CN103616039B - 一种磁电式信号检测系统的参数匹配方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种磁电式信号检测系统的参数匹配方法，第1步，建立一个峰值与频率之间具有线性关系的参考信号。第2步，根据信号检测边界条件确定其信号检测网络各元器件的参数取值范围。第3步，根据信号检测网络的实际结构建立状态方程和输出方程。第4步，选取一组参数值代入第3步建立的状态方程和输出方程中，如果满足峰值/峰值比要求，则进入下一步。第5步，以信号检测网络阻尼系数＞1为判断依据，验证所选取参数值得合理性。本申请可降低实测工作量、提高参数匹配的效率、有利于在网络结构复杂的信号处理电路中的应用。

Description

一种磁电式信号检测系统的参数匹配方法

技术领域

本申请涉及一种磁电式信号检测系统的参数匹配方法。

背景技术

磁电式信号检测系统主要由磁电式传感器、信号处理电路和处理芯片所组成。磁电式传感器也称磁电感应式传感器，是一种将被测物理量转变为感应电动势的装置，适用于转速、车速、振动、转速、扭矩等测量。磁电式传感器输出的是交流信号，并且其峰值与频率之间具有线性关系，即该交流信号的频率越大则峰值越大，反之亦然。信号处理电路用于将该交流信号通过分压、滤波、限幅等处理，转换为处理芯片能够处理的低电压的交流信号。

所述信号处理电路也称信号检测网络，是由电阻、电感、电容等元件所组成的电路，通常为阶数≥3的线性时不变(LTI)系统。线性系统的输入-输出关系采用传递函数(也称转移函数、系统函数)来描述。传递函数非常庞大，其中涉及到大量参数，这些参数就是信号处理电路中的各元件的电阻值、电感值、电容值等。由于传递函数不关注线性系统的内部变量，因此无法实现信号检测网络的参数匹配。

现有的磁电式信号检测系统的参数匹配方法是通过大量实验，不断调整信号处理电路中的各元件的电阻值、电感值、电容值等，最终得到一组可用参数。这种参数匹配方法存在效率低下、难以优化等缺点，严重制约了其实际应用。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种快捷的磁电式信号检测系统的参数匹配方法。

为解决上述技术问题，本申请磁电式信号检测系统的参数匹配方法包括如下步骤：

第1步，建立一个峰值与频率之间具有线性关系的参考信号；

参考信号或者仅由一般信号组成，或者由一般信号和特征信号组成；

第2步，根据信号检测边界条件确定信号处理电路中的各元器件的参数取值范围；

第3步，根据信号处理电路的结构建立状态方程和输出方程；

第4步，在第2步所确定的各参数的取值范围内，任意选取各参数值；

当参考信号仅由一般信号组成时，直接进入第5步；

当参考信号由一般信号和特征信号组成时，以所选取的一组参数值代入第3步建立的状态方程和输出方程中，如果|U_DG1Z|≥6V或者则进入第5步；否则，重新任意选取各参数值进入第4步；其中U_DG1Z为特征信号之后首个一般信号的负峰值电压，U_DG1Z是一般信号在无衰减情况下的正峰值电压、或负峰值电压的绝对值；

第5步，以第4步所选取的一组参数值计算该信号处理电路的阻尼系数；如果该阻尼系数＞1，则表明这一组参数值就是该信号处理电路所匹配的参数；否则，重新任意选取各参数值并重复第4步；

所述方法的第1、2、3步的顺序可以任意调换。

本申请磁电式信号检测系统的参数匹配方法具有如下优点：

其一，引用参考信号来替代实测的磁电式信号，能降低实测工作量，并在仿真软件中进行。

其二，与现有的通过多次实验测试来匹配参数的方法相比，本申请的方法有效地提高了参数匹配的效率。

其三，利用状态方程和输出方程替代了传递函数，从而可以观察到信号处理电路内部的状态变量的情况以及输出信号的情况，有利于在网络结构复杂的信号处理电路中的应用。

附图说明

图1是本申请磁电式信号检测系统的参数匹配方法的流程图；

图2a、图2b是两种类型的磁电式信号的示意图；

图3是磁电式信号经过信号处理电路后的输出信号的衰减示意图；

图4是本申请的一个实施例的信号处理电路的示意图；

图5是本申请的一个实施例的参考信号的示意图。

具体实施方式

本申请磁电式信号检测系统的参数匹配方法用来得到磁电式信号检测系统中的信号处理电路的各元器件的电阻值、电感值、电容值，即得到该信号处理电路的各元器件参数值。请参阅图1，其包括如下步骤：

