1、圖 1 發動機轉速測量系統框圖發動機轉速信號的檢測及數字濾波方法蔡登勝，羅維，趙明輝（廣西柳工機械股份有限公司）!摘 要：發動機轉速作為一個重要的控制參數，在工程機械的控制過程如功率控制、變速控制等應用中占有重要地位，如何快速準確地測量發動機轉速，減少干擾信號的影響，同時盡可能地減輕控制系統測量負 擔，對提高控制系統的穩定性和響應能力具有重要意義。結合發動機轉速測量系統的結構組成，分析相應的 測量及濾波方法的特點，提出具體的測量及濾波方法，并進行實際測試及濾波效果的驗證。關鍵詞：發動機；轉速；檢測；數字濾波隨著電子控制技術的發展，工程機械的電子控制系統的應用也越來越多，如裝載機的自動變速控 制

2、系統、挖掘機的功率匹配控制系統等，在這些電 子控制系統中，發動機轉速作為一個重要的系統基 礎變量參數，是最重要的控制變量之一，其測量的 精度和及時性直接關系到電子控制系統的控制效 果，因此對發動機轉速進行快速、高精度的測量一 直是工程技術人員追求的目標。轉速信號屬于頻率 信號，具有快速變化、易受干擾的特點，因而如何能 夠快速、準確地檢測頻率信號，滿足控制響應需求， 是控制系統設計中不可忽視的重要環節。本文以挖 掘機發動機轉速控制系統為例，對頻率信號的檢測 方法進行探討。挖掘機發動機轉速的測量系統如圖 1 所示。電磁感應式轉速傳感器輸出信號必須通過測 量系統的接口調理電路進行整形，以獲得標準的方

3、波信號。發動機轉速測量系統結構分析1發動機轉速信號的測量方法2在工程機械上，常用兩種類型的轉速傳感器：1） 霍爾轉速傳感器；2） 電磁感應式轉速傳感器。 霍爾傳感器作為有源傳感器，其特點為輸出幅值穩 定的方波信號。電磁感應式轉速傳感器是無源器 件，其特點是輸出信號為幅值不穩定的正弦波信 號，轉速越高輸出信號幅值同步越高。通常車用霍 爾傳感器只能檢測 3 000 Hz 以下的頻率信號，因而 主要用于較低轉速信號的測量。電磁感應式轉速傳 感器由于結構簡單，工作穩定，是工程機械發動機 轉速測量首選的傳感器。在采用單片機進行轉速測量時，通常采用兩種方法：定時脈沖頻率法和脈沖周期法1。采用定時脈沖頻率法

4、測量轉速，先設定窗口時 間段 Td，記錄下在這時間段內轉速脈沖的個數 Np， 得到轉速脈沖頻率 fp 為:f = Np （1）pTd則轉速 n 為：n= 60fp（2）Ng作者簡介：蔡登勝（1971），男，廣西全州人，高級工程師，碩士，研究方向：工程機械電氣與控制工程。!工程機械第 43 卷 2012 年 11 月Test and Research式中：Ng 為測速齒輪的齒數。從轉速計算公式可知，時間 Td 為準確值,測量 的精度主要取決于脈沖計數 Np 的誤差。定時脈沖頻率法測量方法簡單，但由于窗口時間段 Td 不可能與脈沖整數周期完全重合，存在起始脈沖和最后一個 脈沖丟失的可能，當待測信號

5、頻率較低時，若窗口 時間段較短，則測量誤差較大。脈沖周期法是通過單個脈沖的周期來計算轉 速的方法。采用脈沖周期法測量轉速，實際上是以 每個脈沖周期為窗口時間段，統計控制器 CPU 的定 時器在這一窗口時間段內得到的計數值 Ncc，則這個轉速脈沖的周期 Tp 為：二是及時性。若只考慮測量精度，加大樣本量是提高精度的最重要的手段，而加大樣本量所導致的延 時則必然影響數據的及時性，因此必須找出發動機 轉速的特點，在有限的時間內，將測到的異常信號 濾除，從而及時獲得所需要的精確轉速信號。通常的數字濾波方法有均值濾波、中值濾波和 限速（限幅）濾波等。3.1 均值濾波算術均值濾波是將所有采樣值求和后除以樣

