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发动机曲轴转速信号处理
编号

毕 业 设 计（论文）

题目 发动机曲轴电磁感应转速传感器

信号处理

二级学院 车辆工程学院
专 业 能源与动力工程
班 级 112040602
学生姓名 朱伟伟 学号11204060239
指导教师 杨新桦 职称
时 间 2016.5.19

目 录

摘要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 课题研究成果的应用现状 1
1.3 发动机转速信号处理研究状况 2
1.3.1 电磁传感器工作原理 2
1.3.2 内燃机转速测量方法 2
1.3.3 转速测量方法的选择 2
1.3.4 信号处理流程确定 3
1.4 发动机转速信号误差研究状况 3
1.5 发动机转速信号测量的发展趋势 3
1.6 MATLAB/Simulink仿真介绍 3
1.7 课题的研究的目的及主要内容 4
1.8 本章小结 4
2 基于MATLAB/SIMULINK的信号发生系统模型 5
2.1 电磁感应传感器信号特征 5
2.2 曲轴转速信号发生模块的搭建 5
2.2.1 转速信号的载波信号 5
2.2.2 转速信号干扰的构成部分 6
2.2.3 实际曲轴转速信号的合成 7
2.3 本章小结 8
3 基于MATLAB/SIMULINK的信号处理系统模型 9
3.1 曲轴转速传感器信号采集模块 9
3.2 滤波器模块 9
3.2.1 信号源的频率范围计算 9
3.2.2 滤波器类型的选择 9
3.2.3 滤波器参数设置 10
3.2.4 滤波效果及改进 10
3.3 信号整形系统 11
3.4 高频计数器系统 11
3.4.1 高频计数器模块的构成 11
3.4.2 高频计数器计数频率选择 11
3.4.3 计数模块的搭建 12
3.5 转速方波信号下降沿判断系统 12
3.5.1 下降沿判断系统功能 12
3.5.2 下降沿判断系统的搭建思路 12
3.5.3 下降沿判断系统的搭建 12
3.6 转速计算及异常值剔除系统 12
3.6.1 转速计算原理 12
3.6.2 异常计数值预剔除方法 13
3.7 缺齿判断模块 13
3.7.1 缺齿信号判断方法 13
3.7.2 缺齿判断模块的搭建思路 14
3.8 本章小结 14
4 曲轴转速信号处理模型的运行仿真和误差分析 15
4.1 曲轴转速信号处理系统硬件限制造成的转速测量误差 15
4.2 曲轴转速信号处理系统滤波造成的转速测量误差 15
4.3 曲轴转速信号处理系统喷油时刻判断误差 17
4.4 本章小结 18
5 做过的尝试与模型的不足部分 19
6 全文总结 21
7 致谢 22
附图 23
参考文献 28

31 / 36
摘要
发动机曲轴瞬时转速信号中蕴含着丰富的信息.通过对曲轴瞬时转速的分析，可以简单方便地诊断发动机状态和检测其工作异常.本文介绍了发动机曲轴电磁感应转速传感器输出信号的特征，根据信号特征近似模拟出曲轴转速信号。对电磁感应转速传感器输出的原始信号进行了采样、滤波、放大整形处理，采用高频计数法作为发动机曲轴瞬时转速的测量方法，计算出曲轴瞬时转速，同时判断出飞轮缺齿位置并产生一个缺齿脉冲信号.整个信号源发生系统模型的搭建和曲轴转速信号处理过程利用MATLAB/Simulink仿真平台进行仿真.通过对比分析低中高转速段仿真结果，曲轴转速信号处理效果理想，转速测量结果精度较高，飞轮缺齿脉冲信号满足燃油喷射的精度要求。
关键词：曲轴转速信号;信号模拟;信号处理；MATLAB/Simulink;缺齿信号