第1步，建立一个峰值与频率之间具有线性关系的信号，称为参考信号。参考信号的频率越大，则峰值越大；反之亦然。参考信号用来模拟磁电式信号，即磁电式传感器的输出信号。

磁电式信号通常可分为两类。第一类磁电式信号是不断重复出现的一般信号。当频率稳定时该第一类磁电式信号如图2a所示，如果频率升高或降低，该第一类磁电式信号的峰值也将随之变大或变小。第二类磁电式信号是一般信号和特征信号的组合，特征信号在波形、峰值、频率的至少一方面明显区别于一般信号。当频率稳定时该第二类磁电式信号如图2b所示，在重复出现固定数量的一般信号之后夹杂一个或多个特征信号。

通常应根据磁电式信号来建立参考信号，使得两者的数学表达式一致。由于磁电式转速信号的峰值与频率成线性关系，因此只要知道在某一频率下，磁电式转速信号的峰值，就可以确定参考信号的数学模型。

对于第一类磁电式信号，可以采用正弦波、或三角波、或方波作为一般信号的基本单元来建立参考信号。

对于第二类磁电式信号，可以采用正弦波、或三角波、或方波作为一般信号的基本单元；再采用符合混合指数模型、或双指数模型、或高斯模型的信号作为特征信号的基本单元来建立参考信号。

第2步，根据信号检测边界条件确定信号处理电路中的各元器件的电阻值、电感值、电容值的取值范围，即得到该信号处理电路的各元器件参数的取值范围。

所述信号检测边界条件包括：该信号处理电路的最大允许电压、最小允许电压(即对信号检测的最低门限)、最大允许功耗。

基于最大允许电压和最大允许功耗，可以确定各元器件参数的最小取值。基于最小允许电压，可以确定各元器件参数的最大取值。

第3步，根据该信号处理电路的实际电路结构，即各个元器件之间的连接关系，建立矢量形式的状态方程和输出方程。

如采用频域表达式，状态方程一般是Λ(s)＝(sI-A)^-1λ(0_)+(sI-A)^-1B×E(s)的形式，输出方程一般是R(s)＝C(sI-A)^-1λ(0_)+[C(sI-A)^-1B+D]×E(s)的形式。其中，Λ(s)为状态变量，E(s)为输入信号，R(s)为输出信号，λ(0_)为起始状态，I为单位矩阵，A、B、C、D均为方程常数矩阵。

上述状态方程、输出方程也可经过拉普拉斯反变换，得到时域表达式。此时状态方程一般是λ(t)＝L^-1(sI-A)^-1λ(0_)+L^-1(sI-A)^-1B×L^-1E(s)的形式，输出方程一般是r(t)＝CL^-1(sI-A)^-1×λ(0_)+[CL^-1(sI-A)^-1B+Dδ(t)]×L^-1E(s)的形式。其中，δ(t)为冲击函数。

第4步，在第2步所确定的各元器件参数的取值范围内，任意选取各元器件的一个参数值。

如果参考信号仅有一般信号组成，则直接进入第5步。

当参考信号由一般信号和特征信号组成时，以所选取的一组参数值代入第3步建立的状态方程和输出方程中，如果|U_DG1Z|≥6V或者则进入第5步。否则，重新在各元器件参数的取值范围内任意选取一个参数值并重新进入第4步。其中U_DG1Z为特征信号之后首个一般信号的负峰值电压，U_DGNZ是一般信号在无衰减情况下的正峰值电压、或负峰值电压的绝对值；其中的判断条件优选为该步骤称为峰值/峰值比的合理性判断。

