CN103033639A - 滞环切换的自适应电机转速测量方法 - Google Patents

滞环切换的自适应电机转速测量方法 Download PDF

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Abstract

滞环切换的自适应电机转速测量方法，它公开一种适用于安装有增量式光电编码器的电机的转速测量方法，它先利用滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS；接着根据转速段VS自适应设置下一测量周期编码器脉冲数NP；再测量NP个编码器脉冲的时间长度Tb；然后，结合NP、Tb和编码器线数m，计算电机转速n；最后再返回到滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS，进行下一周期的转速测量。它通过滞环切换和自适应结合的方法，可以在全转速范围内准确快速且无振荡的测量电机转速，克服现有电机转速测量方法在准确性、快速响应性以及速度振荡三者之间存在矛盾的缺陷。

Description

滞环切换的自适应电机转速测量方法
技术领域
本发明涉及电机转速测量技术领域，具体来说是用于安装有增量式光电编码器的电机的一种转速测量方法。 
背景技术
工业自动化、机器人、汽车、精密数控机床、航空航天等许多领域，通常采用光电编码器测量电机转速，实现系统的闭环、半闭环控制。处理光电编码器信号实现电机转速测量的常用方法有：T法、M法和MT法。T法局限于低速测量，M法局限于高速测量，MT法在整个转速范围内都有较好的准确性，但是，如果为提高低速测量精度，选择采样时间偏长，会降低高速段的响应速度；如果为提高高速段的响应速度，选择采样时间偏短，则降低了低速段的测量精度，因此，很难选择一个合适的采样时间。基于M/T法基础上，一些改进的测量方法被提出，专利CN200510010206.3“自适应机动车发动机转速或车行速度测量”，通过两个临界速度和加减速状态，选择使用T法或M法测得的转速作为测量转速，既能适用于低速也能适用于高速测量，但是它分段少，不易提高高速段的快速响应。文章“High-PerformancePosition Detection and Velocity Adaptive Measurement for Closed-Loop Position Control”和“Accurate velocity evaluation using adaptive sampling interval”将速度分成多段，自适应的根据预估速度或是当前速度，改变采样间隔，可以提高低速测量精度，也能减少高速响应时间，但在相邻速度段间的切换，只使用一个切换速度，使得在这些切换速度附近产生速度振荡，从而降低测量精度。因此，使用上述某一种测量方法，还不能同时解决准确性、快速性和速度振荡之间的矛盾。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电机转速测量的方法，实现对安装有增量式光电编码器的电机的无振荡自适应高精度的转速测量，以克服现有电机转速测量方法在准确性、快速响应性以及速度振荡三者之间存在矛盾的缺陷。 
本发明的滞环切换的自适应电机转速测量方法，通过以下步骤实现： 
步骤001：开始； 
步骤002：利用滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS； 
步骤003：根据转速段VS自适应设置下一测量周期编码器脉冲数NP； 
步骤004：测量NP个编码器脉冲的时间长度Tb； 
步骤005：计算电机转速n； 
返回步骤002。 
步骤002利用滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS，实现方法是，将电机额定转速范围内转速分为N+1个转速段，每两个相邻的转速段间切换用滞环切换，总共有N个切换 滞环，设第k（k=1,2,…N）个切换滞环的上限转速值为H(k)，下限转速值为L(k)，中间转速值为S(k)，则VS(k-1)转速段的转速范围在L(k-1)和H(k)间，VS(k)转速段的转速范围在L(k)和H(k+1)间，VS(k+1)转速段的转速范围在L(k+1)和H(k+2)间，其中，L(k)和H(k)间转速既属于VS(k-1)转速段又属于VS(k)转速段，形成第k个切换滞环，L(k+1)和H(k+1)间转速既属于VS(k)转速段又属于VS(k+1)转速段，形成第k+1个切换滞环，因此，判断当前转速n属于哪一转速段VS，具体步骤为： 
步骤201：判断转速n大小； 
步骤202：如果n>H(k)且n<L(k+1)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤203：如果n>=L(k)且n<=H(k)，转速n在第k个切换滞环内，则判断上一周期转速段L_VS是哪一转速段； 
步骤204：如果L_VS=VS(k-1)，则转速n属于VS(k-1)转速段； 