Abstract
Instantaneous rotational speed signal of engine crankshaft contains a wealth of information。 Through the analysis of transient speed fluctuation of crankshaft , it is convenient for us to discern engine working conditions and detect its abnormal signals。 This paper introduce the characteristics of the output signal of the electromagnetic induction speed sensor of the engine crankshaft, and according to the characteristics of the signal, simulate the crankshaft speed signal approximately. Through the sampling， filtering， amplifying， and reforming of the original speed signal, and take the measurement method of instantaneous speed of engine crankshaft by using high frequency counting method， then calculate the transient speed fluctuation of crankshaft ， at the mean time， determine the position of the flywheel and generate a pulse signal。 Through the use of MATLAB/Simulink simulation platform， the whole signal generator model have been built up and the crankshaft speed signal processing have been accelerated。 By comparing the simulation results, the conclusion is crankshaft rotating speed signal processing have a good effect， while the speed measurement results have a relatively high accuracy, and the flywheel missing teeth pulse signal can meet the accuracy requirements of fuel injection.
Key words: crankshaft speed; signal simulation; MATLAB/Simulink;absent teeth signal; signal processing

第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
近年来汽车行业发展迅速,汽车行业的新兴技术不断涌现，其中随着计算机电子技术的成熟，电控技术广泛地被应用到汽车中，取代了传统机械控制，不但减小了汽车结构的复杂性，而且也提高了汽车控制的精确性，使得汽更加智能化。汽车发动机中， 燃料供给、起动、点火、冷却系统等都离不开电子控制.而传感器的最主要的作用就是收集各类发动机信号，并且将信号提供给ECU,经过ECU处理后给出对应的反馈。各种各样的传感器被安装在发动机上，他们相互协调使发动机各部分互相配合进行工作。一般电磁感应转速传感器所采集的原始曲轴转速信号中都包含许多干扰信号,需要对原始的转速信号进行处理才可以得到发动机机中有用的信息.因此对传感器采集到的工作信号进行信号处理至过程关重要,这个过程决定着发动机能否正常工作.
转速传感器是发动机里面的一个重要传感器,它在发动机工作时，为发动机的ECU提供曲轴转速和各气缸位置的变化信息。因此曲轴转速信号是发动机工作状况的一个重要体现。由于各缸依照发火次序不断做功则会导致曲轴瞬时转速呈规律性的波动［[] 刘世元，杜润生，杨叔子. 内燃机转速波动信号的测量方法及其应用研究[J]. 振动、测试与诊断.2003，20(1):13-17.
]，通过发动机瞬时转速可以判断出发动机工作时各缸工作不均匀,发动机失火等异常，同时转速信号是发动机控制喷油量、喷油时刻、点火时刻等重要参数的基本依据[[] 王平福，毕李格，哈里德，边耀璋.电喷发动机转速传感器信号波形试验[N]. 长安大学学报（自然科学版）.2005，25(6):73-76.
］。
1.2 课题研究成果的应用现状
目前，研究者对曲轴瞬时转速信号进行了大量的研究分析，并将研究成果应用到了发动机故障的检测中。
M. Montani，N。 Speciale两人人对曲轴速度波形进行小波分析，在时域上提取出及失火有关的频率成分并进行分析，将曲轴转速信号应用到了发动机多缸失火的检测和隔离上面［[] M.Montani,N.Speciale .Multiple Misfire Identification by a Wavelet-Based Analysis of Crankshaft Speed Fluctuation[J].IEEE International Symposium on Signal Processing & Information Technology.2006. 270786.
