柴油機轉速信號動態模擬電路分析與設計

李京，王騰

（1.海軍駐興平地區軍事代表室 陜西 興平713105；2.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢430033）

柴油機轉速信號動態模擬電路分析與設計

李京1，王騰2

（1.海軍駐興平地區軍事代表室 陜西 興平713105；2.海軍工程大學 電氣工程學院，湖北 武漢430033）

在柴油機調速器、機旁控制裝置的實驗室調試過程中，必須模擬柴油機的轉速信號。為了實現對柴油機轉速信號動態模擬，本文提出了一種基于暫態電路的電路設計方案。該電路解決了傳統柴油機轉速信號模擬系統中起動和停機的過渡過程難以實現的問題，滿足了柴油機起停過程中轉速信號漸變的要求，實現了轉速信號的占空比控制和轉速調節范圍的控制。實際應用表明，該電路能夠真實地模擬出柴油機轉速信號的動態變化，具有實用價值。

柴油機轉速信號；電壓頻率變換；暫態過程；占空比控制；轉速調節

柴油機調速器、機旁監控裝置對柴油機的正常運行起著至關重要的作用，在柴油機調速器、監控裝置的研制生產過程中，需要對產品進行檢測和調試。如果每次調試都采用實裝配機方式進行，代價非常昂貴。因此，設計一套能夠真實模擬柴油機轉速信號動態變化的測試系統具有一定的實際意義和應用價值，其中關鍵是對柴油機轉速信號的模擬[1-2]。

傳統的柴油機轉速信號模擬主要采用脈沖周期信號發生器，當柴油機起動后，通過開關將脈沖周期信號接至柴油機監控裝置；柴油機停機后，開關斷開，轉速信號變為零。但這種方式無法模擬采油機轉速信號的暫態變化過程，在對柴油機監控裝置進行調試時，模擬停機后，轉速信號突然變為零，柴油機監控裝置會發出轉速傳感器故障報警。因此，真實模擬出柴油機轉速信號的暫態變化十分必要。為了達到這個目的，文中提出并設計了一種基于RC充放電路的柴油機轉速信號動態模擬電路。

要想完成對以上電路的設計，需要做好以下幾個方面工作。首先設計能模擬出柴油機轉速信號的暫態變化的電路，實現起動和停機過程中的信號漸變過程；其次，實現轉速信號的占空比控制，模擬出接近真實的轉速信號；最后電路還要能夠實現輸出脈沖周期信號的頻率可調節，使得轉速在一定變化范圍內連續可調。

1 模擬柴油機轉速信號的特點

柴油機的轉速傳感器輸出信號主要具有3個特點[3]：

1）傳感器輸出脈沖周期信號的頻率與轉速之間呈線性對應關系，信號頻率f=（n×z）/60 Hz，其中，n為轉速大小，z為柴油機轉速測量齒輪齒數，此系統中為31；當轉速n=1 500 rpm時，傳感器輸出脈沖周期信號的頻率為775 Hz。

2）轉速變化的范圍寬，從0～1 800 rpm范圍內連續變化，模擬的轉速信號應能從0～1 750 rpm范圍內連續可調；

3）當柴油機起動、停機時，由于轉軸的機械慣性，轉速信號具有暫態變化過程，如圖1、2所示。如果停機后轉速突然變為零，監控裝置會發出轉速傳感器故障報警。

2 轉速信號產生芯片選取

柴油機轉速傳感器輸出信號為脈沖周期信號，可選用電壓-頻率轉換芯片來完成對轉速信號的模擬[4-5]。LM331是美國NS公司生產的一種具有高性價比和簡單外圍電路的低功耗精密電壓/頻率轉換器集成電路。LM331具有12位的數字分辨率和100 dB的動態范圍寬，它工作時的頻率可以低至0，并且在工作頻率為1Hz的時候仍然具有良好的線性度。LM331的另一個特點就是它的輸出脈沖的邏輯電平可以通過搭配不同外接電阻和控制邏輯電流來進行調節，以適配TTL、DTL和CMOS等不同邏輯電路[6-7]。