6、 本數，而加權均值濾波是在求和之前對每個采樣值 賦給一個權重系數 ai，均值濾波計算公式為：nX軍= 1 aiXi（5）Tp= Nccn i = 1（3）fc式中：fc 為 CPU 基準計數頻率。則轉速為：對算術濾波，式中的 a =1。從均值濾波的定義可i以看出，均值濾波并不能夠將干擾排除，而是將干擾分散，使數據的變化變得平滑一些。3.2中值濾波 中值濾波是指將一組數據隊列的中值作為濾波結果輸出值的濾波方法。中值濾波計算方法為：將連 續采樣得到一組樣本數據 x1，x2，xn，按從小到大（或從大到小）的次序進行排序，排序后的數據按次 序依次為 y1，y2，yn。若樣本個數 n 為奇數，則中值 濾

7、波結果為：60（4）n=Ng Tp可以看到，與定時脈沖頻率法一樣，測量精度與時鐘頻率 fc 和待測信號頻率有關，在 fc 遠遠大于 轉速脈沖的頻率時，可以取得較高的精度。工程機械用發動機轉速通常在 6502 500 r/min的范圍，采用脈沖周期法測量結果精度會更高。由于發動機轉速信號檢測電路屬于弱電電路， 在封閉的車載電氣系統上，極易受到電磁干擾，從 而導致測量結果出現干擾誤差，另外，由于在采用 脈沖周期法進行轉速測量時，實際上得到的是一個 個測速齒經過轉速傳感器時的瞬時轉速，而對發動 機來說，在曲軸轉動一周的過程中轉速并不是均勻 的，因此在采用脈沖周期法測量轉速時，必須考慮 上述兩種情況造

8、成的測量誤差。對于信號的失真，可以通過硬件電路和軟件算 法進行處理，硬件電路通常是采用低通濾波的方法 進行處理，將高于正常轉速的頻率信號進行濾除， 在此不再贅述。由于電子元件參數的分布影響，硬 件濾波的方法通常無法精確地將所有高于正常轉 速的頻率信號濾除掉，因而必須通過軟件濾波算法 進行濾波。M（x）=y（n+1）/2若樣本個數 n 為偶數，則中值濾波結果為：（6）M（x）= yn/2+y（n+2）/2（7）2中值濾波由于去掉了極大、極小值，對偶發干擾具有較好的濾波效果，但連續采樣的數據數量越大， 排序計算量就越大，對控制系統的運算速度要求也 越高。3.3限速（限幅）濾波限速（限幅）濾波屬于一

9、種經驗濾波，主要算法為：將本次采樣值 x 與上次采樣值 x的變化量的nn- 1絕對值，與預設最大允許變化量 x 進行比較，如果小于或等于 x，則取本次采樣值為當前值，若大于 x，則丟棄本次采樣值，取上一次的采樣值作為當 前值，計算公式為:Xn=Xn-1， xn -xn- 1Xn=Xn，xn -xn- 1x 轉速信號的數字濾波算法在進行數字濾波設計時，首先必須清楚控制系 統對發動機轉速測量的要求，即控制系統的所有控 制變量因子都必須達到兩點基本要求：一是精度，3（8）x 限速濾波的難點在于 x 的選擇，若 x 取值太大，則無法將干擾濾除，若 x 取值過小，則無法 20 工程機械第 43 卷 20

10、12 年 11 月Test and Research反映真實的信號變化。對數字濾波來說，采樣數據量越大，則抗干擾能 力越強，濾波后的數據平滑性也越好，但考慮到采樣 數據量越大，則所需時間越長，對系統的響應速度是 不利的。根據控制系統對采樣變量的兩個要求：精 度和及時性，必須對兩者進行平衡。為加大采樣數據量，并盡可能減少數據采集時 間對及時性的影響，通常可以采用 FIFO（先進先出） 的數據處理辦法，即一組包含 n 個數據 x1，x2，xn 的采樣數據集，若有新的采樣數據 xn+1，則將最先測 到的 x1 去除，使采樣數據集依然保持為 n 個數據， 以此類推，采用 FIFO 的樣本數據處理方法，

