CN103560743B - 电动机转速检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动机转速检测方法和装置，其基于施密特触发电路对频率发动机发出的频率信号进行整形，得到整形后的方波信号；将整形后得到的方波信号转换成窄脉冲信号；并对所述窄脉冲信号进行与频率发动机的输出频率对应的ON/OFF控制，输出锯齿波信号或者三角波信号；然后再与转速设定用的基准电压信号E_S进行比较，并根据比较结果控制电动机的转速。由于信号处理过程中基本上不会产生误差，所以能够精确控制电动机的转速。

Description

电动机转速检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种测量技术，尤其涉及一种电动机转速控制方法和装置。

背景技术

电动机转速的稳定性，对于产品的品质影响越来越明显。要想提高电动机工作的稳定性，必须能够正确地检测出电动机的转速并对其进行有效的控制。

目前检测和控制电动机转速一般是采用桥式伺服控制技术，桥式伺服控制系统的基本原理如图1所示，桥式伺服控制电路应能自动调节电源电压Eb，使桥臂输出电压始终保持E_ab＝0，这时应有E_c/E_R＝(R1+R2)/R1。由于桥臂参数R1和R2的电阻值已经确定，因此如果事先设定好了E_R值，则反电动势E_c就是确定的，也就是说，电动机的转速N就被确定了。如果E_R不变，转速N就会稳定不变，这样一来就达到稳定电动机转速的目的。改变设定电压E_R的大小，电动机的转速N也会随之改变，从而可以达到调节电动机转速的目的。

现有技术一般利用直流桥式伺服控制系统检测和控制电动机转速，电动机转速控制系统的电路如图2所示。这种电路通过设定基准电压E1，利用可变电阻器V_R作为分压器，用来获得转速设定电压E_R，继而控制电动机的转速。由于电动机本身的材质容易受温度影响，随着温度的变化，电动机的反电动势E_c和电枢电阻都会产生较大误差，从而导致上述现有技术的直流桥式伺服控制系统的转速控制精度降低。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题与缺陷，本发明提供一种电动机转速控测方法和装置，通过本发明，能够将频率发电机FG(FrequencyGenerator)输出的交流频率信号直接转换成与之成比例的频率信号来对电动机转速进行检测和控制，且信号处理过程中不会产生误差，所以能够精确控制电动机的转速。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种电动机转速控制方法，其包括：

基于施密特触发电路对频率发动机发出的频率信号进行整形，得到整形后的方波信号；

将整形后得到的方波信号转换成窄脉冲信号；并对所述窄脉冲信号进行与频率发动机的输出频率对应的ON/OFF控制，输出锯齿波信号或者三角波信号；

将锯齿波信号和基准电压方波信号进行比较，得到与所述锯齿波信号频率一致且与所述基准电压方波信号电压一致的方波信号；

利用积分电路，对比较后得到的方波信号进行低通滤波处理，得到电动机频率控制信号；

基于所述电动机频率控制信号对电动机转速进行控制。

更进一步地，所述电动机转速控制方法还包括：对所述电动机频率控制信号进行放大；所述基于所述电动机频率控制信号对电动机转速进行控制的过程，具体包括：基于放大后的电动机频率控制信号对电动机转速进行控制。

本发明还提供一种电动机转速控制装置，其包括：

施密特触发电路，适于输入电动机频率信号并对其整形输出方波信号的；

连接所述施密特触发电路输出端，并适于将得到的方波信号转换成窄脉冲信号，并对所述窄脉冲信号进行与电动机的输出频率对应的ON/OFF控制输出锯齿波或三角波信号的单稳触发电路；

适于获得基准电压方波信号的基准电压电路；

连接所述单稳触发电路输出端和基准电压电路输出端，适于将锯齿波信号和基准电压方波信号进行比较得到与所述锯齿波信号频率一致且与所述基准电压方波信号电压一致的方波信号的比较电路；

