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1、(10)申请公布号 CN 103616039 A (43)申请公布日 2014.03.05 CN 103616039 A (21)申请号 201310613274.3 (22)申请日 2013.11.27 G01D 5/12(2006.01) (71)申请人 联合汽车电子有限公司 地址 201206 上海市浦东新区榕桥路 555 号 (72)发明人 秦运柏 程广欣 鲜志刚 潘文 姚伟 余志洋 (74)专利代理机构 上海浦一知识产权代理有限 公司 31211 代理人 殷晓雪 (54) 发明名称 一种磁电式信号检测系统的参数匹配方法 (57) 摘要 本申请公开了一种磁电式信号检测系统的参 数匹配方。
2、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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 3 页 (19)中华。
3、人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103616039 A CN 103616039 A 1/2 页 2 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 ； 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。
4、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 |UDG1Z| 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UDG1Z为特征信号之后首个一般信号的负峰值电压， UDGNZ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 数值进入第 4 步。
5、 ； 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 。
6、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、 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。
7、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 |UDG1Z| 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 权 利 要 求 书 CN 103616039 A 2 2/2 页 3 统后近似计算。 权 利 要 求 书 CN 103616039 A 3 1/6 页 4 一种磁电式信号检测系统的参数匹配方法 技术领域 0001。
8、 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 0002 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。 0003 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。
9、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。 0004 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 0005 本申请所要解决的技术问题是提供一种。
10、快捷的磁电式信号检测系统的参数匹配 方法。 0006 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 ： 0007 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 ； 0008 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 ； 0009 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 ； 0010 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 ； 0011 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 ； 0012 当参考信号仅由一般信号组成时， 直接进入第 5 步。
11、 ； 0013 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 |UDG1Z| 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 UDG1Z为特征信号之后首个一般信号的负峰值电压， UDGNZ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 ； 说 明 书 CN 103616039 A 4 2/6 页 5 0014 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。
12、 各参数值并重复第 4 步 ； 0015 所述方法的第 1、 2、 3 步的顺序可以任意调换。 0016 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 ： 0017 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。 0018 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。 0019 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 0020 图 1 是本申请磁电式信号检测系。
13、统的参数匹配方法的流程图 ； 0021 图 2a、 图 2b 是两种类型的磁电式信号的示意图 ； 0022 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 ； 0023 图 4 是本申请的一个实施例的信号处理电路的示意图 ； 0024 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 0025 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 ： 0026 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。
14、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。 0027 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。 0028 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。
15、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。 0029 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。 0030 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 说 明 书 CN 103616039 A 5 3/6 页 6 元来建立参考信号。 0031 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、 。
16、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。 0032 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。 0033 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。 0034 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。 0035 如采用频域表达式， 状态方程一般是 (s)=(sI-A)-1(0_)+(sI-A)-1BE(s) 的 形式， 输出。
