CN101545915B - 基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法，通过利用感应同步器的电磁多普勒效应，以FPGA为硬件平台，实现了电机转速的精确测量。将被测电机与感应同步器同轴安装，对感应同步器采用双相激磁单相输出鉴相使用方式，在电机以一定速度转动时，感应同步器输出信号频率发生变化。测量输出信号的频率，取其与输入激磁信号频率差值，经过信号处理，就可以精确获得电机转速。本方法优点在于测量转速准确度高，自适应调整测量范围，可在高转速条件下正常工作。

Description

基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法

技术领域：

本发明涉及电机转速测量技术，具体指一种基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法，它应用于各个领域的电机转速测量，特别是航空领域高精度电机转速测量。

背景技术：

在工程实践中，经常会有各种需要测量转速的场合，例如在电机的运转和控制中，需要实时测量并反馈转速，以完成电机的闭环控制算法。因航空的特殊环境，转速测量方法要求环境适应性好，工作稳定性高。

传统的转速测量方法主要有三种：分别是测速发电机测速，光电脉冲法测速，以及感应同步器差分测速。测速发电机是一种微特电机，其输出电动势和转速成线性关系，检测其输出电动势就能获其转速，其最大的缺点是低速测量时，要求测速发电机的体积和质量做的很大。光电脉冲测速采用反射原理，经由来自仪器的红外线光束，再被对象上的反射贴反射到仪器，对反射波进行处理即可得到转速，这种方法受到接收装置和接收距离范围的限制。感应同步器差分测速是利用感应同步器测得角位置量，将角位置量差分得到转速，这种方法的缺点在于感应同步器在动态时测得的角位置存在动态误差，且在高转速情况下无法使用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于多普勒效应的电机转速测量方法，来解决现有测速技术存在的技术不足。

本发明实现框图如图1所示。整个测量系统由安装在电机上的感应同步器，前置放大器，滤波模块，整形模块，FPGA硬件平台构成。感应同步器采用360对极，定子分段绕组，转子连续绕组的旋转式感应同步器，精度为1个角秒。前置放大器采用仪表放大器，共模抑制比要求80dB以上；滤波电路采用有源带通滤波器，Q值最小要求为15；整形模块采用比较器，电压摆率要求3V/us以上。

感应同步器选择分段绕组激磁鉴相工作方式，对感应同步器输入两路幅度相等，相位严格正交的一定频率的激磁信号。两路激磁信号的幅度误差和相位误差直接影响最后的测速精度，必须控制在0.01％以内；激磁信号的频率大小受感应同步器工作频率限制，一般为1kHz-10kHz。

在激磁信号的作用下，感应同步器输出信号中除了频率与激磁信号频率相关的基波，还有噪声和谐波分量。为了达到高测速精度对信号质量的要求，必须对感应后的信号进行放大，滤波以及整形，将信号中的噪声以及谐波滤掉，最后经比较器整形成方波后送入FPGA。在FPGA中选取合适的算法测得输出信号基波信号频率。

设感应同步器输出信号频率为f_output，由于感应同步器输出信号频率f_output不高，为10³Hz量级，因此采取测周期法。用高频率时钟脉冲f_T来填充信号，这种方法在周期测量误差为：

$\frac{1}{f_{\mathrm{output}}}(1-\frac{N\±1}{N})$

其中：

$N=\frac{f_T}{f_{\mathrm{output}}}$

当f_output为低频，f_T很高时频率测量精度高。

在动态的境况下，感应同步器输入激磁信号与输出信号之间会发生多普勒效应。如图2所示，以参考波形上升沿为观察点，设感应同步器输入激磁信号频率为f_input。在静态情况下，输入波形与输出波形之间相对位置不变，感应同步器输入激磁信号频率f_input与感应同步器输出信号基波信号频率f_output相等；在感应同步器以一定转速转动时，输出信号波形以一定的速度远离或靠近输入信号波形。

设输入信号波形周期为T＝1/f_input，波长λ，则其传输速度为c＝λ/T＝f_inputλ/s。

假设感应同步器输出信号波形每隔时间T对观察点发出一个波列。当静止状态时，两个波列时间距离为T，距离间隔为λ＝cT。当电机以x°/s的速度顺时针旋转，对于360对级感应同步器，感应同步器输出波以V＝xλ/s的速度远离参考点。

在每两个相邻的波列之间的时间里波形移动的距离为：VT＝xTλ/s，于是下一个波峰到达观察点所需的时间便增加了

所以，相邻的两个波峰到达观察者那里所需的时间就为T′＝T+xT/f_input。

输出信号的频率为：

$f_{\mathrm{output}}=1/T^{\′}=f_{\mathrm{input}}\frac{{f_{\mathrm{input}}}^{\′}}{{f_{\mathrm{input}+x}}^{\′}}$

而

$x=|f_{\mathrm{input}}-f_{\mathrm{output}}|\left|\frac{f_{\mathrm{input}}}{f_{\mathrm{output}}}\right|$

因此转速计算公式为：

$V=|f_{\mathrm{input}}-f_{\mathrm{output}}|\left|\frac{f_{\mathrm{input}}}{f_{\mathrm{output}}}\right|$

