汽车发电机转速测量の纹波方法
2010-04-27 16:08:55 阅读12 评论0 字号：大中小
1 引 言
汽车用硅整流发电机是内部带三相桥式整流器的三相交流同步发电机，输出直流电压。在发电机生产过程中，需要对发电机的转速、输出电压等运行参数进行检验测量。通常采用的转速测量方法有机械式和光电式等。这些测量方法需要专门的测试台及安装工序，这对大批量生产的检验，费力费时，也不便实现生产检验自动化。根据硅整流发电机内部结构的特点，其输出端电压包含着转速的信息，即与转速成正比的三相整流电压中的纹波信号。应用文中提出的设计方案，直接利用发电机端电压，在测得电压的同时，也测得其转速。这种测量方法操作简单方便，测量精度较高，适合大批量生产的检验测量。
2基本测量原理
图1为硅整流发电机的电气原理图。图中虚线部分是整体式整流发电机的内装电子调节器部分。由于该发电机由三相同步发电机和三相桥式整流器组成，其输出端B+直流电压中带有纹波，图2所示为实测的发电机输出电压波形，其中图2b是带内装电子调节器的发电机的输出电压波形。纹波信号频率与发电机转速的关系为：
式中 n—发电机转速，r／min
fw—输出电压纹波频率，Hz
P—发电机转子极数
显而易见，拾取发电机输出直流电压中包含的纹波信号的频率，就可以测出发电机的转速。
通常汽车发电机的转速在400～18000r／min之问。若P=6，则 fw的变化范围为240～10800Hz。设计一个高通滤波器，将发电机输出电压中的直流分量和低频分量滤去，取出纹波信号，并经过整形，得到相应的脉冲信号。将该脉冲信号送入由单片面组成的测量系统，测得其频率，按式(1)可计算出发电机转速。
另外，将发电机输出电压经低通滤波，分压取样和A／D转换后，也送入测量系统，可同时测量发电机的输出电压。
3测量电路设计与实现
根据以上所述的原理，可设计出发电机转速与电压的测量装置，其电路主要包括三个部分：转速测量回路、电压测量回路以及单片机系统。
3．1转速测量回路
该回路由高通滤波器和整形电路组成，完成发电机输出电压中纹波信号的拾取和脉冲整形。其电原理图如图3所示。为了提高测量回路的品质，能有效地滤去直流分量和内装电子调节器作用产生的低频分量，这里采用二阶有源高通滤波器，由R1、c1、R2、C2及运算放大器A1组成，其低频端的截止频率为：
设计时取发电机测量转速下限对应的纹波频率等于滤波器的截止频率，并按式(2)选用R1、C1、R2、C2等元件。滤波器输出的纹波信号通过由R3、R4、R5、A2、D2等元件组成的电压比较器进行整形，形成幅值为5V的脉冲信号，送入单片机系统的计数器。
3．2电压测量回路
该回路由三个环节组成：
分压取样：由D1、R6、R7完成，使输入电压人小满足A／D转换器的量程范围。
低通滤波器：该滤波器的作用与上述的高通滤波器的作用相反，用于滤去发电机输出电压中的纹波，以获得平稳的直流平均电压。
A／D转换：采用V／F变换电路实现A／D转换，由高性能的LM331及相应外围元件组成。输入电压Vin和输出频率f0变换之间的关系为：
该电路的特点是线性度好，性能稳定，结构简单，与单片机接口只需一根线，配以单片机系统中的计数器完成A／D转换。
3．3单片机系统
测量参数的数值计算处理、显示等功能由单片机系统完成。该系统选用性能价格比高的80C52，配置相应的D2PROM、显示电路及电源等外围电路。
主要处理环节有：
转速计算处理：将单片机中的T1设置成计数器工作方式，对转速测量回路送来的纹波脉冲信号进行计数。将T2设置成定时器工作方式，以产生采样时间周期。当没定采样周期为1s，且T1在一个采样周期内的计数值为CT1，则按式
计算出发电机转速。
电压计算处理：将单片机中的T0设置成计数器工作方式，对LM331送来的电压脉冲信号进行计数。单位时间内T0的计数值即对应发电机输出电压的数值。为了提高测量精度，软件设计上采用数值整定定标的方法，即在电压测量范围内用标准电压信号均匀地整定若干个点，并将这些整定值保存在E2PROM内。测量时按区间插值，求得所测量的电压。
测量参数显示：该环节将所测量的转速和电压值通过两个4位LED数码显示器同时进行显示。
单片机软件由主程序和定时器T2中断子程序组成，程序流程图见图4。
4 结 语
在测量硅整流发电机输出直流电压的同时，利用电压中的纹波信号，通过滤波、整形电路可方便地测得发电机转速。用这种测量方法设计制作的装置作为该类型发电机生产检验的一种专用设备，使用方便，操作简单，测量精度较高，非常适合于汽车发电机生产厂家的大批量生产过程的产品检验，以提高生产效率。该装置已在有关生产企业得到应用。
福州大学， 汤宁平 福建福州 350002