请参阅图3，当磁电式信号由一般信号和特征信号组成时，该磁电式信号经过信号处理电路之后的输出信号具有这样的特性：特征信号之后首个一般信号的负峰值通常有较大的衰减。除了特征信号之后首个一般信号以外，其余的一般信号即便有衰减也较小，可认为是无衰减情况。

第5步，以第4步所选取的一组参数值计算该信号处理电路的阻尼系数。如果该阻尼系数＞1，则表明这一组参数值就是该信号处理电路所匹配的参数。如果该阻尼系数≤1，则重新在各元器件参数的取值范围内任意选取一个参数值并重复第4步。该步骤称为阻尼系数的合理性判断。

磁电式信号检测系统的信号处理电路一般是复杂的RLC高阶系统，其阶数通常≥3。该步骤中可以直接计算阻尼系数，但是计算式较复杂。若信号处理电路能满足主导极点的要求，就可以忽略次要因素。因此优选地将高阶系统进行降阶，用典型二阶系统近似代替高阶系统，从而根据典型二阶系统的主导极点来确定阻尼系数的表达式。

上述方法的第1、2、3步的顺序可以任意调换。

现有的磁电式信号检测系统为了得到匹配的一组参数，需要在实际的信号处理电路上经过大量实验。而本申请则可以全部在仿真软件中运行，经由对比试验表明本申请的软件仿真结果与现有的实测结果非常一致。

下面就以一个具体的实施例对本申请进行详细说明。该实施例涉及一种磁电式转速信号的检测系统，由磁电式转速传感器、信号处理电路和处理芯片所组成。磁电式转速传感器输出磁电式转速信号，该信号用于提供发动机转速和曲轴上止点信息，可对发动机工况做出判断。

磁电式转速信号由一般信号和特征信号组成。

其一般信号的表达式为u_i1＝NΦ_mωcos(ωt+φ₀)。其中u_i1为一般信号的瞬时电压值，N为转速传感器的线圈匝数，Φ_m为转速传感器的最大磁通量，ω为磁通量变化的角频率，φ₀为初始相位角。显然该一般信号的最大值U_max与角频率ω成正比，而ω＝2πf，因此该一般信号的最大值U_max就与该一般信号的频率f成正比。取U_max＝NΦ_mω，则有u_i1＝U_maxcos(ωt+φ₀)。

其特征信号可以是符合双指数模型、混合指数模型、高斯模型的信号。为了分析方便，假设该特征信号是混合指数函数，其表达式为

u_i2＝U_mix(v-t)^me^-α(v-t)[U(t)-U(t-v)]-U_mixt^me^-αt。其中u_i2是特征信号的瞬时电压值，U_mix是混合指数函数的峰值电压，m是混合指数取值为正整数且取值范围为[1,3]，α为衰减因子，v为混合指数函数的时延，T为磁电式转速信号的周期。

综合上面的一般信号和特征信号，磁电式转速信号的数学表达式为u_i＝u_i1+u_i2＝U_mix(v-t)^me^-α(v-t)[U(t)-U(t-v)]-U_mixt^me^-αt+U_maxcos(ωt+φ₀)。

磁电式转速信号还需要经由信号处理电路进行处理，才能够输出给处理芯片检测出发动机转速。常用的信号处理电路是由电阻、电容和电感构成的RLC负载网络，本实施例的信号处理电路的等效模型如图4所示。磁电式转速信号u_i的两个端子之间串联有第一电感Ls和第一电容C₁，串联的第一电阻R₁和第二电容C₂作为一个支路与第一电容C₁并联，该支路的两端分别通过第二电阻R₂和第三电阻R₃作为输出信号u₀的两个端子。

为了获得信号处理电路中各元器件的至少一组匹配的参数值，本申请采用如下步骤：

第1步，建立一个用来模拟磁电式转速信号的参考信号u_j，如图5所示。在本实施例中，u_j＝u_i。参考信号u_j的的最低频率f_min＝15Hz，最高频率f_max＝7500Hz，与磁电式转速信号u_i保持一致。在最低频率点，参考信号u_j中的一般信号u_j1的正、负峰值分别为0.24V、-0.24V，参考信号u_j中的特征信号u_j2的正、负峰值分别为0.3V、-0.3V。在最高频率点，参考信号u_j中的一般信号u_j1的正、负峰值分别为120V、-120V，参考信号u_j中的特征信号u_j2的正、负峰值分别为150V、-150V。