连接比较电路另一端并适于低频滤波的积分电路；

所述积分电路输出端连接被控制的电动机控制端引线。

更进一步地，所述电动机转速控制装置还包括：放大电路，所述放大电路的一端连接所述积分电路，另一端连接电动机转速控制端引线。

更进一步地，所述施密特触发电路包括：

频率发动机，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，比较器A1，稳压二极管D1、稳压二极管D2；

频率发动机的一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接比较器A1的同相输入端，频率发动机的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接比较器A1的反向输入端，比较器A1的反相输入端连接电阻R3和稳压二极管D1的阴极的中间，电阻R3的另一端连接电源V1，稳压二极管D1的阳极接地；比较器A1的输出端与电阻R4和稳压二极管D2的阳极连接，并连接到比较器A1的同相出入端；稳压二极管D2的阴极连接所述施密特触发电路的输出端引线。

更进一步地，所述单稳触发电路包括：

电源，三极管T_r1，电容C1，电阻R6、电阻R7，二极管D3；

三极管T_r1的基极连接所述施密特触发电路的输出端引线，三极管T_r1的发射极连接电源，三极管T_r1的集电极引出两条支路，一条连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端引出两条支路，一条连接电阻R7的一端，另一条连接二极管D3的阳极并接地，三极管T_r1的另一条支路与电容C1串联，并连接电阻R7的另一端和二极管D3的阴极；电容C1的另一端接所述单稳触发电路的输出端引线。

更进一步地，所述基准电压电路包括：

电源，稳压二极管D2，电容C2，电阻R12、电阻R13和电阻R14；

电源连接电阻R14并连接三条支路，第一条连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地；第二条连接稳压二极管D2的阴极，稳压二极管D2的阳极接地；第三条与电阻R13和电阻R12串联，电阻R12的另一端接地；电阻R13的滑动端连接所述基准电压电路的输出端。

更进一步地，所述比较电路包括：

比较器A2，电阻R15；

比较器A2的同相输入端连接所述单稳触发电路的输出端引线，比较器A2的反向输入端连接所述基准电压电路的输出端，比较器A2的输出端连接电阻R15并接到比较器A2的同相输入端和所述比较电路的输出端引线。

更进一步地，所述积分电路包括：

电阻R17、电阻R18，电容C3；

电阻R18与电容C3串联并与电阻R17并联；所述电容C3的另一端接地，所述积分电路的输出端引线连接在所述电阻R18与电容C3之间。

更进一步地，所述放大电路包括：

达林顿三极管T_r4和达林顿三极管T_r5；

达林顿三极管T_r4的基极连接所述积分电路的输出端引线，发射极连接电源，集电极连接所述达林顿三极管T_r5的基极；所述达林顿三极管T_r5的发射极连接被控制电动机的输入引线，集电极接地。

由本发明上述方案可以看出，本发明将频率发电机FG处理后输出的频率信号直接转换成与之成比例的锯齿波信号(或三角波信号)V_F，然后再与转速设定用的基准电压信号E_S进行比较，并根据比较结果控制电动机的转速。由于信号处理过程中基本上不会产生误差，所以能够精确控制电动机的转速。

附图说明

图1是现有技术中的桥式伺服控制系统的基本原理图；

图2是现有技术中的电动机转速控制系统的电路图；

图3是一种F-V转换电路基本原理图；

图4是本发明中的一种电动机转速控制装置的电路图；

图5是本发明中的一种电动机转速控制装置的电路的等效电路。

具体实施方式

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明专利作进一步地详细描述。

本发明提出了一种电动机转速控制装置，该装置是基于F-V转换电路来实现电动机转速检测和控制的。

如图3所示是一种F-V转换电路。其基本原理是：从频率发电机FG或光电编码器输出交流频率信号(转速)，该频率信号经过施密特触发电路进行波形整形后，即变换成与输入的频率信号成正比例的电压信号V_F，接下来输入到单触发谐振振荡器，变成具有一定宽度的脉冲信号(单触发的脉冲宽度设定为略小于最大输入频率的周期)，然后通过低通滤波器对输出的电压信号V_F进行滤波。