］。
王平福等人通过进行电磁感应转速传感器的故障模拟实验，利用曲轴瞬时转速波形，来检查电磁转速传感器故障 [2］。
国外的Florin Mocanu 和 Dinu Taraza两人介绍了利用曲轴瞬时速度来判断单缸柴油机和四缸柴油机的主要燃烧参数的几种技术以及这几种技术的发展情况。通过这些参数（主要是峰值压力及峰值压力位置或者点火时间和点火延迟）来改变柴油机的喷油策略，提高柴油机在使用替代燃料时的安全性和运行效率［[] Mocanu, F. and Taraza, D., "Estimation of Main Combustion Parameters from the Measured Instantaneous Crankshaft Speed[J]," SAE Technical Paper 2013-01-0326.
］。同样的Ponti，F。，Ravaglioli， V.，Serra， G.， Stola, F。提出了利用发动机曲轴转速来测量缸内压力的方法[[] Ponti, F., Ravaglioli, V., Serra, G., and Stola, F., Instantaneous Engine Speed Measurement and Processing for MFB50 Evaluation[J]. SAE Int. J. Engines 2(2):235-244, 2010.
］。将曲轴转速信号应用到测量缸内压力中，无需额外成本，是曲轴转速信号应用的一个典范。
而这些研究都需要用到一个较为可靠的内燃机转速测量结果，所以内燃机转速的测量也就是曲轴转速信号处理的这个过程，在瞬时转速信号的研究可靠性上起到了决定性的作用。
1.3 发动机转速信号处理研究状况
1.3.1 电磁传感器工作原理
电磁感应传感器被装在正对飞轮齿的地方并固定在飞轮壳上,当飞轮转动时，传感器头部及齿圈之间的间隙发生变化,随着间隙的改变,电磁感应转速传感器内部线圈的磁通量也随之改变，从而产生一个类似正弦的信号。转过一个齿便产生一个周期的正弦波[[] 田裕鹏，姚恩涛，李开宇.传感器原理（第三版）.北京：科学出版社，2007，171.
]。
1.3.2 内燃机转速测量方法
一. 高频计数法
对原始的类正弦转速信号进行滤波去除噪声，并将滤完波的转速信号通过整形放大转换成方波信号，每个周期的正弦信号对应一个周期的方波信号.然后对方波信号的每个周期进行高频计数，假设高频计数器的频率为F，计数周期为T，一个周期的方波信号之间的计数值为K，飞轮齿数为Z—2个。则转速n的表达式可写出
n=60/(T×K×Z) r/min
飞轮绕一圈，能够得到的速度值为Z个，说明发动机瞬时速度的采样值仅跟飞轮齿数有关，及其他数据无关。
此方法要求具备高频计数器,对于原始转速信号的滤波整形放大要求较高，但由于计数频率较高，所以转速计算值精确度也高。
二. 高频采样法
高频采样法直接利用A/D采样板的采样功能对原始信号或者对滤波后的原始信号进行高频采样,利用插值法计算出每个正弦信号的过零点，利用过零点对每个周期的正弦信号进行采样点计数，若每个周期的正弦信号采样点数为k，采样频率为Fs，技术周期为T，飞轮齿数为Z-2，则转速n同样也为：
n=60/(T×k×Z) r/min
此方法对信号处理电路的硬件设备要求较低,但由于采样频率较低,因此转速的计算精确度要比高频计数法要低。
1.3.3 转速测量方法的选择
清华大学的郝鹏［[] P Hao，S Zheng，C Lu，X Lian. The adaptive filtering of engine transient rotating speed signals[J]. IEEE International Conference on Signal Processing, 2010:279-282.
]等人曾提到两种方法适用的转速信号,当信号为匀速工况的的信号时,高频计数法可发挥出转速测量的高精度优势.若信号为变速曲轴转速信号，则信号的频率变化范围较大，则宜采用数字信号分析方法即高频采样法.
高频采样法跟高频计数法的原理相同，但两者对预处理完的信号的要求不一样,两者的精确度也不同，由于整个转速信号处理过程需要采用Simulink来仿真，且Simulink又可以很容易的搭建出高频计数器模块、较高精度的整形转方波模块,对滤波器也可以根据要求很容易的来设置更改。因此本文采用精度较高的高频计数法来测量转速.
1.3.4 信号处理流程确定
信号发生模块的仿真建模→滤波除噪→整形即正弦波信号转变为方波信号→计数、判断异常齿信号.
1.4 发动机转速信号误差研究状况
白雷石、刘玫为了研究转速测量误差，分别通过对ω(°CA)和n(r/min)两方面进行分析。从ω(°CA)这方面分析,得出了角度误差是转速测量的主要误差的结论,角度误差主要由齿圈磨损齿圈加工误差构成,并提出了双传感器测量转速法，对于提高测速精度有较大的参考意义。他们从另一方面n(r/min)分析，得出转速、飞轮齿数、计数周期是测量误差的主要因素。并且提出了相应措施.极具参考价值。[[] 白雷石，刘玫. 内燃机瞬时转速测量误差的研究[J]. 计量与测试技术，2002，(4):22-23
］
1.5 发动机转速信号处理研究状况
