CN102735869B - 一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量方法及装置，装置包括模拟信号隔离单元、数字信号光电隔离单元、F/V转换单元、数模转换单元和计算机采集与计算单元；对直流无刷推进器输出的转速数字脉冲信号进行模拟信号隔离、光电隔离后转化为0～5V的转速数字脉冲信号，进一步进行F/V变换，输出模拟电压信号，将模拟电压信号转化为数字量并进一步转化为电压值后，对电压值进行V/F转换，得到转速数字脉冲信号的频率，通过频率/转速转换得到直流无刷推进器螺旋桨转速。本发明具有较强的抗干扰能力，测速误差小，转速测量装置与直流无刷推进器之间实现模拟信号和数字信号光电隔离，确保了直流无刷推进器和测量装置工作可靠性。

Description

一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及水下直流无刷推进器领域，具体为一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量方法及装置。

背景技术

直流无刷推进器是自主水下航行器（AUV）和无人水面船（USV）最常用的推进装置，通过调节直流无刷推进器的螺旋桨转速来控制AUV和USV的航向和航行速度。因此，AUV和USV的控制系统需要测量螺旋桨的转速来进行反馈控制。

目前，通常采用的基于数字脉冲信号的转速测量方法有以下两种：

（1）频率计数法。该方法首先将数字脉冲信号进行光电隔离，转化为TTL电平的数字脉冲信号，然后用计算机的计数器进行计数。计算机根据单位时间内所记录的脉冲个数，从而可以计算出转速。该方法的优点是计算机与被测对象之间实现了完全的电气隔离，确保了被测对象与转速测量装置的工作可靠性。但是，当数字脉冲信号存在较大的电磁干扰时，其干扰信号也作为脉冲个数被记录下来，从而造成较大的测速误差。

（2）频率/电压转换法。该方法首先将数字脉冲信号通过频率/电压（F/V）转换装置转化为与脉冲信号频率成正比的电压信号，然后用计算机的A/D进行采样。根据采样得到的电压可以计算出脉冲信号的频率，再根据脉冲信号的频率就可以计算出转速。该方法的优点是测速抗干扰能力强，缺点是转速测量装置与被测对象之间没有实现完全的电气隔离，造成转速测量装置与被测对象之间相互干扰，造成系统的可靠性较差。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量方法及装置。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对直流无刷推进器输出的转速数字脉冲信号进行模拟信号隔离并输出V_out1；

步骤2：对模拟信号隔离后的转速数字脉冲信号V_out1进行光电隔离，转化为0～5V的转速数字脉冲信号V_out2；

步骤3：采用F/V转换电路，对0～5V的转速数字脉冲信号V_out2按下式进行F/V变换，并输出模拟电压信号V_out3

$V_{\mathrm{out}3}=\frac{A}{0.15\×F\×\mathrm{Hz}}\×(C_1+4.4\×{10}^{-11}F)\×R_3\×f_1$

其中，f₁为信号V_out2的频率，单位为Hz；V_out3为F/V变换输出的电压，单位为V；R₃为F/V变换电路的可调输入电阻，单位为Ω；C₁为F/V变换电路的定时电容，单位为F；

步骤4：对F/V变换后的模拟电压信号V_out3进行模数转换后转化为数字量；

步骤5：将步骤4得到的数字量转化为电压值V_out4；

步骤6：将电压值V_out4按下式进行V/F转换，得到转速数字脉冲信号的频率f

$f=0.15\frac{F\×\mathrm{Hz}}{A}\frac{V_{\mathrm{out}4}/R_3}{C_1+4.4\×{10}^{-11}F}$