若直接利用滤波后的电压信号V_F对电动机转速进行控制，就会影响伺服控制系统的输出精度。这是因为F-V转换电路所采用的低通滤波器，该低通滤波器的积分能力有限，所以低通滤波器的输出的电压信号V_F中仍然存在着一定的纹波(脉动)，假设利用电压信号V_F与设定的基准电压信号直接进行比较，最后在低通滤波器积分的时候，电压信号V_F中还会含有较大的纹波，这样势必会影响伺服控制系统的输出精度。若单纯为了消除电压信号V_F中的纹波，则需要将低通滤波器的积分时间常数去的很大，然而这样一来，F-V转换环节将会造成很大的时间延迟，也就很难保证伺服控制系统的稳定性。

考虑到上述原因，本发明提出的一种电动机转速控制装置在利用F-V转换电路时，首先将频率发动机FG输出的信号转换为锯齿波(或者三角波)，然后再与基准电压的方波信号比较，这样比较后输出的方波信号的频率是锯齿波(或者三角波)的频率，因此输出的电压信号中的纹波会大大减少，这样不仅能够保证伺服控制系统的稳定性，而且也能够提高伺服控制系统的输出精度。

图4为本发明提出的一种电动机转速控制装置的电路示意图，图5为电动机转速控制装置的等效电路示意图。该电动机转速控制装置包括：施密特触发电路、单稳触发电路、基准电压电路、比较电路、积分电路和放大电路。

施密特触发电路，用于输入电动机频率信号并对其整形输出方波信号；

单稳触发电路，连接于所述施密特触发电路，用于将得到的方波信号转换成窄脉冲信号，并对所述窄脉冲信号进行与电动机的输出频率对应的ON/OFF控制，输出锯齿波信号或者三角波信号；

基准电压电路，用于获得基准电压方波信号；

比较电路的输入端连接单稳触发电路的输出端和基准电压电路的输出端；比较电路的输出端连接积分电路；

放大电路的一端连接所述积分电路，另一端连接电动机转速控制端。

上述施密特触发电路包括：频率发电机FG，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，比较器A1，稳压二极管D1、稳压二极管D2；其连接关系如下：FG一端的信号连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接比较器A1的同相输入端，FG的另一端的信号连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接比较器A1的反向输入端，比较器的反相输入端连接电阻R3和稳压二极管D1的阴极的中间，电阻R3的另一端连接电源V1，稳压二极管D1的阳极接地。比较器A1的输出端与电阻R4和稳压二极管D2的阳极连接，并连接到比较器A1的同相出入端；稳压二极管D2的阴极连接单稳触发电路的输出端引线。

单稳触发电路包括：电源(如+12V的电源)，三极管T_r1，电容C1，电阻R6、R7，二极管D3；其连接关系如下：三极管T_r1的基极连接所述施密特触发电路的输出端引线，三极管T_r1的发射极连接电源，三极管T_r1的集电极引出两条支路，一条连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端引出两条支路，一条连接电阻R7的一端，另一条连接二极管D3的阳极并接地，三极管T_r1的另一条支路与电容C1串联，并连接电阻R7的另一端和二极管D3的阴极；电容C1的另一端接所述单稳触发电路的输出端引线。

基准电压电路包括：电源(如+12V的电源)，稳压二极管D2，电容C2，电阻R12、电阻R13、电阻R14；其连接关系如下：电源连接电阻R14并连接三条支路，第一条连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地；第二条连接稳压二极管D2的阴极，稳压二极管D2的阳极接地；第三条与电阻R13和电阻R12串联，电阻R12的另一端接地；电阻R13的滑动端连接所述基准电压电路的输出端。

比较电路包括：比较器A2，电阻R15；比较器A2的同相输入端连接所述单稳触发电路的输出端引线，比较器A2的反向输入端连接所述基准电压电路的输出端，比较器A2的输出端连接电阻R15并接到比较器A2的同相输入端和所述比较电路的输出端引线。