小波分析作为信号处理的新技术，具有对信号自适应的特点,优良的局部化性质让小波分析广泛应用于信号处理领域。数字滤波器滤波无法滤除转速信号中的某些干扰信号，因此向阳，周轶尘,史习智利用信号处理的新技术小波变换来对转速信号进行滤波处理,他们采用了合适的小波基函数，对不同转速相同负荷和不同负荷相同转速工况下的转速信号进行了分解，消除了干扰信号，得出了不同转速和不同负荷下的特征信息。［[] 向阳，周轶尘，史习智. 发动机瞬时转速信号的小波分析[J]. 内燃机工程.1999，(3):37-46.
]
但在传统的方法的研究上，汽车领域的学者也做了相关的研究。例如程勇,吴波，张立梅，黄宜谅等人在分析常用滤波的实验结果后，指出了当时常用数字处理方法对影响瞬时转速信号的主要中低频干扰信号的滤除效果很差。讨论分析了在转速信号中FIR低通滤波器的滤波效果，并提出了利用巴特沃斯滤波器来对转速信号进行处理，在MATLAB平台上进行仿真分析，肯定了巴特沃斯滤波器在瞬时转速信号处理的效果。[[] 程勇，吴波，张立梅，黄宜谅. 车用内燃机快速检测与诊断系统中瞬时转速滤波方法的探讨[N].内燃机学报.2001，19(4):342-344.
]
1.6 发动机转速信号测量的发展趋势
徐健，张耕实，李本银等人在2014年以某游艇发动机作为实验对象，介绍了利用外附振动传感器测量发动机转速的方法，将传感器产生的发动机振动信号进行滤波分析，从而计算出发动机的转速，并且将精度控制在3％内.利用振动信号来测量转速的方法操作方便，且能适应大部分的转速测量。[[] 徐健，张耕实，李本银. 基于单点虚拟振动功率的发动机转速测量方法[N]. 仪器仪表学报. 2014，25[3]:697-701
]如果能继续提高测量精度，这种方法也会成为一个趋势。
在2013年D。-N.Pagonis， G。Theotokatos 和 G。Livanos提出一种新颖的测量转速方法，利用一个光学传感器和一个合适的数据采集及处理系统成功地测量出一个一缸四冲程的发动机的转速,且具有较高的测量精度.[[] Pagonis, D. G.Theotokatos , and G.Livanos . Accurate Instantaneous Engine Speed Recording by Employing an Optical Measurement System - Application to a Typical Low Power Industrial Engine[J].SAE Technical Paper 2013-01-0304, 2013.
］利用光电测速也是当前一个发展趋势，未来也会广泛利用曲轴转速的测量上。
1.7 发动机转速信号确定发动机工作相位的研究
中国北方发动机研究所的白思春等人从信号产生，硬件处理，软件处理三个步骤来说明从瞬时转速信号中确定出发动机工作相位的具体过程。提出了滤波过程中应注意的要点,并且通过角度细分处理,提高了工作相位信息的精确度。[[] 白思春，禇全红，孟长江，李晨.发动机转速信号测量与精确相位确定[J].小型内燃机与摩托车.2012，41(5):80-83.
］此文对确定第一缸上止点的研究具有指导意义。
Junmin Wang和Jayant V。 Sarlashkar提出了一种不管在瞬态还是在稳态工况下都能跟踪识别曲轴位置的算法，且跟踪模块可以调节分辨率以适应不同的应用要求.此算法可以非常容易地对跟踪模块进行重新配置，这对原型发动机控制系统具有很高的应用价值。［[] Wang, J. and Sarlashkar, J., Engine Crankshaft Position Tracking Algorithms Applicable for Given Arbitrary Cam- and Crank-Shaft Position Signal Patterns[J]. SAE Technical Paper. 2007-01-1597, 2007.
］
1.8 MATLAB/Simulink仿真介绍
Simulink是MATLAB的一个重要组件，提供有图形编辑器、可自定义的定制模块库以及和求解器，能够进行动态系统建模和仿真.它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境.在该环境中,无需大量书写程序,而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统［[] 刘勤让，罗小武. 基于MATLAB 的信号处理仿真. 信息工程大学学报，2000，3(1):38-40.
］.
Simulink支持系统级设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。
Simulink中有很多工具包可用于信号处理分析模型的仿真，比如DSP System Tollbox工具包中的滤波器模块，可直接通过改变滤波器模块的参数值来改变滤波器的类型及滤波效果,非常方便实用.
1.9 课题的研究的目的及主要内容
前面讲到内燃机转速包含了众多有用信息，所以本课题研究的主题是将转速传感器输出的信号进行处理然后得到瞬时转速信号。
其中具体要做的工作有：搭建信号源模块,滤波器，搭建正弦波转方波模块，搭建高频时钟计数器模块,转速计算模块，异常齿信号判断模块。以上过程均在MATLAB/Simulink仿真平台上进行.
1.10 本章小结
本章介绍了曲轴转速信号处理的研究背景及意义，阐明了对曲轴转速信号处理的原因及必要性。从课题研究成果的应用现状分析侧面展示出发动机曲轴转速信号处理研究的重要性和基础性。简单介绍了转速传感器测量转速的工作原理及方法，以及本次研究的研究平台MATLAB/Simulink仿真。根据研究的实际情况,确定了曲轴转速信号的处理分析的目的、思路和主要工作内容。