11、可以改 善數據的平滑性。發動機轉速的實際濾波設計挖掘機發動機的轉速主要通過檢測飛輪轉速來 獲得。對于飛輪齒數為 Ng 的發動機，轉速脈沖信號 的頻率為：4f= Ng n （9）60若飛輪齒數 Ng 為 127 齒，發動機的正常轉速 n為 6502 500 r/min，根據式（9），正常轉速檢測信號 的最低頻率為 1 375 Hz，最高頻率為 5 292 Hz。要對這樣的頻率信號進行檢測，根據前文分析， 采用脈沖周期法對轉速傳感器信號進行采樣，采樣 結果如圖 2 所示。圖 2 是采用脈沖周期法測量到發動機的 500個瞬時轉速值，圖中縱坐標為轉速，橫坐標為采樣 數。實際上每一個采樣得到的轉速都是測

12、速齒經過轉速傳感器時的瞬時速度，圖 2 顯示出在發動機旋轉一圈（即任意 127 個采樣）中，實際上轉速并不是 均勻的，并且變化還相對較大，在固定油門及負載無變化的情況下，500 個采樣得到的最大瞬時轉速 為 2 105 r/min，最小瞬時轉速為 2 079 r/min，最大的 瞬時速度比最小瞬時轉速高出 26 r/min，即在系統 無變化的情況下，測到的轉速值在不斷地波動，這 一波動會造成控制系統輸出的擾動，必須通過濾波來消除這樣的干擾。假設不存在干擾的情況下，按照發動機旋轉一 圈的齒數選取每次 127 個脈沖作為當前采樣進行 FIFO 算術平均濾波，得到 127 位 FIFO 算術平均濾

13、波結果如圖 3 所示。圖 3 顯示，通過 127 位算術平均濾波后，得到轉速為 2 0902 092 r/min，只有 2 r/min 的波動，說 明以整轉脈沖個數作為樣本數據集進行算術平均濾波，對轉速周期性的波動可以取得較好的濾波效果。在采用脈沖頻率法進行轉速測量時，通常采用中 斷捕捉方式測量每個轉速信號的周期，測量過程需占 用系統時間，若每次捕捉 127 個脈沖，按 2 090 r/min 的轉速來計，捕捉 127 個脈沖約需 28 ms，這對一個 控制系統來說周期太長了，因此必須尋找到較短時間 來獲得同樣或近似的濾濾效果。為縮短采樣時間，采用每次采樣 8 個脈沖進行 分段算術平均濾波，濾

14、波效果如圖 4 所示。從圖 4 來看，縮短了采樣中斷時間后，8 位分段 算術平均濾波效果并不明顯，仍是按照與原始瞬時 轉速相同的趨勢在波動。 21 圖 3 發動時瞬時轉速與 127 位 FIFO 算術平均濾波結果圖 4 瞬時轉速與 8 位分段算術平均濾波結果工程機械第 43 卷 2012 年 11 月TestandResearch若保持相同的中斷采樣時間，采用 8 位分段中值濾波算法進行濾波，所獲得的濾波效果如圖 5所示。從圖 5 來看，縮短了采樣中斷時間后，采用 8 位分段中值濾波算法與采用 8 位分段算術平均濾 波效果基本一樣，無法消除周期性的波動，因此，要 增大采樣數，同時保證較短的采樣

15、時間，避免占用 過多的 CPU 資源，必須采用組合濾波方法。試圖對 8 位原始采樣信號在進行分段算術濾 波、分段中值濾波后再進行二級濾波。在二級濾波 時，由于沒有 CPU 資源過多占用的擔憂，通過兩級濾波取得更多的采樣信號。以下對算術濾波法與中 值濾波法分別組合形成的二級濾波效果進行分析 研究。圖 6 為一級 8 位分段算術平均濾波加二級 8位中值 FIFO 濾波的濾波效果，圖 7 為一級 8 位分段中值濾波加二級 8 位分段算術平均濾波的濾波 效果，圖 8 為一級 8 位分段中值濾波加二級 8 位FIFO 算術平均濾波的濾波效果。從圖 6、圖 7 和圖 8 可以看出，采用兩級濾波 后，不論是