积分电路包括：电阻R17、电阻R18，电容C3；其连接关系如下：电阻R18与电容C3串联并与电阻R17并联；所述电容C3的另一端接地，所述积分电路的输出端引线连接在所述电阻R18与电容C3之间。

放大电路包括：达林顿三极管T_r3和达林顿三极管T_r5；其连接关系如下：达林顿三极管T_r4的基极连接所述积分电路的输出端引线，发射极连接电源，集电极连接所述达林顿三极管T_r5的基极；所述达林顿三极管T_r5的发射极连接被控制电动机的输入引线，集电极接地。

上述一种电动机转速控制装置的电路的工作原理如下：

首先，利用施密特触发电路中的运算放大器A₁和晶体三极管T_r1，对频率发动机FG发出的频率(转速)信号a的波形进行整形，得到的方波信号b。

整形后得到的方波信号b经单稳触发电路(微分电路)变换成窄脉冲c。然后，由晶体三极管T_r2进行与频率发动机FG的输出频率行对应的ON/OFF控制，并在T_r2的集电极端输出锯齿波(或三角波)，如图中的信号d。

利用比较电路中的比较器A₂，将锯齿波(或三角波)信号d和基准电压方波信号h进行比较，进而得到与锯齿波或三角波信号的频率一致的方波信号e(基准电压是方波信号，与锯齿波或三角波信号进行比较，进而得到的方波信号是基准电压根据锯齿波或三角波的频率得到的，也就是说得到的方波信号与锯齿波或三角波信号的频率一致)。然后，经过晶体管T_r3对方波信号e进行电平转换，转换为方波信号的电压(电平转换是针对方波信号的电压进行转换，如图中上拉电压是12v，电平转换之后几乎就是12v)。

由积分电路进行积分(积分电路就是低通滤波电路，把不合适的低频率的纹波滤掉)，并驱动达林顿三极管对电流进行放大，然后对电动机进行恒转速控制。

由上述实施例可以看出，本发明通过晶体三极管T_r2进行与FG的输出频率行对应的ON/OFF控制，并在T_r2的集电极端输出锯齿波d，用锯齿波信号V_F与转速设定用的基准电压信号E_S进行比较，继而控制电动机转速。由于锯齿波的显著特性在于：信号的振幅是时间的函数，振幅与时间之间保持严格的比例关系。因此，锯齿波信号V_F与转速设定用的基准电压信号E_S进行比较，完全等效于输入频率与E_S所进行的直接比较，比较过程中不存在时间上的延迟，比较之后输出的方波信号的频率是锯齿波(或者三角波)的频率，因此输出的电压信号中的纹波会大大减少,电压信号已经比较稳定，所以而后积分出来的电流也是比较稳定的，稳定的电流经过达林顿三极管进行放大后，能稳定地控制电动机转速。采用这种F-V伺服控制时，低通滤波器的积分时间常数所引起的时间延迟很小，系统调整也变得简单方便。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种电动机转速控制方法，其特征在于，包括：

基于施密特触发电路对频率发动机发出的频率信号进行整形，得到整形后的方波信号；

将整形后得到的方波信号转换成窄脉冲信号；并对所述窄脉冲信号进行与频率发动机的输出频率对应的ON/OFF控制，输出锯齿波信号或者三角波信号；

将锯齿波信号和基准电压方波信号进行比较，得到与所述锯齿波信号频率一致且与所述基准电压方波信号电压一致的方波信号；

利用积分电路，对比较后得到的方波信号进行低通滤波处理，得到电动机频率控制信号；

基于所述电动机频率控制信号对电动机转速进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种电动机转速控制方法，其特征在于，