圖1 柴油機起動時轉速變化曲線

圖2 柴油機停機時轉速變化曲線

圖3 LM331內部組成及引腳圖

3 暫態電路設計

柴油機的起動和停機有一個漸變的過程[8]。當柴油機起動時，其轉速會在1 s左右由0 rpm逐漸增加至1 500 rpm；當柴油機停機時，其轉速則會在15 s內從1 500 rpm逐漸降至0 rpm。而要使用電路模擬這一暫態過程，則要設計暫態電路來完成。暫態電路的核心是電容充放電電路產生隨時間變化的電壓[9-10]，將該電壓作為脈沖周期信號的控制電壓輸入到LM331的第7腳，控制其第3腳輸出脈沖周期信號的頻率變化。模擬轉速傳感器輸出轉速信號的漸變過程。如圖4所示，當按下控制裝置上的柴油機起動按鈕時，通過繼電器控制SW1開關閉合，這時電容C2開始充電，芯片7腳電壓逐漸升高，第3腳輸出脈沖信號頻率逐漸增大，模擬柴油機起動暫態過程，當C2充電完畢，7腳電壓達到穩定，3腳開始輸出穩定頻率的脈沖周期信號，頻率為775 Hz（對應轉速1 500 rpm）。按下控制裝置上的柴油機停機按鈕后，通過繼電器控制SW1開關斷開，這時電容C2開始放電，芯片7腳電壓逐漸降低，第3腳輸出脈沖信號頻率逐漸減小，模擬柴油機停機暫態過程[11]，當C2放電完畢，7腳電壓變為0，3腳輸出脈沖信號的頻率也變為0，（對應轉速0 rpm）。

電路中，R6為可調電位器，可以通過調節R6的值，改變芯片輸入端直流電壓，達到調節轉速的目的[12]。

圖4 暫態電路

4 電路參數選取

1）暫態過程參數選取

設柴油機起動后。其轉速由0到1 500 rpm的上升時間為1 s；柴油機停機后，其轉速由1 500 rpm下降到0的時間為15 s。

電容C2放電等效電路如圖5（b）所示。放電時間長數為τ=R6C2，設轉速下降時間為5τ=15 s，取C2為100 μF，計算可得R6=30 kΩ。實際電路中R6采用50 kΩ電位器，便于對輸出信號頻率進行調節。

電容C2充電等效電路如圖5（a）所示。充電時間長數為τ=R0C2，其中R0=R7∥R6，取轉速上升時間為5τ=1 s，計算可得R7=2.5 kΩ。可取R7=2.4 kΩ。

圖5 電容充放電等效電路

2）電路其他參數選取

電路中的其他參數，如Rt、Ct、Rs、R1、C1的參數取值，應充分考慮電路輸出脈沖周期信號的頻率及占空比[13]。

當轉速n=1 500 rpm時，輸出脈沖周期信號的頻率應為775 Hz，信號波形的占空比應為0.5，如圖6所示，t1、t2分別為一個周期內的低、高電平寬度，t1=t2=0.5 T，T=1/775 Hz。

圖6 占空比示意圖

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 暫態電路參數計算結果

5 實驗驗證

為了測量電路輸出脈沖周期信號的頻率隨時間變化曲線，在電路輸出端接一個頻率/電壓轉換電路，將輸出頻率信號轉換為直流電壓以便測量，轉速0～1 500 rpm對應電壓0～5 V。測量設備連接關系如圖7所示[15]。

圖7 模擬轉速測量設備連接圖

分別模擬柴油機起動和停機過程，采用示波器記錄模擬柴油機轉速信號的輸出。輸出轉速信號電壓波形如圖8所示。

圖8 模擬轉速信號測量波形圖

從實驗波形上看，柴油機起動時，轉速由0上升到1500rpm的時間為0.75 s。柴油機停機時，轉速由1 500 rpm下降到0的時間為17.5 s。

該結果與設計要求基本一致，較好地模擬了柴油機起動和停機過程中，轉速隨時間變化的暫態過程。該電路應用于對柴油機監控設備的檢驗和調試，取得了很好的使用效果。

6 結 論

基于暫態電路的控制原理，文中提出了一種動態模擬柴油機轉速信號的電路設計方案。從示波器顯示的柴油機轉速信號來看，該電路很好的模擬出了柴油機起動和停機過程中轉速隨時間變化的暫態過程，并實現了轉速信號的占空比控制和轉速調節范圍的控制。實際應用表明，該電路能夠真實地模擬出柴油機轉速信號的動態變化，具有一定的實用價值。

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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 稿件編號：201602094

李 京（1970—），男，陜西西安人，工程師。研究方向：艦船柴油機的質量監督和檢驗驗收。