第2章 基于MATLAB/Simulink的信号发生系统模型
2.1 电磁感应传感器信号特征
前面提到电磁感应传感器随着磁头及飞轮齿间隙的变化产生一个类似正弦的信号,一个周期的正弦信号对应一个齿轮。由于要通过飞轮齿来判断第一缸上止点，一般飞轮齿都会设置异常齿，通常用两个相邻的缺齿来作为异常齿如图 Error! Bookmark not defined. 飞轮缺齿所示.当电磁感应传感器转过缺齿位置时会产生一个类似正弦脉冲的信号,幅值比正常齿的正弦信号幅值要大，因此电磁感应传感器输出的曲轴转速信号为图 1 飞轮缺齿信号所示。缺齿信号的周期为正常齿周期的三倍，由于缺齿信号的形状对于信号处理分析过程不会产生影响,故此次缺齿信号利用正常齿3倍周期且幅值不同的正弦信号替代。

图 Error! Bookmark not defined. 飞轮缺齿

图 1 飞轮缺齿信号

2.2 曲轴转速信号发生模块的搭建
2.2.1 转速信号的载波信号
观察无干扰信号的转速信号特点，可看出如果除去缺齿信号，则是一个标准的正弦信号此信号表达式如下式
y=A0∙sin(2π∙n60∙Z∙t-π)
式中n为曲轴转速r/min;Z为曲轴正常均布齿数
A0为传感器输出的峰值电压
传感器输出的峰值电压大致及n/d成正比，故A0=K1×nd。其中n为转速r/min，d为传感器及飞轮齿顶的间隙，K1为及传感器有关的参数[[] 黄华，万茂松，俞锦璟，居晨阳.电磁感应式转速传感器特性及应用分析[J]. 汽车维护与修理. 2010.
］。
同理缺齿信号的表达式为
y=A00∙sin(2π∙n60∙Z/3∙t-π)
若要考虑由于各缸往复惯性力和气压力的影响造成的转速波动,则可写出由瞬时转速波动而产生的频率调制函数为
fins=A01cosω1∙t+A02cos⁡(2ω1∙t)
式中A01A02为频率调制系数。
基频频率为
ω1=ω02Z∙m=n60∙π∙m
式中m为气缸数。
2.2.2 转速信号干扰的构成部分
信号源的干扰主要由以下方面产生:
一. 发动机机体的振动导致发动机飞轮齿圈及电磁感应转速传感器产生相对位移；
二. 飞轮齿圈齿形误差;
三. 飞轮齿圈偏心旋转;
四. 电磁干扰。
一般来讲由于发动机的振动从而给信号源带来的干扰较大，二、三两点中齿轮的制造误差导致飞轮齿圈于电磁感应转速传感器产生的相对位移一般以微米计算，所造成的干扰可以忽略不计。第四点中的电磁干扰随机性较大，可用白噪声来简单替代模拟。
参考王海等人的研究成果［[] 王海，孙云岭.传感器振动对柴油机瞬时转速测量影响的仿真研究[J]. 机电工程技术.2014，43(03):11-14.
]。信号的振动干扰主要体现在电磁感应传感器和飞轮之间的振动相对位移上,由振动造成的位移又可以分为空间的三个方向上，以飞轮齿和传感器头部连线作为飞轮法线方向,则振动会造成飞轮法线上的相对位移和切线上的相对位移，以及垂直于切线法线所构成的平面上的相对位移，法线上振动位移会对载波波形产生一个调幅作用以及产生一个附加波形及信号源相叠加，切线上的振动位移会对载波产生一个调频影响，由于齿轮宽度较大垂直于法线切线平面方向上的振动位移不会对信号带来干扰。
