李京，王騰

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

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬電路分析與設(shè)計(jì)

李京1，王騰2

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

在柴油機(jī)調(diào)速器、機(jī)旁控制裝置的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過程中，必須模擬柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬，本文提出了一種基于暫態(tài)電路的電路設(shè)計(jì)方案。該電路解決了傳統(tǒng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬系統(tǒng)中起動(dòng)和停機(jī)的過渡過程難以實(shí)現(xiàn)的問題，滿足了柴油機(jī)起停過程中轉(zhuǎn)速信號(hào)漸變的要求，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號(hào)的占空比控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍的控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該電路能夠真實(shí)地模擬出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，具有實(shí)用價(jià)值。

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)；電壓頻率變換；暫態(tài)過程；占空比控制；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

柴油機(jī)調(diào)速器、機(jī)旁監(jiān)控裝置對(duì)柴油機(jī)的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，在柴油機(jī)調(diào)速器、監(jiān)控裝置的研制生產(chǎn)過程中，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測和調(diào)試。如果每次調(diào)試都采用實(shí)裝配機(jī)方式進(jìn)行，代價(jià)非常昂貴。因此，設(shè)計(jì)一套能夠真實(shí)模擬柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)動(dòng)態(tài)變化的測試系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值，其中關(guān)鍵是對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的模擬[1-2]。

傳統(tǒng)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)模擬主要采用脈沖周期信號(hào)發(fā)生器，當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)后，通過開關(guān)將脈沖周期信號(hào)接至柴油機(jī)監(jiān)控裝置；柴油機(jī)停機(jī)后，開關(guān)斷開，轉(zhuǎn)速信號(hào)變?yōu)榱?。但這種方式無法模擬采油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的暫態(tài)變化過程，在對(duì)柴油機(jī)監(jiān)控裝置進(jìn)行調(diào)試時(shí)，模擬停機(jī)后，轉(zhuǎn)速信號(hào)突然變?yōu)榱?，柴油機(jī)監(jiān)控裝置會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)速傳感器故障報(bào)警。因此，真實(shí)模擬出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的暫態(tài)變化十分必要。為了達(dá)到這個(gè)目的，文中提出并設(shè)計(jì)了一種基于RC充放電路的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)動(dòng)態(tài)模擬電路。

要想完成對(duì)以上電路的設(shè)計(jì)，需要做好以下幾個(gè)方面工作。首先設(shè)計(jì)能模擬出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的暫態(tài)變化的電路，實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和停機(jī)過程中的信號(hào)漸變過程；其次，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的占空比控制，模擬出接近真實(shí)的轉(zhuǎn)速信號(hào)；最后電路還要能夠?qū)崿F(xiàn)輸出脈沖周期信號(hào)的頻率可調(diào)節(jié)，使得轉(zhuǎn)速在一定變化范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

1 模擬柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的特點(diǎn)

柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)主要具有3個(gè)特點(diǎn)[3]：

1）傳感器輸出脈沖周期信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)速之間呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，信號(hào)頻率f=（n×z）/60 Hz，其中，n為轉(zhuǎn)速大小，z為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量齒輪齒數(shù)，此系統(tǒng)中為31；當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1 500 rpm時(shí)，傳感器輸出脈沖周期信號(hào)的頻率為775 Hz。

2）轉(zhuǎn)速變化的范圍寬，從0～1 800 rpm范圍內(nèi)連續(xù)變化，模擬的轉(zhuǎn)速信號(hào)應(yīng)能從0～1 750 rpm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；

3）當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)、停機(jī)時(shí)，由于轉(zhuǎn)軸的機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速信號(hào)具有暫態(tài)變化過程，如圖1、2所示。如果停機(jī)后轉(zhuǎn)速突然變?yōu)榱?，監(jiān)控裝置會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)速傳感器故障報(bào)警。

2 轉(zhuǎn)速信號(hào)產(chǎn)生芯片選取

柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器輸出信號(hào)為脈沖周期信號(hào)，可選用電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片來完成對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的模擬[4-5]。LM331是美國NS公司生產(chǎn)的一種具有高性價(jià)比和簡單外圍電路的低功耗精密電壓/頻率轉(zhuǎn)換器集成電路。LM331具有12位的數(shù)字分辨率和100 dB的動(dòng)態(tài)范圍寬，它工作時(shí)的頻率可以低至0，并且在工作頻率為1Hz的時(shí)候仍然具有良好的線性度。LM331的另一個(gè)特點(diǎn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，以適配TTL、DTL和CMOS等不同邏輯電路[6-7]。

圖1 柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖2 柴油機(jī)停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖3 LM331內(nèi)部組成及引腳圖

3 暫態(tài)電路設(shè)計(jì)

