磁電式轉速傳感器輸出電壓波動的穩健設計

吳瑋+彭艷+張磊

摘 要：在磁電式轉速傳感器生產、裝配過程中尺寸公差、裝配公差、材料性能偏差等噪音因子，造成了傳感器之間輸出電壓的數值分散。文章采用穩健設計方法，通過優化線圈匝數、鐵芯磁導率、磁鋼磁感應強度等設計參數，降低輸出電壓波動的均值、分散區間，使磁電式轉速傳感器的輸出電壓具有一定的穩健性。

關鍵詞：轉速傳感器；輸出電壓波動；穩健設計

1 概述

磁電式轉速傳感器廣泛應用于發動機轉速測量，在監控發動機狀態過程中發揮著重要作用。發動機工作時，具有導磁性的音輪旋轉，通過轉速傳感器線圈的磁通量發生周期性變化，線圈中產生周期性電壓，通過對輸出電壓處理計數，測出齒輪轉速[1-2]。輸出電壓是轉速傳感器的重要性能指標，其數值直接影響控制器對轉速信號的判斷。然而，轉速傳感器的輸出電壓對材料磁導率誤差、音輪跳動、磁鋼充磁誤差等很敏感，尺寸公差、裝配公差、材料性能偏差等噪音因子的影響造成了實際輸出電壓與設計值之間的偏差，以及傳感器之間的數值分散，限制了磁電式傳感器在更高精度控制條件下的應用。

目前，我廠基于確定參數模型設計轉速傳感器，忽略了噪音因子對輸出電壓的影響。為使傳感器輸出電壓保持一致，通常從生產、檢驗過程著手，如提高加工精度、挑選產品使用等，生產成本較高。轉速傳感器輸出電壓穩健設計通過設計參數優化，達到傳感器輸出電壓一致的目的。設計時考慮噪音因子對輸出電壓的影響，根據特性分散隨設計參數組合的敏感程度改變的特點，設計合適的參數，減小輸出電壓波動，其優勢是在現有生產條件下，兼顧輸出電壓的波動均值和分散區間。

2 輸出電壓波動的穩健設計

2.1 模型建立

轉速傳感器是根據電磁感應原理設計的，完整的測量系統由傳感器及音輪兩部分組成。音輪按齒形不同可分為端面齒音輪與徑向齒音輪。以徑向齒音輪為例，傳感器的測量端正對音輪的齒，傳感器的測量端與音輪的齒之間存在間隙，音輪轉動時，間隙交替變化周期性地改變磁路中的磁阻，磁阻周期性的變化引起通過線圈磁通量的變化，線圈兩端輸出周期性、上下對稱的脈沖電壓信號。隨著音輪轉速的升高，輸出電壓幅值增大，直至達到飽和。

轉速傳感器將非電量轉速信號轉換為對稱的脈沖信號，脈沖的頻率值與轉速的關系為：

其中，n為音輪轉速，f為脈沖頻率值，Z為音輪齒數。

由于音輪齒數Z為常數，從式（1）中可以看出，轉速n與脈沖的頻率值f成正比關系。

轉速傳感器一般由鐵芯、磁鋼、外殼、端蓋及線圈等組成，鐵芯在為傳感器提供磁通路徑的同時也作為骨架供繞制線圈用。

其中，N為線圈匝數，B為通過線圈的磁感應強度，S為線圈橫截面積，ω為線圈切割磁場角速度。

B主要由磁鋼磁感應強度B0和鐵芯磁導率μ兩大參數決定，其他影響因素有傳感器測量端與音輪之間的間隙δ、音輪材料磁導率μ'等。

S由骨架外徑D1及線圈外徑D2決定，線圈外徑D2又與匝數N、漆包線直徑d、骨架長度L相關。

ω由音輪齒數Z和音輪轉速n決定。

2.2 確定控制因子和噪音因子

確定控制因子和噪音因子如下：控制因子分別為線圈匝數N，磁鋼磁感應強度B0，鐵芯磁導率μ，噪音因子包括外殼磁導率誤差、端蓋磁導率誤差、音輪轉速波動、音輪跳動、音輪磁導率誤差、磁鋼充磁誤差、周圍磁場干擾等。

控制因子選取的水平值具體見表1，其依據為輸出電壓波動減小的方向和設計參數可改變的范圍。

2.3 安排試驗

確定控制因子及噪音因子之后，需選用相應的正交表，建立正交試驗方案，由Minitab軟件計算完成。

正交試驗可從大量試驗中選擇出最有代表性的少數幾項試驗，獲得可靠的結果，分析計算便捷[3]。由表1可知，控制因子確定為3個3水平值因子。全因子試驗需進行27次，而選用L9（3個3水平因子）的正交表，僅需進行9次試驗。建立的正交試驗方案見表2。

2.4 試驗實施

通過Ansoft/Maxwell 3D有限元仿真分析軟件對低頻輸出電壓峰值進行仿真計算。仿真結果見表3。

2.5 數據分析

運用Minitab軟件對實驗結果進行分析。

表4為信噪比響應表，可見三個控制因子對信噪比的影響排序：磁鋼磁感應強度>線圈匝數>鐵芯磁導率，圖1為信噪比主效應圖。

表5為均值響應表，可見三個控制因子對均值的影響排序：磁鋼磁感應強度>線圈匝數>鐵芯磁導率，圖2為均值主效應圖。

2.6 最佳控制因子水平

穩健設計以輸出電壓波動為優化方向，輸出電壓波動信噪比的增大代表輸出電壓波動幅值的減小或平均輸出電壓的增大。故選取大輸出電壓波動信噪比均值所對應的控制因子水平，其中線圈匝數N、磁鋼磁感應強度B0分別選取水平2、水平3，鐵芯磁導率μ選取水平1或3均可。

3 結束語

本文采用穩健設計方法，優化傳感器設計參數，減小了傳感器的輸出電壓波動，擬制了因噪音因子產生的輸出電壓波動分散。

參考文獻

[1]強錫富.傳感器[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]陳思娟，王海濤.增大磁電式轉速傳感器輸出的方法研究[J].儀器儀表學報，2009，30（6）：742-745.

[3]陳立周.穩健設計[M].北京：機械工業出版社，2000.