吳瑋+彭艷+張磊

摘 要：在磁電式轉(zhuǎn)速傳感器生產(chǎn)、裝配過(guò)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(shù)值分散。文章采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，通過(guò)優(yōu)化線圈匝數(shù)、鐵芯磁導(dǎo)率、磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)，降低輸出電壓波動(dòng)的均值、分散區(qū)間，使磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電壓具有一定的穩(wěn)健性。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速傳感器；輸出電壓波動(dòng)；穩(wěn)健設(shè)計(jì)

1 概述

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量，在監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，具有導(dǎo)磁性的音輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器線圈的磁通量發(fā)生周期性變化，線圈中產(chǎn)生周期性電壓，通過(guò)對(duì)輸出電壓處理計(jì)數(shù)，測(cè)出齒輪轉(zhuǎn)速[1-2]。輸出電壓是轉(zhuǎn)速傳感器的重要性能指標(biāo)，其數(shù)值直接影響控制器對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的判斷。然而，轉(zhuǎn)速傳感器的輸出電壓對(duì)材料磁導(dǎo)率誤差、音輪跳動(dòng)、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(shí)際輸出電壓與設(shè)計(jì)值之間的偏差，以及傳感器之間的數(shù)值分散，限制了磁電式傳感器在更高精度控制條件下的應(yīng)用。

目前，我廠基于確定參數(shù)模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速傳感器，忽略了噪音因子對(duì)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(chǎn)、檢驗(yàn)過(guò)程著手，如提高加工精度、挑選產(chǎn)品使用等，生產(chǎn)成本較高。轉(zhuǎn)速傳感器輸出電壓穩(wěn)健設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到傳感器輸出電壓一致的目的。設(shè)計(jì)時(shí)考慮噪音因子對(duì)輸出電壓的影響，根據(jù)特性分散隨設(shè)計(jì)參數(shù)組合的敏感程度改變的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的參數(shù)，減小輸出電壓波動(dòng)，其優(yōu)勢(shì)是在現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，兼顧輸出電壓的波動(dòng)均值和分散區(qū)間。

2 輸出電壓波動(dòng)的穩(wěn)健設(shè)計(jì)

2.1 模型建立

轉(zhuǎn)速傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的，完整的測(cè)量系統(tǒng)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(cè)量端正對(duì)音輪的齒，傳感器的測(cè)量端與音輪的齒之間存在間隙，音輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(guò)線圈磁通量的變化，線圈兩端輸出周期性、上下對(duì)稱的脈沖電壓信號(hào)。隨著音輪轉(zhuǎn)速的升高，輸出電壓幅值增大，直至達(dá)到飽和。

轉(zhuǎn)速傳感器將非電量轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)稱的脈沖信號(hào)，脈沖的頻率值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

其中，n為音輪轉(zhuǎn)速，f為脈沖頻率值，Z為音輪齒數(shù)。

由于音輪齒數(shù)Z為常數(shù)，從式（1）中可以看出，轉(zhuǎn)速n與脈沖的頻率值f成正比關(guān)系。

轉(zhuǎn)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(shí)也作為骨架供繞制線圈用。

其中，N為線圈匝數(shù)，B為通過(guò)線圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度，S為線圈橫截面積，ω為線圈切割磁場(chǎng)角速度。

B主要由磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度B0和鐵芯磁導(dǎo)率μ兩大參數(shù)決定，其他影響因素有傳感器測(cè)量端與音輪之間的間隙δ、音輪材料磁導(dǎo)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(shù)N、漆包線直徑d、骨架長(zhǎng)度L相關(guān)。

ω由音輪齒數(shù)Z和音輪轉(zhuǎn)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(shù)N，磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度B0，鐵芯磁導(dǎo)率μ，噪音因子包括外殼磁導(dǎo)率誤差、端蓋磁導(dǎo)率誤差、音輪轉(zhuǎn)速波動(dòng)、音輪跳動(dòng)、音輪磁導(dǎo)率誤差、磁鋼充磁誤差、周圍磁場(chǎng)干擾等。

控制因子選取的水平值具體見(jiàn)表1，其依據(jù)為輸出電壓波動(dòng)減小的方向和設(shè)計(jì)參數(shù)可改變的范圍。

2.3 安排試驗(yàn)

確定控制因子及噪音因子之后，需選用相應(yīng)的正交表，建立正交試驗(yàn)方案，由Minitab軟件計(jì)算完成。

正交試驗(yàn)可從大量試驗(yàn)中選擇出最有代表性的少數(shù)幾項(xiàng)試驗(yàn)，獲得可靠的結(jié)果，分析計(jì)算便捷[3]。由表1可知，控制因子確定為3個(gè)3水平值因子。全因子試驗(yàn)需進(jìn)行27次，而選用L9（3個(gè)3水平因子）的正交表，僅需進(jìn)行9次試驗(yàn)。建立的正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

2.4 試驗(yàn)實(shí)施

通過(guò)Ansoft/Maxwell 3D有限元仿真分析軟件對(duì)低頻輸出電壓峰值進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

2.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Minitab軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

表4為信噪比響應(yīng)表，可見(jiàn)三個(gè)控制因子對(duì)信噪比的影響排序：磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度>線圈匝數(shù)>鐵芯磁導(dǎo)率，圖1為信噪比主效應(yīng)圖。

表5為均值響應(yīng)表，可見(jiàn)三個(gè)控制因子對(duì)均值的影響排序：磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度>線圈匝數(shù)>鐵芯磁導(dǎo)率，圖2為均值主效應(yīng)圖。

2.6 最佳控制因子水平

穩(wěn)健設(shè)計(jì)以輸出電壓波動(dòng)為優(yōu)化方向，輸出電壓波動(dòng)信噪比的增大代表輸出電壓波動(dòng)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(dòng)信噪比均值所對(duì)應(yīng)的控制因子水平，其中線圈匝數(shù)N、磁鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度B0分別選取水平2、水平3，鐵芯磁導(dǎo)率μ選取水平1或3均可。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)，減小了傳感器的輸出電壓波動(dòng)，擬制了因噪音因子產(chǎn)生的輸出電壓波動(dòng)分散。

參考文獻(xiàn)

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