所述电动机转速控制方法还包括：对所述电动机频率控制信号进行放大；

所述基于所述电动机频率控制信号对电动机转速进行控制的过程，具体包括：基于放大后的电动机频率控制信号对电动机转速进行控制。

3.一种电动机转速控制装置，包括：

施密特触发电路，适于输入电动机频率信号并对其整形输出方波信号的；

连接所述施密特触发电路输出端，并适于将得到的方波信号转换成窄脉冲信号，并对所述窄脉冲信号进行与电动机的输出频率对应的ON/OFF控制输出锯齿波或三角波信号的单稳触发电路；

适于获得基准电压方波信号的基准电压电路；

连接所述单稳触发电路输出端和基准电压电路输出端，适于将锯齿波信号和基准电压方波信号进行比较得到与所述锯齿波信号频率一致且与所述基准电压方波信号电压一致的方波信号的比较电路；

连接比较电路另一端并适于低频滤波的积分电路；

所述积分电路输出端连接被控制的电动机控制端引线。

4.根据权利要求3所述的电动机转速控制装置，其特征在于，所述电动机转速控制装置还包括：

放大电路，所述放大电路的一端连接所述积分电路，另一端连接电动机转速控制端引线。

5.根据权利要求3或4所述的电动机转速控制装置，其特征在于，所述施密特触发电路包括：

频率发动机，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，比较器A1，稳压二极管D1、稳压二极管D2；

频率发动机的一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接比较器A1的同相输入端，频率发动机的另一端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接比较器A1的反向输入端，比较器A1的反相输入端连接电阻R3和稳压二极管D1的阴极的中间，电阻R3的另一端连接电源V1，稳压二极管D1的阳极接地；比较器A1的输出端与电阻R4和稳压二极管D2的阳极连接，并连接到比较器A1的同相出入端；稳压二极管D2的阴极连接所述施密特触发电路的输出端引线。

6.根据权利要求3或4所述的电动机转速控制装置，其特征在于，所述单稳触发电路包括：

电源，三极管T_r1，电容C1，电阻R6、电阻R7，二极管D3；

三极管T_r1的基极连接所述施密特触发电路的输出端引线，三极管T_r1的发射极连接电源，三极管T_r1的集电极引出两条支路，一条连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端引出两条支路，一条连接电阻R7的一端，另一条连接二极管D3的阳极并接地，三极管T_r1的另一条支路与电容C1串联，并连接电阻R7的另一端和二极管D3的阴极；电容C1的另一端接所述单稳触发电路的输出端引线。

7.根据权利要求3或4所述的电动机转速控制装置，其特征在于，所述基准电压电路包括：

电源，稳压二极管D2，电容C2，电阻R12、电阻R13和电阻R14；

电源连接电阻R14并连接三条支路，第一条连接电容C2的一端，电容C2的另一端接地；第二条连接稳压二极管D2的阴极，稳压二极管D2的阳极接地；第三条与电阻R13和电阻R12串联，电阻R12的另一端接地；电阻R13的滑动端连接所述基准电压电路的输出端。

8.根据权利要求3或4所述的电动机转速控制装置，其特征在于，所述比较电路包括：

比较器A2，电阻R15；

比较器A2的同相输入端连接所述单稳触发电路的输出端引线，比较器A2的反向输入端连接所述基准电压电路的输出端，比较器A2的输出端连接电阻R15并接到比较器A2的同相输入端和所述比较电路的输出端引线。

9.根据权利要求3或4所述的电动机转速控制装置，其特征在于，所述积分电路包括：

电阻R17、电阻R18，电容C3；

电阻R18与电容C3串联并与电阻R17并联；所述电容C3的另一端接地，所述积分电路的输出端引线连接在所述电阻R18与电容C3之间。

10.根据权利要求4所述的电动机转速控制装置，其特征在于，所述放大电路包括：

达林顿三极管T_r4和达林顿三极管T_r5；

达林顿三极管T_r4的基极连接所述积分电路的输出端引线，发射极连接电源，集电极连接所述达林顿三极管T_r5的基极；所述达林顿三极管T_r5的发射极连接被控制电动机的输入引线，集电极接地。