步骤205：如果L_VS=VS(k)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤206：如果L_VS!=VS(k-1)且L_VS!=VS(k)，则判断电机加速还是减速； 
步骤207：如果是加速，则转速n属于VS(k-1)转速段； 
步骤208：如果是减速，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤209：如果n>=L(k+1)且n<=H(k+1)，转速n在第k+1个切换滞环内，则判断上一周期转速段L_VS是哪一转速段； 
步骤210：如果L_VS=VS(k+1)，则转速n属于VS(k+1)转速段； 
步骤211：如果L_VS=VS(k)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤212：如果L_VS!=VS(k)且L_VS!=VS(k+1)，则判断电机加速还是减速； 
步骤213：如果是加速，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤214：如果是减速，则转速n属于VS(k+1)转速段； 
确定转速n所属转速段后，进入步骤003。 
步骤003根据转速段VS自适应设置下一测量周期编码器脉冲数NP，通过事先对每一转速段对应的设置编码器脉冲数NPx（x=0,1,2…N-1,N），然后，自适应的根据转速段VS，设置下一测量周期编码器脉冲数NP，具体步骤是： 
步骤301：如果，VS=0，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP0； 
步骤302：如果，VS=1，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP1； 
步骤303：如果，VS=2，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP2； 
步骤304：如果，VS=N-1，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NPN-1； 
步骤305：如果，VS=N，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NPN； 
步骤004：测量NP个编码器脉冲的时间长度Tb，是利用DSPs（Digital Signal Processors,数字信号处理器）芯片的eQEP（Enhanced Quadrature Encoder Pulse，增强型正交编码脉冲）模块或是FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）实现。 
步骤005计算电机转速n，是结合编码器脉冲数NP，NP个脉冲的时间长度Tb和编码器线数m，利用公式（1）计算电机转速n， 
n = 60 &times; NP m &times; Tb - - - ( 1 )
其中，Tb单位为秒(s)，n单位为转每分钟(rpm)。 
本发明方法的切换滞环个数N，一般取6-9。 
为使在电机额定转速范围内，都能准确和快速的测量电机转速，且能够避免转速段间切换振荡，本方法采用一种滞环切换的自适应方法测量电机转速。通过判断转速所属转速段，自适应的改变所测量的编码器脉冲数NP，在低速时，测量编码器脉冲数少，在高速时，测量编码器脉冲数多，再结合NP个编码器脉冲的时间长度Tb和编码器线数m，计算出电机转速，从而提高低速的测量精度，减少高速的测量时间，使得在全速度范围内都能准确和快速的测量电机转速。为避免转速段间切换振荡，在判断转速所属转速段的过程中，引入滞环切换的方法，当转速不在切换滞环内，则很容易的判断转速所属转速段，当转速在切换滞环内，则再根据上一周期转速段，判断转速所属转速段，如果上一周期转速段，是切换滞环的相邻两个转速段之一，则当前转速段和上一转速段一样。但在电机转速急剧增大或急剧减小时，有可能转速在切换滞环内且上一周期转速段不是切换滞环相邻的两个转速段之一，则判断电机是在加速还是减速，如果加速，则当前转速段是切换滞环相邻的两个转速段中转速较小的那个转速段，如果是减速，则当前转速段是切换滞环相邻的两个转速段中转速较大的那个转速段。使用本发明的滞环切换的自适应电机转速测量方法，可以在全速度范围内准确快速且无振荡的测量电机转速，从而提高闭环系统的性能。 
附图说明
图1是本发明的方法流程图 
图2是本发明方法的滞环切换原理示意图 
图3是本发明方法的滞环切换方法流程图 
图4是本发明方法的滞环切换实例图 
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明，如图1本发明的实施方式由以下步骤实现： 
步骤001：开始； 
步骤002：利用滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS； 
步骤003：根据转速段VS自适应设置下一测量周期编码器脉冲数NP； 
