柴油机转速信号动态模拟电路分析与设计

李京，王腾

（1.海军驻兴平地区军事代表室 陕西 兴平713105；2.海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉430033）

柴油机转速信号动态模拟电路分析与设计

李京1，王腾2

（1.海军驻兴平地区军事代表室 陕西 兴平713105；2.海军工程大学 电气工程学院，湖北 武汉430033）

在柴油机调速器、机旁控制装置的实验室调试过程中，必须模拟柴油机的转速信号。为了实现对柴油机转速信号动态模拟，本文提出了一种基于暂态电路的电路设计方案。该电路解决了传统柴油机转速信号模拟系统中起动和停机的过渡过程难以实现的问题，满足了柴油机起停过程中转速信号渐变的要求，实现了转速信号的占空比控制和转速调节范围的控制。实际应用表明，该电路能够真实地模拟出柴油机转速信号的动态变化，具有实用价值。

柴油机转速信号；电压频率变换；暂态过程；占空比控制；转速调节

柴油机调速器、机旁监控装置对柴油机的正常运行起着至关重要的作用，在柴油机调速器、监控装置的研制生产过程中，需要对产品进行检测和调试。如果每次调试都采用实装配机方式进行，代价非常昂贵。因此，设计一套能够真实模拟柴油机转速信号动态变化的测试系统具有一定的实际意义和应用价值，其中关键是对柴油机转速信号的模拟[1-2]。

传统的柴油机转速信号模拟主要采用脉冲周期信号发生器，当柴油机起动后，通过开关将脉冲周期信号接至柴油机监控装置；柴油机停机后，开关断开，转速信号变为零。但这种方式无法模拟采油机转速信号的暂态变化过程，在对柴油机监控装置进行调试时，模拟停机后，转速信号突然变为零，柴油机监控装置会发出转速传感器故障报警。因此，真实模拟出柴油机转速信号的暂态变化十分必要。为了达到这个目的，文中提出并设计了一种基于RC充放电路的柴油机转速信号动态模拟电路。

要想完成对以上电路的设计，需要做好以下几个方面工作。首先设计能模拟出柴油机转速信号的暂态变化的电路，实现起动和停机过程中的信号渐变过程；其次，实现转速信号的占空比控制，模拟出接近真实的转速信号；最后电路还要能够实现输出脉冲周期信号的频率可调节，使得转速在一定变化范围内连续可调。

1 模拟柴油机转速信号的特点

柴油机的转速传感器输出信号主要具有3个特点[3]：

1）传感器输出脉冲周期信号的频率与转速之间呈线性对应关系，信号频率f=（n×z）/60 Hz，其中，n为转速大小，z为柴油机转速测量齿轮齿数，此系统中为31；当转速n=1 500 rpm时，传感器输出脉冲周期信号的频率为775 Hz。

2）转速变化的范围宽，从0～1 800 rpm范围内连续变化，模拟的转速信号应能从0～1 750 rpm范围内连续可调；

3）当柴油机起动、停机时，由于转轴的机械惯性，转速信号具有暂态变化过程，如图1、2所示。如果停机后转速突然变为零，监控装置会发出转速传感器故障报警。

2 转速信号产生芯片选取

柴油机转速传感器输出信号为脉冲周期信号，可选用电压-频率转换芯片来完成对转速信号的模拟[4-5]。LM331是美国NS公司生产的一种具有高性价比和简单外围电路的低功耗精密电压/频率转换器集成电路。LM331具有12位的数字分辨率和100 dB的动态范围宽，它工作时的频率可以低至0，并且在工作频率为1Hz的时候仍然具有良好的线性度。LM331的另一个特点就是它的输出脉冲的逻辑电平可以通过搭配不同外接电阻和控制逻辑电流来进行调节，以适配TTL、DTL和CMOS等不同逻辑电路[6-7]。

图1 柴油机起动时转速变化曲线

图2 柴油机停机时转速变化曲线

图3 LM331内部组成及引脚图

3 暂态电路设计

柴油机的起动和停机有一个渐变的过程[8]。当柴油机起动时，其转速会在1 s左右由0 rpm逐渐增加至1 500 rpm；当柴油机停机时，其转速则会在15 s内从1 500 rpm逐渐降至0 rpm。而要使用电路模拟这一暂态过程，则要设计暂态电路来完成。暂态电路的核心是电容充放电电路产生随时间变化的电压[9-10]，将该电压作为脉冲周期信号的控制电压输入到LM331的第7脚，控制其第3脚输出脉冲周期信号的频率变化。模拟转速传感器输出转速信号的渐变过程。如图4所示，当按下控制装置上的柴油机起动按钮时，通过继电器控制SW1开关闭合，这时电容C2开始充电，芯片7脚电压逐渐升高，第3脚输出脉冲信号频率逐渐增大，模拟柴油机起动暂态过程，当C2充电完毕，7脚电压达到稳定，3脚开始输出稳定频率的脉冲周期信号，频率为775 Hz（对应转速1 500 rpm）。按下控制装置上的柴油机停机按钮后，通过继电器控制SW1开关断开，这时电容C2开始放电，芯片7脚电压逐渐降低，第3脚输出脉冲信号频率逐渐减小，模拟柴油机停机暂态过程[11]，当C2放电完毕，7脚电压变为0，3脚输出脉冲信号的频率也变为0，（对应转速0 rpm）。

