基于锁相环的柴油机转速检测

摘 要：介绍了内燃机车干阻试验中一种柴油机转速检测的新方法。该方法的转速信号取自与柴油机同轴相连的发电机，并采用锁相环技术实现信号的倍频。实际运用证明，该检测方法易于操作，测速准确、稳定，精度高，完全满足生产要求。

关键词：柴油机转速   倍频   锁相

中图分类号：TK427          文献标识码：A              文章编号：1006-7973（2006）08-0153-02

一、引言

内燃机车干阻试验的目的是检查机车总组装或修理后机组安装的准确性，并对他们进行磨合；调整柴油机－发电机组的功率；确保内燃机车各部件安装正确，动作可靠，运行安全。其中柴油机的转速是非常重要的一个检测参数。干阻试验中柴油机转速的测量要求准确、易于操作。目前测量转速的方法很多，但大多数方法都要求在被测设备上安装辅助传感元件，甚至涉及到被测设备上现有装置的拆装，这极大地增加了试验人员的劳动强度，延长了试验时间；另外，某些传感元件的机械性能和光电性能并不适合于内燃机车试验现场恶劣的工作环境(如机械振动，强电磁干扰等)。因此，我们研究提出一种新的柴油机转速检测方法。

二、检测系统简介

1．检测系统原理

我国生产的内燃机车柴油机—发电机组中发电机多为三相交流发电机，以DF4型内燃机车为例，柴油机曲轴与TQFR-3000型发电机通过弹性联轴器相连(同步旋转)，它有9对磁极。若柴油机旋转1周，发电机定子绕组一相将输出9个按正弦规律变化的周波。因此，按照柴油机旋转1周发电机一相产生固定数量正弦波的规律，我们把发电机作为测速机，任选一相将其输出波形处理成对应的脉冲信号，然后对脉冲进行精确计数，就可以得到对应的转速。

在本检测系统中，直接从机车主整流柜交流母排上采集电信号，此信号经过限幅、滤波、稳压后，送给过零比较器以产生同频率的脉冲信号，该脉冲信号经史密特触发器整形后进入倍频电路，倍频后的信号送入到信号后处理电路以进行信号放大和提高驱动，最后由PLC计数送入工控机。整个测量系统原理如图1所示。

 图1  检测系统原理框图

2．信号的前端处理电路

从发电机交流母线上采集到的信号电压比较高，（900V左右），且存在着高频干扰信号，不宜直接进行检测，需要进行前端处理，前端处理电路如图2所示，首先输入的信号通过R1、R2进行分压，使其变为低压信号，再通过R3、C1组成的低压滤波电路滤去高频干扰信号，过滤后的信号通过D1、D2组成的限幅电路，信号被两个反向并联的二极管钳位于0.7V左右，为了进一步提高被测信号的品质，钳位后的信号再次进行低通滤波，滤波后的信号送入过零比较器，在过零比较器的输出端得到的信号是方波信号，为了减小干扰，此信号通过光耦和后边的倍频电路隔离，在信号进行倍频之前通过史密特触发器进行整形，以得到更为标准的方波信号。

 图2  信号前端处理电路

3．倍频电路

本检测方法的关键环节是利用数字锁相环4046加法计数器4518组成倍频电路，极大的提高了检测精度。当柴油机的工作转速为400－1000r/min时，它所对应的频率仅为6.67-16.67Hz，从母线上采样的一相信号为60-150Hz。显然这样低的频率使测量的精度不够（祥见误差分析），尤其是柴油机在低速运转时，精度很低。因此必须对转速信号进行倍频。

数字锁相环4046能够完成两个电信号相位同步的自动控制。它由相位比较器、压控振荡器、低通滤波器三部分组成。在4046中压控振荡器的输出接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压大小决定。施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号与来自压控振荡器的输出信号相比较，比较结果产生的误差输出电压正比于外部输入信号和压控振荡器的输出信号两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压。这个平均值电压朝着减小压控振荡器输出频率和输入频率之差的方向变化，直至压控振荡器输出频率和输入信号频率获得一致。这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。

图3是利用数字锁相环4046与BCD加法计数器4518构成的50倍频电路。图3中，经传感器采集并预处理过的信号从信号输入端（14管脚）输入，压控振荡器的输出信号（4管脚）经4518分频后反馈至比较信号输入端（3管脚），鉴相后的信号从相位比较器2（13管脚）输出，此信号经低通滤波处理后送给压控振荡器输入端（9管脚），输出信号频率由压控振荡器输入信号和6、7管脚间的电容C1和11、12管脚上的电阻R1、R2决定。在本电路中选取合适的C1、R1、R2使其实现50倍频的功能。通过倍频后的输出信号频率为3-7.5kHz。

  图3  倍频电路

此外，从发电机交流母线上采集到的信号为按正弦规律变化的周波，此信号经过信号前端处理电路后为脉冲信号，受前端处理电路中滤波电路的影响，其占空比随输入信号的频率变化而变化，并不是50%，经过倍频电路中4046的锁相，进入到检测后续电路的信号为占空比为50%的方波，这有助于提高信号后续处理中计数的准确。

三、误差分析

经过倍频和后续处理的信号进入PLC，利用PLC的高速计数功能测量在1s中的脉冲个数N，在测量时引入了 的误差，故其测量相对误差为：

当柴油机的转速为1000r/min时，相对误差

当柴油机的转速为400r/min时，相对误差

如果未进行倍频处理，当柴油机的转速为时为1000r/min其相对误差0.667%，当柴油机的转速为400r/min时其相对误差为1.667%显然进行倍频后的精度大大提高，尤其在低速运转时更为明显。由此可以看出在柴油机的整个转速范围，精度完全满足实际要求。

四、结束语

在本检测系统中，直接从机车主整流柜交流母排上采集电信号，方便易行，经过信号前端处理电路将其转化为易于检测的脉冲信号，再经过锁相环技术实现信号的倍频，极大的提高了检测精度，该测速方法具有十分独特的优点：① 较好的机械可靠性，受环境干扰小；② 直接从机车主整流柜交流母排上取电信号，操作十分便捷；③ 较高的测量精度和测量范围内较好的线性度。

参考文献

[1] 杨福生主编.电子技术.电工学II.北京.高等教育出版社.1989.

[2] 康华光主编.电子技术基础.第三版.北京.高等教育出版社.1988.

[3] 高嵩等.机车柴油机转速的检测方法与实现.机车电传动.2004.2.

Examines Huang Yongxiang based on the phase-locked loop

Huang  Yongxiang

Abstract：Introduced the diesel locomotive does in the anti- experiment one diesel engine rotational speed examination new method. This method rotational speed signal takes from with the diesel engine coaxial connected generator, and uses the phase-locked loop technology realization signal the frequency multiplication.The actual utilization proof, this examination method easy to operate, measured fast is accurate,is stable, the precision is high,satisfies the production request completely.

Keyword：Diesel engine rotational speed   Frequency multiplication   Phase-lock