第2步，在图4所示的信号处理电路中，各个元器件的电阻值、电感值、电容值的取值范围受到以下因素限制：

其一，该信号处理电路的最大允许电压为150V；

其二，该信号处理电路的最小允许电压为30mV(即最小信号强度，由处理芯片的最小阈值决定)；

其三，该信号处理电路的最大允许功耗为250mW。

根据以上三个信号检测边界条件，可以得到三个相应的等效阻抗。通过信号处理电路的电路结构以及三个等效阻抗，即可得到各个元器件的取值范围为：第一电阻R₁在1kΩ～8kΩ之间，第二电阻R₂在5kΩ～20kΩ之间，第三电阻R₃在5kΩ～20kΩ之间，第一电容C₁在0.5nF～5nF之间，第二电容C₂在68nF～470nF之间，第一电感Ls在300mH～1000mH之间，以上取值范围均包含两端点。

第3步，根据基尔霍夫电流电压定律，建立图4所示的信号处理电路的矢量形式的状态方程。根据图4可知,第二电阻R2、第三电阻R3对信号处理电路的影响可忽略，因此建立如下的矢量状态方程和输出方程。

状态方程：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\λ}}_1\left(t\right)\\ {\mathrm{\λ}}_2\left(t\right)\\ {\mathrm{\λ}}_3\left(t\right)\end{array}\right)=L^{-1}\[{\left(s\×\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)-\left(\begin{array}{ccc}0& \frac{-1}{L_S}& 0\\ \frac{1}{C_1}& \frac{-1}{C_1{R}_1}& \frac{1}{C_1{R}_1}\\ 0& \frac{1}{C_2{R}_1}& \frac{-1}{C_2{R}_1}\end{array}\right)\right)}^{-1}\×\left(\begin{array}{c}\frac{1}{L_S}\\ 0\\ 0\end{array}\right)\]\×L^{-1}\[U_i\left(s\right)\]$

输出方程：

$\begin{array}{c}r\left(t\right)=\left(\begin{array}{ccc}0& 1& 0\end{array}\right)\×L^{-1}\[{\left(s\×\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)-\left(\begin{array}{ccc}0& \frac{-1}{L_S}& 0\\ \frac{1}{C_1}& \frac{-1}{C_1{R}_1}& \frac{1}{C_1{R}_1}\\ 0& \frac{1}{C_2{R}_1}& \frac{-1}{C_2{R}_1}\end{array}\right)\right)}^{-1}\×\left(\begin{array}{c}\frac{1}{L_S}\\ 0\\ 0\end{array}\right)\]\\ \×L^{-1}\[U_i\left(s\right)\]\end{array}$

式中，λ₁(t)为磁电式转速传感器的输出电流，λ₂(t)为第一电容C₁两端电压，λ₃(t)为第二电容C₂两端电压，r(t)为磁电式转速处理电路的输出。

第4步，在第2步所确定的各元器件参数的取值范围内，任意选取各元器件的一个参数值，第一电阻R₁取值5kΩ，第二电阻R₂取值10kΩ，第三电阻R₃取值10kΩ，第一电容C₁取值0.75nF，第二电容C₂取值100nF，第一电感Ls取值400mH。将这一组参数值代入第3步建立的输出方程中，计算出：

在最低频率点，特征信号之后首个一般信号的负峰值电压U_DG1Z为-0.2V，一般信号在无衰减情况下的正峰值电压U_DG1Z为0.2V。

在最高频率点，特征信号之后首个一般信号的负峰值电压U_DG1Z为-22.1V，一般信号在无衰减情况下的正峰值电压U_DG1Z为31.0V。

由于磁电式信号的峰值与频率之间存在着线性关系，而在最低频率点、最高频率点最容易出现特征信号后的首个一般信号无法识别的问题，因而只要这两处都符合条件，磁电式信号那么在其余频率点也必然符合条件，进入第5步。