假设由转速传感器及飞轮齿之间的相对振动都是单一频率的简谐振动，则可写出振动引起的调频调幅函数和附加波形信号：
调频函数：f1=Axsin⁡(ωx∙t)；
调幅函数：A1=Aysin⁡(ωy∙t)；
附加波形信号：Ct=C0sin⁡(ωc∙t)。
式中Ax Ay分别为调频调制系数,调幅调制系数；C0 ωc分别为附加波形幅值,附加波形频率。
综合以上干扰因素的影响，实际发动机转速传感器输出的正常齿近似信号为：
y=A01+A1sinω0∙t+∫finsdt+∫f1dt+Ct
=A01+Aysin⁡(ωy∙t)
∙sinω0∙t+∫[A01cosω1∙t+A02cos⁡(2ω1∙t)]dt+∫Axsin⁡(ωx∙t)dt+C0sin⁡(ωc∙t)
式中各个系数及频率参数依据文献取值如下
A0=1；Ay=0.3；ωy ωx ωc取发火频率的1/3倍；A01A02取值关乎转速信号的波动范围, A01A02需要根据不同转速不同扭矩时瞬时转速信号的波动范围来确定。Ax=0。001。
其中发火频率为ω=2π∙n/(2×60)，因此以上频率只及转速n有关。
至此,还需模拟一个缺齿信号来合成实际曲轴转速信号,缺齿信号只需将式中A0取为缺齿信号的信号幅值，ω0取为缺齿信号的频率即ω0/3即可。即缺齿信号近似为:
y=A001+A1sinω0∙t+∫finsdt+∫f1dt+Ct
=A001+Aysin⁡(ωy∙t)
∙sinω0/3∙t+∫[A01cosω1∙t+A02cos⁡(2ω1∙t)]dt+∫Axsin⁡(ωx∙t)dt
+C0sin⁡(ωc∙t)

2.2.3 实际曲轴转速信号的合成
实际的转速信号由上述两个正弦信号以一定的规律相接而成：每经过57个正常齿正弦信号,接下来的三个周期时间内便由一个高幅值的缺齿正弦信号代替，如此重复。至此可模拟出一个转速信号源，通过开关可控制是否参杂振动影响。拟出一个模拟方案：分别由两个正弦信号发生模块,一个为正常齿一个为缺齿，两正弦信号模块的各个参数都可调。这个功能可以用MATLAB Function模块来实现，信号发生模块Signal transmitter的子系统分别如附图 Error! Bookmark not defined.所示，两个模块的代码分别如下:

function [f_ins，f1,A1，Ct]= fcn（A01，A02，Ax,Ay，C0,w1，wx，wy,wc，t)
%#codegen
f_ins = w1＊A01＊sin(w1*t)+2＊w1＊A02＊sin(2＊w1*t）;
f1 = —Ax＊wx*cos(wx*t);
A1=Ay*sin(wy*t）;
Ct=C0*sin(wc＊t)；

function ［y1,y2]= fcn(AH，AL，f_ins,f1，A1,Ct,t,w0)
％＃codegen
y1=AH＊（1+A1)＊sin(w0*t+f_ins+f1-pi）+Ct
y2=AL*（1+A1)＊sin(w0/3*t+f_ins+f1-pi）+Ct