电路中，R6为可调电位器，可以通过调节R6的值，改变芯片输入端直流电压，达到调节转速的目的[12]。

图4 暂态电路

4 电路参数选取

1）暂态过程参数选取

设柴油机起动后。其转速由0到1 500 rpm的上升时间为1 s；柴油机停机后，其转速由1 500 rpm下降到0的时间为15 s。

电容C2放电等效电路如图5（b）所示。放电时间长数为τ=R6C2，设转速下降时间为5τ=15 s，取C2为100 μF，计算可得R6=30 kΩ。实际电路中R6采用50 kΩ电位器，便于对输出信号频率进行调节。

电容C2充电等效电路如图5（a）所示。充电时间长数为τ=R0C2，其中R0=R7∥R6，取转速上升时间为5τ=1 s，计算可得R7=2.5 kΩ。可取R7=2.4 kΩ。

图5 电容充放电等效电路

2）电路其他参数选取

电路中的其他参数，如Rt、Ct、Rs、R1、C1的参数取值，应充分考虑电路输出脉冲周期信号的频率及占空比[13]。

当转速n=1 500 rpm时，输出脉冲周期信号的频率应为775 Hz，信号波形的占空比应为0.5，如图6所示，t1、t2分别为一个周期内的低、高电平宽度，t1=t2=0.5 T，T=1/775 Hz。

图6 占空比示意图

取Ct=47 nF，由t1=1.1RtCt可得：Rt=12.4 kΩ，取Rt=12 kΩ；

取C1=10 nF，由t2=5R1C1可得：R1=12.9 kΩ，取R1=13 kΩ；

表1 暂态电路参数计算结果

5 实验验证

为了测量电路输出脉冲周期信号的频率随时间变化曲线，在电路输出端接一个频率/电压转换电路，将输出频率信号转换为直流电压以便测量，转速0～1 500 rpm对应电压0～5 V。测量设备连接关系如图7所示[15]。

图7 模拟转速测量设备连接图

分别模拟柴油机起动和停机过程，采用示波器记录模拟柴油机转速信号的输出。输出转速信号电压波形如图8所示。

图8 模拟转速信号测量波形图

从实验波形上看，柴油机起动时，转速由0上升到1500rpm的时间为0.75 s。柴油机停机时，转速由1 500 rpm下降到0的时间为17.5 s。

该结果与设计要求基本一致，较好地模拟了柴油机起动和停机过程中，转速随时间变化的暂态过程。该电路应用于对柴油机监控设备的检验和调试，取得了很好的使用效果。

6 结 论

基于暂态电路的控制原理，文中提出了一种动态模拟柴油机转速信号的电路设计方案。从示波器显示的柴油机转速信号来看，该电路很好的模拟出了柴油机起动和停机过程中转速随时间变化的暂态过程，并实现了转速信号的占空比控制和转速调节范围的控制。实际应用表明，该电路能够真实地模拟出柴油机转速信号的动态变化，具有一定的实用价值。

[1]赵俊杰，徐华中.高精度发动机转速信号的测量与模拟技术研究[J].计算机与数字工程，2010（9）:162-165.

[2]赵华伟.单片机与嵌入式系统应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（4）:64-66.

[3]叶林，李昌禧，等.电压一频率转换电路的动态特性分析及求解[J].仪表技术与传感器，2002（6）：41-43.

[4]吕国建.一种用LM331实现的频率/标准电压转换电路[J].四川大学学报：自然科学版，2004，41（z1）：261-263.

[5]张维昭，马胜前，冉兴萍.基于LM331的宽频频率/电压转换电路[J].电子技术应用，2013，39（10）：46-48.

[6]李永敏.检测仪器电子电路[M].西安：西北工业大学出版社，1994.

[7]Koutroulis E，Kalaitzakis K.Development of an integrated data-acquisition system for renewable energy sources systems monitoring[J].Renewable Energy，2003，28（1）:139-152.

[8]车龙.基于转速信号分析的柴油机故障诊断研究 [D].大连：大连海事大学，2008.

[9]兰欣.电控柴油机控制模拟平台的研究[D].济南：山东大学，2008.

[10]李文静.船用柴油机信息化系统硬件在环系统的研发[D].上海：上海工程技术大学，2015.

[11]郑明勇.船舶柴油机机旁监控装置的研制[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[12]段旭东.高速铁路路基地段综合接地系统暂态电路模型研究[D].成都：西南交通大学，2014.

[13]刘亦萍，王玮，薛超，等.基于Matlab的高阶暂态电路实例分析[J].上海第二工业大学学报，2014，31（1）:55-60.

[14]刘晓文，薛雪，乔欣，等.方波激励下的RLC串联电路暂态响应仿真研究[J].实验技术与管理，2015，32（1）.

[15]蒋成龙.柴油发电机组建模及转速控制研究[D].北京：北京理工大学，2015.

Analysis and design of diesel engine speed signal dynamic analog circuit

LI Jing1，WANG Teng2
（1.Navy Military Representative Office in Xingping Area，Xingping 713105，China；2.School of Electrical Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In the laboratory debugging process of diesel next governor and control apparatus，it's necessary to simulate the engine speed signal.To meet the need for dynamic simulation of engine speed signal，a circuit design scheme is proposed based on transient circuit.in this paper.The circuit solved the surges and sags problem in startup and shutdown sections of traditional diesel engine speed signal simulation system，which is more in line with the gradient characteristics of real engine speed signal.Besides，it can also control the duty cycle and speed adjustment range of the speed control signal.The application shows that this circuit can simulate the dynamic changes of the engine speed signal realistically，which has a practical value.

diesel engine speed signal；voltage frequency conversion；dynamic analog；duty cycle control；speed adjustment range control

TP302

A

1674－6236（2016）24-0187-03

2016-02-22 稿件编号：201602094

李 京（1970—），男，陕西西安人，工程师。研究方向：舰船柴油机的质量监督和检验验收。