其中，f为频率，单位为Hz；V_out4为采样得到的电压值，单位为V；

步骤7：将步骤6得到的转速数字脉冲信号频率f按下式进行频率/转速换算，得到推进器螺旋桨的转速

n=2.5f

其中n为转速，单位为r/m。

所述一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量装置，其特征在于：包括模拟信号隔离单元、数字信号光电隔离单元、F/V转换单元、数模转换单元和计算机采集与计算单元；模拟信号隔离单元采用电压跟随器对直流无刷推进器输出的转速数字脉冲信号进行模拟信号隔离；数字信号光电隔离单元对模拟信号隔离后的转速数字脉冲信号进行光电隔离，转化为0～5V的转速数字脉冲信号；F/V转换单元对0～5V的转速数字脉冲信号进行F/V变换，并输出模拟电压信号；数模转换单元将模拟电压信号转化为数字量；计算机采集与计算单元将数字量转化为电压值，并对电压值进行V/F转换，得到转速数字脉冲信号的频率，由转速数字脉冲信号的频率通过频率/转速转换得到水下直流无刷推进器螺旋桨转速。

有益效果

本发明提出的方法及装置对水下直流无刷推进器输出的转速数字脉冲信号具有较强的抗干扰能力，测速误差小，而且转速测量装置与直流无刷推进器之间实现了模拟信号和数字信号的光电隔离，确保了直流无刷推进器和转速测量装置的工作可靠性。

附图说明

附图1是直流无刷推进器输出的原始转速数字脉冲信号；

附图2是本发明直流无刷推进器螺旋桨转速测量装置的结构框图；

附图3是本发明实施例模拟信号隔离单元电路原理图；

附图4是本发明实施例数字信号光电隔离单元电路原理图；

附图5是本发明实施例经过模拟信号隔离和数字信号光电隔离后的转速数字脉冲信号；

附图6是本发明实施例F/V转换单元电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中采用的水下直流无刷推进器为美国TECNADYNE公司开发生产的直流无刷推进器，该推进器集成了直流无刷电机、直流无刷电机控制器及螺旋桨于一体，具有体积小、重量轻、使用方便等优点，最大耐压深度可达1500m。直流无刷电机控制器采用+12VDC供电，用于转速控制的指令为-5VDC～+5VDC，输出的是0～12VDC的转速数字脉冲信号，用于螺旋桨转速测量。但是，由于直流无刷电机与直流无刷电机控制器被密封在一个很小的空间内，输出的转速数字脉冲信号受到直流无刷电机的电磁干扰，存在较大的干扰。图1给出了MODEL521型直流无刷推进器输出的原始转速数字脉冲信号，从图中可以看出原始信号存在较大的干扰，如果采用频率计数法进行转速测量，就会存在较大的测速误差。

因此本实施例中采用不同的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：对直流无刷推进器输出的0～12V的转速数字脉冲信号进行模拟信号隔离并输出V_out1；

步骤2：对模拟信号隔离后的转速数字脉冲信号V_out1进行光电隔离，转化为0～5V的转速数字脉冲信号V_out2；

步骤3：采用F/V转换电路，对0～5V的转速数字脉冲信号V_out2按下式进行F/V变换，并输出模拟电压信号V_out3

$V_{\mathrm{out}3}=\frac{A}{0.15\×F\×\mathrm{Hz}}\×(C_1+4.4\×{10}^{-11}F)\×R_3\×f_1$

其中，f₁为信号V_out2的频率，单位为Hz；V_out3为F/V变换输出的电压，单位为V；R₃为F/V变换电路的可调输入电阻，单位为Ω；C₁为F/V变换电路的定时电容，单位为F；式中A、F、Hz均为单位符号；

步骤4：对F/V变换后的模拟电压信号V_out3进行模数转换后转化为数字量；

步骤5：将步骤4得到的数字量转化为电压值V_out4；

步骤6：将电压值V_out4按下式进行V/F转换，得到转速数字脉冲信号的频率f

$f=0.15\frac{F\×\mathrm{Hz}}{A}\frac{V_{\mathrm{out}4}/R_3}{C_1+4.4\×{10}^{-11}F}$