16、哪一種濾波組合，其濾波效果與單級 127 位濾波效果基本相同。在第一級濾波中采用中值濾波，更能排除轉速的瞬時波動，同時考慮到在實際 工作時，轉速信號的采樣是間隔進行的，在二級濾 波中采用 FIFO 算術平均濾波，得到的轉速更平滑， 并且采用 FIFO 還可以根據控制的需要，隨時獲得足夠的一級濾波值來進行二級濾波，從而獲得更好 的及時響應能力。因此，在一級濾波時采用 8 位分 段中值濾波，在二級濾波時采用 8 位 FIFO 算術平 22 圖 5 瞬時轉速與 8 位分段中值濾波結果圖 6 一級 8 位分段算術平均濾波二級 8 位中值 FIFO 濾波效果圖 7 一級 8 位分段中值濾波二級 8 位分

17、段算術平均濾波效果工程機械第 43 卷 2012 年 11 月TestandResearch 23 圖 8 一級 8 位分段中值濾波二級 8 位 FIFO 算術平均濾波效果工程機械第 43 卷 2012 年 11 月TestandResearch均濾波得到的結果與 127 位的大數據量濾波效果更接近，轉速曲線更平滑。濾波，能獲得比較理想的結果。就其他工程機械發動機轉速測量而言，采用兩級組合濾波方式也是可 以的，但究竟采用哪種組合濾波方式能更好地滿足 控制要求，尚待進一步分析探討。結束語本文分析了挖掘機發動機轉速的測量系統，對 轉速的測試方法及濾波方法進行了探討，并針對發 動機轉速的不均勻性，結

18、合控制系統對轉速存在的 測量精度和及時性要求，提出了分段中值濾波和 FIFO 算術平均濾波兩級濾波的轉速濾波方法，以在 降低單片機資源占用的情況下，獲得較好的檢測及 時性及測量精度。對挖掘機發動機轉速測量而言，采用圖 8 所示 的方案，即數字濾波采用兩級組合濾波方式，一級 為 8 位分段中值濾波，二級為 8 位 FIFO 算術平均5參考文獻1 蔣東方.基于邊沿捕捉與中值濾波的航空發動機轉速測 量J.儀表技術與傳感器，2009（2）：96- 99.2 王保強，竇文，白紅.高精度測頻方案設計J.成都信息工 程學院學報，2002（2）：77- 81.3 王慶河，王慶山.數據處理中的幾種常用數字濾波算

19、法J.計量技術，2003（04）：53- 54.通信地址：廣西柳州市柳太路 1 號 廣西柳工機械股份有限公司中央研究院（545007）（收稿日期：2012- 07- 11）!（上接第 5 頁）標準化工作，使我國節能型土方機械和再制造產品 得到全面的提高和發展，使土方機械產品的制造資 源消耗和產品應用中的能源消耗得到顯著的降低。（5）重點研制和實施土方機械安全和環境保護 標準。土方機械的安全和環保是國際土方機械產品 發展的重點以及標準制定的重點，因此我國要重點 研制和實施土方機械安全和環境保護標準，重點實 施和修訂完善 15 項土方機械安全以及土方機械噪聲限值的強制性國家標準。通過制定和實施這些

20、起點較高，符合當前世界土方機械發展方向的標準， 提升我國土方機械產品的技術含量，構成對人身安 全、身體健康及社會環境的全面、系統的保護和保 障，增強我國土方機械產品的國際競爭力。通信地址：天津北辰科技園區華實道 91 號 天津工程機械研究院（300409）（收稿日期：2012- 09- 05） 24 IAbstracts in Englis(Serial No. 469)PI1I)lishing on Nov. 10, 2012Vol. 43No. IIPresent Situation and Analysis of Chinese Standardof Earthmoving Machin

21、eryapplication of the process and the basic workrequirements etc, job instances prove that the shoot blaster and its process can meet the application with satisfactory results. Therefore, we should suggest to promote in full the shoot blasting for pavement surface treatment within China.Keywords: Pa

22、vement; Shot blasting treatment;The textintroduces Chinese national standards ofcarthmoving machinery together with the industrial basisand situation while analyzing formation, distribution, quantity and quality of the standardization system as well as differences with ISO and other foreign standard

23、s. More, the text in view of defects andlor backwards in some of the standards analyzes their suitability and aging effects before putting forth stresses on the jobs to come concerning standardization of the earthmoving machinery, which line up as to raise suitability of the standards with the marke

24、t, to adopt effective measures to utilize ISO standards, to readjust composing elements ofthe national standards so as to set up important pieces ofSurface roughness; Adhesionbinding; Work processandBrief Discussion on Profile of Loader BucketFirst of all, function and significance of loaders bucket