通过对正常齿周期计数即对扫过的齿轮数进行计数,通过计数值判断当前时刻为正常齿还是异常齿，齿轮数计数模块Cycle Counting模块子系统如附图 1所示，若为正常齿则让正常齿正弦发生模块的信号通过，相反则异常齿通过。通过的信号则可构成实际的曲轴转速信号。此判断功能由以下模块实现如附图 Error! Bookmark not defined.所示。
利用一个白噪声模块代替信号源中的电磁干扰，白噪声的噪声功率Noise Power值设置为1×10-10，seed值设置为15642。
若以后有实验条件进行实验，得到相关的准确实验数据进行分析后，通过更改这些特征值就可以使信号源部分的仿真更加准确逼真.
2.3 本章小结
本章分析了曲轴转速信号的特点，并对振动干扰给载波信号带来的调频调幅影响进行了简要介绍，总结出调频调幅的具体近似量化方程式，最后综合振动干扰作用，将实际曲轴转速信号通过数学函数形式进行描述，依据标准和经验确定出数学函数中各个参数值,并利用MATLAB Function模块编写出信号函数。搭建出正常齿缺齿信号选择系统，最终仿真出信号源发生模型。

第3章 基于MATLAB/Simulink的信号处理系统模型
3.1 曲轴转速传感器信号采集模块
对电磁感应传感器产生的信号进行采样离散化，以便后期转速处理系统的处理。采样可通过零阶保持模块实现，Zero-Order Hold模块实现指定采样率的采样和保持功能.由于后面设计的高频计数器的脉冲周期为1×10-07 s,所以这里的采样周期设置5×10-08 Hz.
3.2 滤波器模块
3.2.1 信号源的频率范围计算
普通三缸发动机的转速范围为800~7000r/min，起动转速一般为80 r/min左右，通过转速范围就可以求出电磁感应传感器的有用频率范围。飞轮的转动周期为 T= 60/n s，则每个正常齿转过所用的时间即正常齿正弦周期则为 T'=T/60=1/n s ，异常齿正弦周期T''=3×T/60=3/n s。由往复惯性力和气缸缸压规律变化造成的转速波动频率为基频及二倍基频。基频频率为ω1=ω0/(2π)∙m=n/60∙π∙m 所以波动频率为n∙π/240和n∙π/120.所以在滤波时应保留以上频率范围内的有用信息。
信号源有用频率范围计算结果如下表：
需保留的信号名称
频率范围Hz
起动转速信号
80
正常齿正弦信号
800~7000
异常齿正弦信号
267~2333
基频造成的转速波动
1.67~14.58
二倍基频造成的转速波动
3。33~29.16
表格 Error! Bookmark not defined.信号源的有用频率范围