其中，f为频率，单位为Hz；V_out4为采样得到的电压值，单位为V；式中A、F、Hz均为单位符号；

步骤7：将步骤6得到的转速数字脉冲信号频率f按下式进行频率/转速换算，得到推进器螺旋桨的转速

n=2.5f

其中n为转速，单位为r/m。

本实施例中采用的测量装置如图2所示，包括模拟信号隔离单元、数字信号光电隔离单元、F/V转换单元、数模转换单元和计算机采集与计算单元。

模拟信号隔离单元采用电压跟随器对直流无刷推进器输出的转速数字脉冲信号进行模拟信号隔离，其输入阻抗高、输出阻抗低，这样转速测量装置就不会对直流无刷推进器的正常工作产生影响，而且该单元的输出电压不受转速测量装置后级电路的影响，起到很好的隔离作用。图3是本发明实施例模拟信号隔离单元电路原理图。模拟信号隔离单元采用一个电压跟随器，隔离运算放大器采用AD712。该芯片采用双电源供电，其中正电源管脚（即引脚8）采用+V_CC1供电，V_CC1为15VDC，负电源管脚（即引脚4）采用-V_CC1供电。为了提高该芯片的抗干扰性能，在电源管脚与地之间都串接了一个0.1μF的电容C2和C4。该芯片的同相输入端（即引脚3）输入直流无刷推进器的原始转速数字脉冲信号，反相输入端（即引脚2）与放大器的输出端（即引脚1）相连，放大器的输出端输出模拟信号隔离后的转速信号V_out1。此外，为了提高系统的抗干扰能力，在放大器的输出端与V_CC1电源地之间并联一个电阻R1和电容C5。

数字信号光电隔离单元对模拟信号隔离后的转速数字脉冲信号进行光电隔离，转化为0～5V的转速数字脉冲信号，使直流无刷推进器与计算机采集与计算单元之间实现了完全的电气隔离，保证了系统的工作可靠性。图4是本发明实施例数字信号光电隔离单元电路原理图。光电隔离器件采用6N137。经过模拟信号隔离后的转速信号V_out1经由电阻R2，引入光电隔离器件6N137输入端的阳极（即引脚2），输入端的阴极（即引脚3）接芯片AD712的电源地；光电隔离器件6N137的电源管脚（即引脚8）和使能管脚（即引脚7）采用+V_CC2供电，V_CC2为5VDC，在电源管脚与V_CC2电源地之间串联了一个0.1μF的去耦电容C6；光电隔离器件6N137输出端的发射极（即引脚5）接V_CC2的电源地，集电极（即引脚6）通过一个上拉电阻R4与+V_CC2电源相连，并输出光电隔离后的转速信号V_out2。

图5是本发明实施例经过模拟信号隔离和数字信号光电隔离后的转速数字脉冲信号。从图中可以看出，经过模拟信号隔离和数字信号光电隔离后，原始转速信号中脉冲干扰得到了很好的抑制。

F/V转换单元对0～5V的转速数字脉冲信号进行F/V变换，并输出模拟电压信号V_out3。图6是本发明实施例F/V转换单元电路原理图。F/V转换芯片采用高精度的电压/频率转换模块AD650，它可以实现高线性度的频率/电压转换。该芯片采用双电源供电，其中正电源管脚（即引脚12）采用+V_CC3供电，V_CC3为15VDC，负电源管脚（即引脚5）采用-V_CC3供电，模拟地管脚（即引脚11）接V_CC3电源地，且将模拟地管脚与数字地管脚（即引脚10）进行短接。为了提高该芯片的抗干扰性能，在电源管脚与电源地之间都串接了一个0.1μF的电容C7和C8；单稳定时电容管脚（即引脚6）通过定时电容C1接V_CC3电源地；运放失调调整管脚（即引脚13和引脚14）通过一个可调电阻R5来调节电压，其可调电压由+V_CC3通过电阻R6来提供；输入的转速脉冲信号V_out2经耦合电容C3首先送到比较器管脚（即引脚9），再通过电阻R5送到数字地管脚（即引脚10）；运放输出管脚（即引脚1）输出F/V变换后的电压V_out3，并分别通过可调输入电阻R3和积分电容C9反馈至运放的反相输入管脚（即引脚3），运放的同相输入管脚（即引脚2）接V_CC3的电源地。经过F/V转换，运放输出管脚输出的电压V_out3满足