根据以上分析，可得到电机转向判断方法为，当输出信号基波信号频率小于输入激磁信号频率，电机正方向转动；当输出信号基波频率大于激磁信号频率，电机反方向转动。

当测量电机以角速度为

转动时，参考徐凤霞，曾鸣，苏宝库在《哈尔滨理工大学学报》第8卷第1期发表的“鉴相型感应同步器动态测角系统研究”，感应同步器输出为：

$e=k{E}_m(1-\frac{{\mathrm{\ω}}_D}{\mathrm{\ω}})\sin (\mathrm{\ωt}-a_D)$

其中：k为电压传递系数，E_m为输出电势幅值，ω为激磁信号频率，ω_D为机械轴转速。由以上公式可知，当感应同步器转速太大，可能导致输出信号幅度太小影响到转速测量。由于激磁信号频率可控制，因此可通过调整激磁信号频率自适应调整测量范围。存储电机当前转速值，当转速值偏大时，增加感应同步器输入激磁信号频率，使测量方法的测量范围变大；当转速值偏小时，减小感应同步器输入激磁信号频率，缩小测量方法的测量范围。

本发明的测量操作步骤如图3所示，包括：

1，感应同步器激磁信号的发生。选择一定对极的旋转式感应同步器，对感应同步器输入幅度相等，相位严格正交的一定频率的激磁信号。

2，感应同步器输出信号基波频率的测量。在电机以一定转速转动时，对感应同步器输出信号做放大滤波处理，测量输出信号基波频率。

3，转速的获取以及转动方向的判断。利用输入输出信号频率差值，求得电机转速值；比较输入激磁信号频率和输出信号基波信号频率大小判断电机转向。

4，自适应调整测量范围。存储电机当前转速值，当转速值偏大时，增加感应同步器输入激磁信号频率，使测量方法的测量范围变大；当转速值偏小时，减小感应同步器输入激磁信号频率，缩小测量方法的测量范围。

本发明的优点在于：

1，本发明环境适应性好，工作稳定性高，可以应用于航空等特殊速度测量场合，测速效果好。

2，本发明可自适应调整转速测量范围，鲁棒性好。

附图说明：

图1为转速测量系统框图。

图2为感应同步器多普勒效应示意图。

图3为本发明操作步骤流程图。

图4为FPGA硬件实现算法流程图。

具体实施方式：

根据说明书中所述的转速测量方法，以下结合具体的实例和附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

实例采用电子科技集团第21研究所生产的无刷直流电机的电机轴作为被测物体，额定转速：3000转/分；转速可调范围：3000±10％；转速稳定度：≤1％。转速测量系统结构框图如图3所示。系统由感应同步器，信号处理电路，FPGA硬件平台构成。

其中：感应同步器采用中国船舶工业6354所生产的360对极，定子分段绕组，转子连续绕组的旋转式感应同步器，精度为0.5″，质量1.2Kg。选择双相激磁单相输出鉴相工作方式，控制FPGA对感应同步器输入两路幅度相等，相位严格正交的一定频率的激磁信号，初始激磁频率2.5KHz。激磁信号幅度误差小于0.01％，相位误差小于0.01％。

信号处理电路由前置放大器，滤波模块，整形模块三部分组成。前放电路采用仪表放大器AD620，共模抑制比100dB，放大倍数200倍。滤波电路采取8阶连续有源滤波器Max274，Q值最大可到50，将信号中的噪声，谐波干净的滤掉。整形电路选用LM139，供电电压5V时，其电压摆率为3.84V/us，失调电压2mV，将正弦波整形为方波送入FPGA。

FPGA算法如图4所示。算法首先使用周期测量法测量感应同步器输出信号基波频率，计算得到当前转速值并判断电机转向。根据当前速度值自适应调整转速测量范围，比较感应同步器输出信号基波频率与激磁信号频率，当输出信号基波频率过低或接近两倍激磁信号频率大小，增加输入激磁信号频率，使测速范围变大，在新的测量范围内重新测得转速。

Claims (5)

1.一种基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法，它由安装在电机上的感应同步器、前置放大器、滤波模块、整形模块和FPGA硬件平台实现，其特征在于：测量按以下步骤进行：

第一步，选择一定对极的旋转式感应同步器，将感应同步器与电机同轴安装，以FPGA为硬件平台，对感应同步器输入幅度相等，相位严格正交的一定频率的激磁信号；

第二步，在电机以一定转速转动时，对感应同步器输出信号做放大滤波整形处理，测量输出信号基波信号频率；

第三步，利用输入激磁信号频率与输出信号基波信号频率，求得电机转速值；比较输入激磁信号频率和输出信号基波信号频率大小判断电机转向；

转速计算公式为：

$V=|f_{\mathrm{input}}-f_{\mathrm{output}}|\left|\frac{f_{\mathrm{input}}}{f_{\mathrm{output}}}\right|$

其中，f_input为感应同步器输入激磁信号频率，

f_output为感应同步器输出信号基波信号频率，

V为待测电机转速，

判断电机转向方法为：当输出信号基波信号频率小于输入激磁信号频率，电机正方向转动；当输出信号基波信号频率大于激磁信号频率，电机反方向转动；

第四步，存储电机当前转速值，当转速值偏大时，增加感应同步器输入激磁信号频率，使测量方法的测量范围变大；当转速值偏小时，减小感应同步器输入激磁信号频率，缩小测量方法的测量范围。

2.根据权利要求1所述的一种基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法，其特征在于：所述的感应同步器采用360对极，定子分段绕组，转子连续绕组的旋转式感应同步器，精度为1个角秒，以分段绕组激磁鉴相方式工作。

3.根据权利要求1所述的一种基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法，其特征在于：所述的前置放大器为仪表放大器，其共模抑制比80dB以上。

4.根据权利要求1所述的一种基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法，其特征在于：所述的滤波模块采用有源带通滤波器，其Q值最小为15。

5.根据权利要求1所述的一种基于感应同步器多普勒效应的电机转速测量方法，其特征在于：所述的整形模块采用比较器，电压摆率3V/us以上。

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