步骤004：测量NP个编码器脉冲的时间长度Tb； 
步骤005：计算电机转速n； 
返回步骤002。 
其中，步骤002利用滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS，实现方法是将电机额定转速范围内转速分为N+1个转速段，每两个相邻的转速段间切换用滞环切换，总共有N个切换滞环，如图2设第k（k=1,2,…N）个切换滞环的上限转速值为H(k)，下限转速值为L(k)，中间转速值为S(k)，则VS(k-1)转速段的转速范围在L(k-1)和H(k)间，VS(k)转速段的转速范 围在L(k)和H(k+1)间，VS(k+1)转速段的转速范围在L(k+1)和H(k+2)间，其中，L(k)和H(k)间转速既属于VS(k-1)转速段又属于VS(k)转速段，形成第k个切换滞环，L(k+1)和H(k+1)间转速既属于VS(k)转速段又属于VS(k+1)转速段，形成第k+1个切换滞环。因此，判断当前转速n属于哪一转速段VS，具体步骤如图3： 
步骤201：判断转速n大小； 
步骤202：如果n>H(k)且n<L(k+1)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤203：如果n>=L(k)且n<=H(k)，转速n在第k个切换滞环内，则判断上一周期转速段L_VS是哪一转速段； 
步骤204：如果L_VS=VS(k-1)，则转速n属于VS(k-1)转速段； 
步骤205：如果L_VS=VS(k)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤206：如果L_VS!=VS(k-1)且L_VS!=VS(k)，则判断电机加速还是减速； 
步骤207：如果是加速，则转速n属于VS(k-1)转速段； 
步骤208：如果是减速，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤209：如果n>=L(k+1)且n<=H(k+1)，转速n在第k+1个切换滞环内，则判断上一周期转速段L_VS是哪一转速段； 
步骤210：如果L_VS=VS(k+1)，则转速n属于VS(k+1)转速段； 
步骤211：如果L_VS=VS(k)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤212：如果L_VS!=VS(k)且L_VS!=VS(k+1)，则判断电机加速还是减速； 
步骤213：如果是加速，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤214：如果是减速，则转速n属于VS(k+1)转速段； 
确定转速n所属转速段后，进入步骤003。 
步骤003根据转速段VS自适应设置下一测量周期编码器脉冲数NP，事先对每一转速段对应的设置编码器脉冲数NPx（x=0,1,2…N-1,N），NPx具体大小根据用户具体需要选择，低转速段NP小，高转速段NP大。然后，自适应的根据转速段VS，设置下一测量周期编码器脉冲数NP，具体步骤是： 
步骤301：如果，VS=0，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP0； 
步骤302：如果，VS=1，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP1； 
步骤303：如果，VS=2，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP2； 
步骤304：如果，VS=N-1，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NPN-1； 
步骤305：如果，VS=N，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NPN； 
步骤004：测量NP个编码器脉冲的时间长度Tb，是利用DSPs（Digital Signal Processors,数字信号处理器）芯片的eQEP（Enhanced Quadrature Encoder Pulse，增强型正交编码脉冲）模块或是FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）实现。 
在步骤004获得NP和Tb值后，步骤005结合编码器脉冲数NP，时间长度Tb(s)和编码器线数m，利用公式（1）计算电机转速n(rpm)。 
n = 60 &times; NP m &times; Tb - - - ( 1 )
其中，Tb单位为秒(s)，单位为转每分钟(rpm)。 
本发明方法的切换滞环个数N，一般取6-9。图4是N=9的一个实例，测量的电机额定转速是3000rpm，编码器线数是2048。将0到3000rpm范围内转速分为10段，形成9个切换滞环，切换滞环的中间转速分别为1.5、5、30、60、200、500、1000、2200、3000rpm。切换滞环的上限值和下限值依据中间转速而定，偏差取0.5、1、5、10、50rpm等，具体如图4。 