17、方程一般是 R(s)=C(sI-A)-1(0_)+C(sI-A)-1B+DE(s) 的形式。其中， (s) 为状态变量， E(s) 为输入信号， R(s) 为输出信号， (0_) 为起始状态， I 为单位矩阵， A、 B、 C、 D 均为方程常数矩阵。 0036 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 (t)=L-1(sI-A)-1(0_)+L-1(sI-A)-1BL-1E(s) 的形式， 输出方程一般是 r(t)=C L-1(sI-A)-1(0_)+CL-1(sI-A)-1B+D(t)L-1E(s) 的形式。其中， (t) 为冲击函数。 00。
18、37 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。 0038 如果参考信号仅有一般信号组成， 则直接进入第 5 步。 0039 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 |UDG1Z| 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UDG1Z为特征 信号之后首个一般信号的负峰值电压， UDGNZ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。。
19、 0040 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。 0041 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。 0042 磁电式信号检测系统的信号处。
20、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。 说 明 书 CN 103616039 A 6 4/6 页 7 0043 上述方法的第 1、 2、 3 步的顺序可以任意调换。 0044 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。
21、与现有的实测结果非常一致。 0045 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。 0046 磁电式转速信号由一般信号和特征信号组成。 0047 其一般信号的表达式为 ui1=Nmcos(t+0)。其中 ui1为一般信号的瞬时电 压值， N 为转速传感器的线圈匝数， m为转速传感器的最大磁通量， 为磁通量变化的角 频率， 0为初始相位角。显然该一般信号的最大值 Umax与角频率 成正。
22、比， 而 =2f， 因此该一般信号的最大值 Umax就与该一般信号的频率 f 成正比。取 Umax=Nm， 则有 ui1=Umaxcos(t+0)。 0048 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 ui2=Umix(v-t)me-(v-t) U(t)-Ut-v-Umixtme-t。其中 u12是特征信号的瞬时电压值， Umix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， 为衰减因子， v 为混合指数函数 的时延， T 为磁电式转。
23、速信号的周期。 0049 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 ui=ui1+ui2=Umix(v-t)me-(v-t)U(t)-U(t-v)-Umixtme-t+Umaxcos(t+。)。 0050 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ui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。
24、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。 0051 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 ： 0052 第 1 步， 建立一个用来模拟磁电式转速信号的参考信号 uj， 如图 5 所示。在本实 施例中， uj=ui。参考信号 uj的的最低频率 fmin=15Hz， 最高频率 fmax=7500Hz， 与磁电式转 速信号 ui保持一致。在最低频率点， 参考信号 uj中的一般信号 uj1的正、 负峰值分别为 0.24V、 -0.24V， 参考信号 uj中的特征信号 uj2的正、 负峰值分别为。
25、 0.3V、 -0.3V。在最高频 率点， 参考信号 uj中的一般信号 uj1的正、 负峰值分别为 120V、 -120V， 参考信号 uj中的特征 信号 uj2的正、 负峰值分别为 150V、 -150V。 0053 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 ： 0054 其一， 该信号处理电路的最大允许电压为 150V ； 0055 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） ； 说 明 书 CN 103616039 A 7 5/6 页 8 0056 其三， 该信号处理。
26、电路的最大允许功耗为 250mW。 0057 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 1k8k之间， 第二电阻R2在5k20k之间， 第三电阻R3在5k20k之间， 第 一电容C1在0.5nF5nF之间， 第二电容C2在68nF470nF之间， 第一电感Ls在300mH 1000mH 之间， 以上取值范围均包含两端点。 0058 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。
27、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。 0059 状态方程 ： 0060 0061 输出方程 ： 0062 0063 式中， 1(t) 为磁电式转速传感器的输出电流， 2(t) 为第一电容 C1两端电压， 3(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。 0064 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 5k， 第二电阻 R2取值 10k， 第三电阻 R3取值 10k， 第一电容 C1取值 0.75nF， 第二电容 C2取值 100nF， 第一电感 Ls 取值 400m。
28、H。将这一组参数值代入第 3 步建立的输出方程中， 计算出 ： 0065 在最低频率点， 特征信号之后首个一般信号的负峰值电压UDG1Z为-0.2V， 一般信号 在无衰减情况下的正峰值电压 UDGNZ为 0.2V。 0066 在最高频率点， 特征信号之后首个一般信号的负峰值电压 UDG1Z为 -22.1V， 一般信 号在无衰减情况下的正峰值电压 UDGNZ为 31.0V。 0067 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， 说 明 书 CN 103616039 A 8 6/6 页。
29、 9 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。 0068 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|UDG1Z|6V 或者的条件， 则重新选取一组参数值直至符合条件为止。 0069 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 ： 0070 0071 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 1=-207990.97， 2=-13988.44， 3=-1909.47。由于 |1|2|， |1|3|， 其中 表示远大于即大 于 10 倍以上， 那么利用主导极点的特。
30、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 ： 0072 0073 将第 4 步通过的一组参数值代入， 得到 =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。 0074 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。 说 明 书 CN 103616039 A 9 1/3 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 103616039 A 10 2/3 页 11 图 2a 图 2b 图 3 说 明 书 附 图 CN 103616039 A 11 3/3 页 12 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103616039 A 12 。