3.2.2 滤波器类型的选择
郝鹏等人在对加速工况下的转速信号处理中,提出了一种自适应跟踪滤波的滤波方法，这种窄带带通滤波器可随转速变化而改变滤波器的中心频率，滤波效果极好[7］。但由于这种滤波器不易于在Simulink中搭建出来遂尝试使用并观察其他滤波器的滤波效果.
由于数字滤波器较稳定,不受电子元器件稳定性的影响，而且考虑到模拟滤波器的非线性相移特性会导致波有相位误差,对于飞轮缺齿信号或者第一缸上止点的判断精准度非常不利，导致喷油时刻不够精确，影响正常发动机工作，因此采用数字滤波器。数字滤波器又分为无限冲击响应滤波器(IIR）和有限冲激响应滤波器（FIR)，隋青美，程勇在数字滤波器的设计及其在内燃机瞬时转速数据处理中的应用中提出利用IIR滤波器进行滤波时,会导致滤完波的信号产生相位失真,原因是IIR滤波器的非线性相移特性[[] 隋青美，程勇.数字滤波器的设计及其在内燃机瞬时转速数据处理中的应用[N]. 应用基础与工程科学学报.1999，7(2):204-208.
］。为了尽可能减小滤完波后波形失真，本次曲轴转速信号处理仿真采用FIR滤波器。
3.2.3 滤波器参数设置
考虑到有用转速信号频段较为接近所以将模拟滤波器类型设置为低通滤波器,设计方法选择为加汉宁窗，为了使截止处下降更快，阶数选择为200阶，采样频率选择为100MHz，上截止频率Fc设置为7KHz.由设置好的滤波器参数可知，滤波器的群延迟为
Td=order2∙Fs=2002×5×10-8
=5×10-6s
3.2.4 滤波效果及改进
图 Error! Bookmark not defined.滤波效果
通过观察80-6000 r/min转速的待滤波型和滤波后的波形，发现滤波器大体上能滤掉干扰信号，但在细节上还存在些许波动，对之后转速波形过零点判断和转速周期计数带来错误的隐患,因此在低通滤波器后加一个卡尔曼滤波器以达到平滑波形的目的。滤波效果如所示。

图 2滤波局部效果

3.3 信号整形系统
对滤完波的曲轴转速信号进行整形，将正弦信号转为方波信号,利用Relay模块可简单实现这个功能,Relay模块相当于一个滞回比较器，当输入值降至低于阈值下限Switch off point参数的值时，此模块中继电器关闭，继电器保持关闭，直到输入值上升至高于阈值上限Switch on point参数值，继电器打开。Switch on point设置为eps即无限接近于0的正值,当此模块中继电器打开时输出常数1，Switch off point设置为-eps，模块继电器关闭时输出0。正弦信号也就被转换成了同频率的方波信号。
3.4 高频计数器系统
3.4.1 高频计数器模块的构成
高频计数器模块由高频时钟High frequency clock模块和一个计数Count模块构成,如附图 2所示。
3.4.2 高频计数器计数频率选择
高频时钟为一个高频率的脉冲发生器,可以设置频率值。由于计数频率越高，对应的转速计算值误差越小[1]，但由于硬件限制，不可能将计数频率设的很高很高,因此需要通过计算，得出在允许误差范围内的最小频率。设高频计数器的计数频率为fs，则一个齿最小计数值出现在最高速度处,对应的计数值为k=fs7000，一个齿的信号周期的计数值误差为±1，则由于计数值误差造成的最大转速误差δ=7000-fsfs/7000+1。现要求在最高转速由计数值造成的误差δ不超过5r/min，将δ代入式中,即可求得要满足误差要求最小计数频率fs=8.533 MHz。此次设计选择10MHz的高频计数器.
3.4.3 计数模块的搭建
对高频时钟的方波信号周期进行计数，对方波信号的上升沿进行判断，每来一个上升沿计数值便加一,同时对转速信号的方波下降沿进行判断，当转速方波信号来到下降沿时，即触发计数模块输出端，并对计数值进行清零。此模块如附图 Error! Bookmark not defined.所示.
3.5 转速方波信号下降沿判断系统
3.5.1 下降沿判断系统功能
滤完波的信号经整形采样后成为方波转速信号，后面的计数系统需要利用方波的下降沿即原始转速信号的过零点作为计数开始及清零的判断依据,因此此系统为后面计数、转速计算、缺齿信号判断系统提供触发信号.
3.5.2 下降沿判断系统的搭建思路
方波信号下降沿处前一时刻为高电平，下一时刻为低电平，利用这个特点，对方波前一时刻和当前时刻电位值进行时刻监测，当检测到当前时刻为低电平，前一时刻为高电平时,即在逻辑上判断为真，即输出一个脉冲信号。
3.5.3 下降沿判断系统的搭建
判断系统具有一个输入端，即离散的方波信号，将输入的信号用Unit Delay模块得到该