25、 profile and design should be clearly defined, before discussing how the bucket is classified, and the major parameters that affect the loading performance. The next step is to introduce how the loader bucket was designed,according to the present experiences. And finally, thestandard. topromote rese

26、arch and development in thesurrounding the StatesnatIonaI standardization asfor industrial readjustment indprogramstogetherdiscussion touchesrcle ant theoriesand criticaleflCtiN/Ifl1.with low carbon economy, and to focus ontechniques in the bucket profile and design.Keywords: Loader; Bucket; Bucket

27、profile designceculIon ot aIct andresearch and de cIoiiciit andenvironmentmachinery. Keywords:friendly standards for the earthmovingBrief Analysis of Backlash Adjustment for SlewingMechanismThe text introduces mesh lashes of the swing reduction pinion with the swing circle gear plus the affecting fa

28、ctors and how to readjust. Through formula deduction we got that eccentric arm of the swing reduction gear and angle of the actual installation as relative to that of its initial installation does affect side lashes at the gear pair. Keywords: Swing reduction gear; Gear backlash;Adjustmentmachinery;

29、 Standard;EarthmovingAnalysisModel GYSPW2O8O Shot Blaster and Shot BlastingTreatment ProcessesTo treat road and bridge surface with shoot blasting becomes a newcomer advanced process to deal with problems in the local surface traffic for the recent several years. However, to execute this process nee

30、ds a special piece of equipment for the job, i.e. a shoot blaster to trim the pavement surface. The text beginning with basic working principles of the shot blaster introduces the model GYSPW2O8O shot blaster plus its make-up, basicfeatures, critical techniques, as well as range ofEngine Speed Signa

31、l Testing and Method of DigitalFilteringThe engine RPM as an important parameter in the construction machinery controls in a process, e.g. powerIAbstracts in Englis Icontrol, speed change and control. Therefore, it is ofimportant significance to quickly and precisely measure out the RPM and minimize

32、 affection by the interference signals while reducing measurement loads as much as possible at the control system so as to increase stability and respondent capability of the control system. We considered structural formation of the RPM measuring system with analyses of the correspondent measurement

33、s and filtering methods before put forth concrete measurements and filtering methods while verifying actual tests and filtering results.Keywords: Engine; RPM; Test; Digital filteringstraight travel performance of the roller itself. Therefore,we tested vibratory amplitude along tread of the single dr

34、um vibratory roller and found serious bias-vibration existing there at 8.8% bias-vibration amplitude at high vibration rate, and 7.6% at a lower vibration rate. We according to structural parameters of the single vibratory drum roller set up an ADAMS model for the vibratorydrum while simulating vibr

35、atory amplitude evenness ofthe vibrating drum, thus effectively improvingbiasvibration of the vibratory roller by means of minimizingbias displacement of energizing center in the vibratory drum as off mass center of the vibratory body. Keywords: Vibratory compactor; Deflectivevibration; Test; ADAMS;

36、 SimulationShaft Modal Analysis of Power System of HybridPower ExcavatorsWe through finite element computation had got top 10Cooling System of aLoader6-ton Energy-Saving Typeof modular frequency and vibrationmode,gradesrespectively, for the diesel engine shaft series and themotor shaft series. There

37、on, we through finite element computation had got top 10 grades of modular frequency and vibration mode, respectively, for the mixed power shaft series. Computation results show that as compared with common power systems there is a decrease of individual modular frequencies in the mixed power shaft

38、series as a result of the electric motor insertion, buthigher than that of the electric motor shaft series. Such aIt introduces a 6 t power saving type wheel loader as anproduct of the Tianjinresearch and developmentResearch Institute of Construction Machinery itself. Theresearch and development ind

39、cpendent radiating-cooling system consists of a fan, fixed displacement pump, fixed displacement motor, proportional relief valve, temp sensor, temp control valve, monitors, etc. The cooling fan is driven through an independent controllable hydraulic system and a fuzzy control way so as to cool down

40、 simultaneously the 3 media of engine coolant, hydraulicoil, and the torque converter oil. The systems featuresdecrease is mainly because of grades ofmodularfrequency in the electric motor shaft series are obviouslyhigher than that of the diesel engine shaft series, which was followed by a trial test and analysis of the vibration signals at the mixed power shaft series. Test results show that signa