器每转的脉冲数，可以得到上限频率为1 0 0 0 0 h z 。 2 0 山东理工大学硕士学位论文第三章系统总体设计 其它参数设定如下： ( h 1 = c h 2 = 0 1 u f ：j 一 。 2 万r c l 国o = ( 胁i 胁2 0 c w 2 ) _ o = 2 嚣，q 则- 爿：= 瓦而嘉万五孑= 1 6 0 q 又因为q ：专= 互与衙= ，+ 瓮詈 则乃= 3 0 7 0 7 - 2 2 9 3 胁l = 办( 肌l + 鼢2 ) _ 2 2 9 3 + 3 2 0 = 7 5 0q 胁3 = m m ( 由一1 ) _ 5 5 0 0 转速传感器输出的信号经过滤波后由施密特触发器整形，然后送入单片机的p 2 4 端口，另外传感器接口电路还设有信号指示灯，当转速传感器动作时，信号灯将闪烁。 如图3 7 。此外，系统还设计了备用接口电路，信号还可经过p 2 3 端口送入单片机。 图3 7 传感器信号滤波、整形电路图 3 3 微控制器( m c u ) 选型 微控制器是整个系统的核心，选择一款合适的m c u 是完成系统设计的首要工作， 它将担负着数据采样、响应中断、数据处理、数据显示和数据存储等一系列任务。 2 l 山东理工大学硕士学位论文 第三章系统总体设计 现在市面可供选择的微控制器很多，如m c s 5 1 系列、p i c 和a v r 系列等单片 机，但这些单片机内部集成的资源少，在设计相同的系统时，由于其内部集成外设少， 所以外围电路相对较复杂，且驱动能力差，耗能多。经过比对，t i 公司的m s p 4 3 0 系列单片机具有体积小、功耗低、接口灵活以及系统资源丰富等特点，非常适合于电 池工作的系统或手持设备。 m s p 4 3 0 系列单片机是由美国德州仪器( t i ) 开发研制的一种具有超低功耗特点的 功能强大的1 6 位r j s c 结构单片机。它有m s p 4 3 0 x l x ，m s p 4 3 0 】【2 x ， m s p 4 3 0 x 3 x ，m s p 4 3 0 x 4 x 等几大系列；其中m s p 4 3 0 f x 系列具有f l a s h 存储器，使 系统设计、开发调试和实际应用都变得比较方便。m s p 4 3 0 f 1 2 x 系列是m s p 4 3 0 f l a s h 型单片机中的一种，其具有以下特点： ( 1 ) 超低功耗。运行在1m h z 时钟条件下时，工作电流视工作模式不同为 o 1 - 4 0 0 u a ，工作电压为1 8 3 6 v 。 ( 2 ) 强大的处理能力。m s p 4 3 0 f 1 2 x 具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数，4 种 目的操作数1 ，但只需要简洁的2 7 条指令；片内寄存器数量多，存储器可实现多种运 算：具有高效的查表处理方法。这些特点保证了可以编制出高效的程序。m s p 4 3 0 f 1 2 x 具有较多的中断源，并且可以任意嵌套，使用时方便灵活。当系统处于省电模式时， 只需要6 u s 就能用中断请求将它唤醒。 ( 3 ) 丰富的片上外围模块。m s p 4 3 0 f 1 2 x 中的各成员集成了较多的片上外围资 源，如：1 0 1 2 位a d c 、带有捕获比较寄存器的1 6 位定时器、看门狗、可实现异步 同步及多址访问的串行通信接口、3 个并行输入输出端口和u s a r t 模块等。由于芯 片内部的串口模块u s m 汀中集成了波特率调整器，因此系统主时钟可采用任意频率 的晶振，都可保证波特率韵准确性。所有这些都是其它同类m c u 所无法比拟的。 ( 4 ) 方便高效的开发方式。具有f l a s h 存储器的m s p 4 3 0 f 1 x 使它的开发工具 相当简便。利用单片机本身具有的j t a g 接口或片内b o o t r o m ，可以在一台p c 机 和一个结构小巧的j 1 a g 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试。 ( 5 ) 适应工业级运行环境环境温度范围为4 0 一+ 8 5 0 c ，所设计的产品适合运行于 工业环境下。 该系列结构框图如图3 8 所示。 山东理工大学硕士学位论文第三章系统总体设计 图3 8m s p 4 3 0 f 1 2 x 系列结构框图 综上所述，m s p 4 3 0 强大的数据处理能力、丰富的集成外设以及优越的技术性能 为本系统的开发提供了有效的物质和技术上的支持。考虑到尽可能提高系统性能，简 化系统设计，本系统采用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 2 3 2 作为智能采集系统的微控制器。图 3 9 给出了m s