$V_{\mathrm{out}3}=\frac{A}{0.15\×F\×\mathrm{Hz}}\×(C_1+4.4\×{10}^{-11}F)\×R_3\×f_1,$

其中，f₁为信号V_out2的频率，单位为Hz。

数模转换单元将模拟电压信号V_out3转化为数字量。计算机采集与计算单元将数字量转化为电压值V_out4，并对电压值V_out4按

$f=0.15\frac{F\×\mathrm{Hz}}{A}\frac{V_{\mathrm{out}4}/R_3}{C_1+4.4\×{10}^{-11}F}$

进行V/F转换，得到转速数字脉冲信号的频率f。

由转速数字脉冲信号的频率f，按

n=2.5f

式进行频率/转速转换得到水下直流无刷推进器螺旋桨转速n。

总之，本发明提出的一种直流无刷推进器螺旋桨转速测量方法与装置，具有较强的抗干扰能力，测速误差小，而且测量装置与直流无刷推进器实现了模拟隔离和光电隔离，避免了直流无刷推进器与转速测量装置的相互干扰，确保了它们的工作可靠性。

Claims (2)

1.一种水下直流无刷推进器螺旋桨转速的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对直流无刷推进器输出的转速数字脉冲信号进行模拟信号隔离并输出V_out1；

步骤2：对模拟信号隔离后的转速数字脉冲信号V_out1进行光电隔离，转化为0～5V的转速数字脉冲信号V_out2；

步骤3：采用F/V转换电路，对0～5V的转速数字脉冲信号V_out2按下式进行F/V变换，并输出模拟电压信号V_out3

$V_{\mathrm{out}3}=\frac{A}{0.15\×F\×\mathrm{Hz}}\×(C_1+4.4\×{10}^{-11}F)\×R_3\×f_1$

其中F、Hz、A分别为电容、频率和电流的单位符号，f₁为信号V_out2的频率，单位为Hz；V_out3为F/V变换输出的模拟电压信号，单位为V；R₃为F/V转换电路的可调输入电阻，单位为Ω；C₁为F/V转换电路的定时电容，单位为F；

步骤4：对F/V变换后的模拟电压信号V_out3进行模数转换后转化为数字量；

步骤5：将步骤4得到的数字量转化为电压值V_out4；

步骤6：将电压值V_out4按下式进行V/F转换，得到转速数字脉冲信号的频率f

$f=0.15\frac{F\×\mathrm{Hz}}{A}\frac{V_{\mathrm{out}4}/R_3}{C_1+4.4\×{10}^{-11}F}$

其中F、Hz、A分别为电容、频率和电流的单位符号，f的单位为Hz；V_out4的单位为V；

步骤7：将步骤6得到的转速数字脉冲信号频率f按下式进行频率/转速换算，得到推进器螺旋桨的转速

n＝2.5f

其中n为转速，单位为r/m。

2.一种采用权利要求1中所述方法的水下直流无刷推进器螺旋桨转速测量装置，其特征在于：包括模拟信号隔离单元、数字信号光电隔离单元、F/V转换单元、数模转换单元和计算机采集与计算单元；模拟信号隔离单元采用电压跟随器对直流无刷推进器输出的转速数字脉冲信号进行模拟信号隔离；数字信号光电隔离单元对模拟信号隔离后的转速数字脉冲信号进行光电隔离，转化为0～5V的转速数字脉冲信号；F/V转换单元对0～5V的转速数字脉冲信号进行F/V变换，并输出模拟电压信号；数模转换单元将模拟电压信号转化为数字量；计算机采集与计算单元将数字量转化为电压值，并对电压值进行V/F转换，得到转速数字脉冲信号的频率，由转速数字脉冲信号的频率通过频率/转速转换得到水下直流无刷推进器螺旋桨转速。

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