如果所选取的一组参数值在最低频率点、或最高频率点有一处不符合|U_DG1Z|≥6V或者的条件，则重新选取一组参数值直至符合条件为止。

第5步，利用状态方程求解过程中的中间变量(即信号处理电路的极点)确定系统的阻尼系数。首先得到极点的计算公式为：

$\left|\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\α}& \frac{1}{L_S}& 0\\ -\frac{1}{C_1}& \mathrm{\α}+\frac{1}{C_1{R}_1}& -\frac{1}{C_1{R}_1}\\ 0& -\frac{1}{C_2{R}_1}& \mathrm{\α}+\frac{1}{C_2{R}_1}\end{array}\right]\right|=0$

根据状态方程的特征根，可得到该信号处理电路的极点分别为α₁＝-207990.97，α₂＝-13988.44，α₃＝-1909.47。由于|α₁|＞＞|α₂|，|α₁|＞＞|α₃|，其中>>表示远大于即大于10倍以上，那么利用主导极点的特性可简化为典型二阶系统，从而确定信号处理电路的阻尼系数的简化计算式为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2R_1\sqrt{\frac{C_1}{L_S}}}$

将第4步通过的一组参数值代入，得到ξ＝1.92＞1。因此这一组参数值就是图4所示的信号处理电路的一组匹配的参数。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，包括如下步骤：

第1步，建立一个峰值与频率之间具有线性关系的参考信号；

参考信号或者仅由一般信号组成，或者由一般信号和特征信号组成；

一般信号为正弦波、或三角波、或方波；

特征信号在波形、峰值、频率的至少一方面明显区别于一般信号；

第2步，根据信号检测边界条件确定信号处理电路中的各元器件的参数取值范围；

第3步，根据信号处理电路的结构建立状态方程和输出方程；

第4步，在第2步所确定的各参数的取值范围内，任意选取各参数值；

当参考信号仅由一般信号组成时，直接进入第5步；

当参考信号由一般信号和特征信号组成时，以所选取的一组参数值代入第3步建立的状态方程和输出方程中，如果|U_DG1Z|≥6V或者则进入第5步；否则，进入第4步重新任意选取各参数值；其中U_DG1Z为特征信号之后首个一般信号的负峰值电压，U_DGNZ是一般信号在无衰减情况下的正峰值电压、或负峰值电压的绝对值；

第5步，以第4步所选取的一组参数值计算该信号处理电路的阻尼系数；如果该阻尼系数＞1，则表明这一组参数值就是该信号处理电路所匹配的参数；否则，进入第4步重新任意选取各参数值；

所述方法的第1、2、3步的顺序可以任意调换。

2.根据权利要求1所述的磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，所述方法第1步中，当磁电式信号是不断重复出现的一般信号，则以正弦波、或三角波、或方波作为一般信号的基本单元来建立参考信号；

当磁电式信号是重复出现固定数量的一般信号之后夹杂一个或多个特征信号，则以正弦波、或三角波、或方波作为一般信号的基本单元；再以符合混合指数模型、或双指数模型、或高斯模型的信号作为特征信号的基本单元来建立参考信号。

3.根据权利要求1所述的磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，所述方法第1步中，参考信号用来模拟磁电式信号，两者的数学表达式一致。

4.根据权利要求1所述的磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，所述方法第2步中，信号检测边界条件包括：该信号处理电路的最大允许电压、最小允许电压及最大允许功耗。

5.根据权利要求1所述的磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，所述方法第3步中，状态方程和输出方程或者采用频域表达式，或者采用时域表达式。

6.根据权利要求1所述的磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，所述方法第4步中，的判断条件改为

7.根据权利要求1所述的磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，所述方法第4步中，当参考信号由一般信号和特征信号组成时，以所选取的一组参数值代入第3步建立的状态方程和输出方程中，在最低频率点和最高频率点验证|U_DG1Z|≥6V或者

8.根据权利要求1所述的磁电式信号检测系统的参数匹配方法，其特征是，所述方法第5步中，阻尼系数或者直接计算，或者根据主导极点将信号处理电路降阶为典型二阶系统后近似计算。