柴油機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)有一個(gè)漸變的過程[8]。當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)在1 s左右由0 rpm逐漸增加至1 500 rpm；當(dāng)柴油機(jī)停機(jī)時(shí)，其轉(zhuǎn)速則會(huì)在15 s內(nèi)從1 500 rpm逐漸降至0 rpm。而要使用電路模擬這一暫態(tài)過程，則要設(shè)計(jì)暫態(tài)電路來完成。暫態(tài)電路的核心是電容充放電電路產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電壓[9-10]，將該電壓作為脈沖周期信號(hào)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(hào)的頻率變化。模擬轉(zhuǎn)速傳感器輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)的漸變過程。如圖4所示，當(dāng)按下控制裝置上的柴油機(jī)起動(dòng)按鈕時(shí)，通過繼電器控制SW1開關(guān)閉合，這時(shí)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(hào)頻率逐漸增大，模擬柴油機(jī)起動(dòng)暫態(tài)過程，當(dāng)C2充電完畢，7腳電壓達(dá)到穩(wěn)定，3腳開始輸出穩(wěn)定頻率的脈沖周期信號(hào)，頻率為775 Hz（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速1 500 rpm）。按下控制裝置上的柴油機(jī)停機(jī)按鈕后，通過繼電器控制SW1開關(guān)斷開，這時(shí)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(hào)頻率逐漸減小，模擬柴油機(jī)停機(jī)暫態(tài)過程[11]，當(dāng)C2放電完畢，7腳電壓變?yōu)?，3腳輸出脈沖信號(hào)的頻率也變?yōu)?，（對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速0 rpm）。

電路中，R6為可調(diào)電位器，可以通過調(diào)節(jié)R6的值，改變芯片輸入端直流電壓，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的[12]。

圖4 暫態(tài)電路

4 電路參數(shù)選取

1）暫態(tài)過程參數(shù)選取

設(shè)柴油機(jī)起動(dòng)后。其轉(zhuǎn)速由0到1 500 rpm的上升時(shí)間為1 s；柴油機(jī)停機(jī)后，其轉(zhuǎn)速由1 500 rpm下降到0的時(shí)間為15 s。

電容C2放電等效電路如圖5（b）所示。放電時(shí)間長數(shù)為τ=R6C2，設(shè)轉(zhuǎn)速下降時(shí)間為5τ=15 s，取C2為100 μF，計(jì)算可得R6=30 kΩ。實(shí)際電路中R6采用50 kΩ電位器，便于對(duì)輸出信號(hào)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

電容C2充電等效電路如圖5（a）所示。充電時(shí)間長數(shù)為τ=R0C2，其中R0=R7∥R6，取轉(zhuǎn)速上升時(shí)間為5τ=1 s，計(jì)算可得R7=2.5 kΩ?？扇7=2.4 kΩ。

圖5 電容充放電等效電路

2）電路其他參數(shù)選取

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

當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1 500 rpm時(shí)，輸出脈沖周期信號(hào)的頻率應(yīng)為775 Hz，信號(hào)波形的占空比應(yīng)為0.5，如圖6所示，t1、t2分別為一個(gè)周期內(nèi)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(tài)電路參數(shù)計(jì)算結(jié)果

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了測量電路輸出脈沖周期信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化曲線，在電路輸出端接一個(gè)頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路，將輸出頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓以便測量，轉(zhuǎn)速0～1 500 rpm對(duì)應(yīng)電壓0～5 V。測量設(shè)備連接關(guān)系如圖7所示[15]。

圖7 模擬轉(zhuǎn)速測量設(shè)備連接圖

分別模擬柴油機(jī)起動(dòng)和停機(jī)過程，采用示波器記錄模擬柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸出。輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)電壓波形如圖8所示。

圖8 模擬轉(zhuǎn)速信號(hào)測量波形圖

從實(shí)驗(yàn)波形上看，柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速由0上升到1500rpm的時(shí)間為0.75 s。柴油機(jī)停機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速由1 500 rpm下降到0的時(shí)間為17.5 s。

該結(jié)果與設(shè)計(jì)要求基本一致，較好地模擬了柴油機(jī)起動(dòng)和停機(jī)過程中，轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的暫態(tài)過程。該電路應(yīng)用于對(duì)柴油機(jī)監(jiān)控設(shè)備的檢驗(yàn)和調(diào)試，取得了很好的使用效果。

6 結(jié) 論

基于暫態(tài)電路的控制原理，文中提出了一種動(dòng)態(tài)模擬柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的電路設(shè)計(jì)方案。從示波器顯示的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)來看，該電路很好的模擬出了柴油機(jī)起動(dòng)和停機(jī)過程中轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的暫態(tài)過程，并實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速信號(hào)的占空比控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍的控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該電路能夠真實(shí)地模擬出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，具有一定的實(shí)用價(jià)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(hào)：201602094

李 京（1970—），男，陜西西安人，工程師。研究方向：艦船柴油機(jī)的質(zhì)量監(jiān)督和檢驗(yàn)驗(yàn)收。