最后说明的是本发明的滞环切换的自适应电机转速测量方法不局限于上述实施例，还可以做出各种修改、变换和变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术方案进行修改、修饰或等同变化，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (5)

1.滞环切换的自适应电机转速测量方法，适用于安装有增量式光电编码器的电机，其特征在于它由下述步骤实现： 
步骤001：开始； 
步骤002：利用滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS； 
步骤003：根据转速段VS自适应设置下一测量周期编码器脉冲数NP； 
步骤004：测量NP个编码器脉冲的时间长度Tb； 
步骤005：计算电机转速n； 
返回步骤002。 
2.如权利要求1所述的步骤002利用滞环切换方法判断转速n属于哪一转速段VS，其特征在于，将电机额定转速范围内转速分为N+1个转速段，每两个相邻的转速段形成一个切换滞环，N+1个转速段共有N个切换滞环，设第k（k=1,2，...N）个切换滞环的上限转速值为H(k)，下限转速值为L(k)，中间转速值为S(k)，则VS(k-1)转速段的转速范围从L(k-1)到H(k)，VS(k)转速段的转速范围从L(k)到H(k+1)，VS(k+1)转速段的转速范围从L(k+1)到H(k+2)，其中，从L(k)到H(k)间转速既属于VS(k-1)转速段又属于VS(k)转速段，形成第k个切换滞环，从L(k+1)到H(k+1)间转速既属于VS(k)转速段又属于VS(k+1)转速段，形成第k+1个切换滞环，因此，判断当前转速n属于哪一转速段VS，具体步骤为： 
步骤201：判断转速n大小； 
步骤202：如果n>H(k)且n<L(k+1)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤203：如果n>=L(k)且n<=H(k)，转速n在第k个切换滞环内，则判断上一周期转速段L_VS是哪一转速段； 
步骤204：如果L_VS=VS(k-1)，则转速n属于VS(k-1)转速段； 
步骤205：如果L_VS=VS(k)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤206：如果L_VS!=VS(k-1)且L_VS!=VS(k)，则判断电机是处于加速还是减速状态； 
步骤207：如果是加速，则转速n属于VS(k-1)转速段； 
步骤208：如果是减速，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤209：如果n>=L(k+1)且n<=H(k+1)，转速n在第k+1个切换滞环内，则判断上一周期转速段L_VS是哪一转速段； 
步骤210：如果L_VS=VS(k+1)，则转速n属于VS(k+1)转速段； 
步骤211：如果L_VS=VS(k)，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤212：如果L_VS!=VS(k)且L_VS!=VS(k+1)，则判断电机是处于加速还是减速状态； 
步骤213：如果是加速，则转速n属于VS(k)转速段； 
步骤214：如果是减速，则转速n属于VS(k+1)转速段； 
确定转速n所属转速段后，进入步骤003。 
3.如权利要求1所述的步骤003根据转速段VS自适应设置下一测量周期编码器脉冲数NP，其特征在于，事先对每一转速段对应的设置编码器脉冲数NPx（x=0,1,2…N-1,N），然后，自适应的根据转速段VS，设置下一测量周期编码器脉冲数NP，具体步骤是： 
步骤301：如果，VS=0，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP0； 
步骤302：如果，VS=1，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP1； 
步骤303：如果，VS=2，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NP2； 
步骤304：如果，VS=N-1，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NPN-1； 
步骤305：如果，VS=N，则设置下一测量周期编码器脉冲数NP为NPN； 
4.如权利要求1所述的步骤005计算电机转速n，其特征在于，根据编码器脉冲数NP，NP个脉冲的时间长度Tb和编码器线数m，利用公式（1）计算电机转速n， 
其中，Tb单位为秒(s)，n单位为转每分钟(rpm)。 
5.如权利要求2所述的切换滞环个数N，一般取6-9。 
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