CN104407166A - 一种自适应调整计数脉冲的电机转速恒精度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种自适应调整计数脉冲的电机转速恒精度测量方法。该方法利用电机上同轴安装的一个旋转变压器来测量电机的角位移变化值，利用晶振产生的高频脉冲测量角位移变化所用的时间，从而得到电机的转速。为了保证电机在不同转速下的测速精度，该方法利用自适应原理的方法，实时计算出测量相同角位移变化时间所需要的高频脉冲个数，并利用倍频或分频技术将计数脉冲个数调整到所需要的值。通过实时改变用于计数的脉冲频率实现了电机在全调速范围的高精度测速。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应调整计数脉冲的电机转速恒精度测量方法，尤其应用于需要全范围高精度测速的高性能电机控制系统。
背景技术
电机转速的测量精度直接影响电机控制的性能，目前常用的三种测速方法主要有M法、T法、M/T法。但M法只适用于高速的场合；T法只适用于低速的场合；M/T法具有迟滞性且测速精度具有非线性。为了获得稳定有效地测速值，便于对电机转速进行控制和后期电机驱动器的研制，恒定的全调速范围测速精度变得尤为重要。一般的测速方法在电机快速改变转速时都很难使电机的测速精度保持恒定，若要获得电机在全调速范围的恒定测速精度，就要求测出的电机角位移和产生这个角位移的时间足够准确并且精度相同。旋转变压器可以获得高分辨率的角位移，而获得准确且精度相同角位移变化时间的前提是用来计时的脉冲达到需要的个数且保持在一定的范围内，这样就要求用来测速的晶振计数脉冲频率随着电机转速的变化而变化。
自适应电机转速测量方法一般应用在高性能的电机控制系统中，为了更好地体现该方法的优势，高精度的测速装置和高性能的数据处理模块是必不可少的。现有的电机一般都同轴安装高精度的旋转变压器，旋转变压器精度高、环境适应能力强，尤其适用于环境恶劣的场合。本发明的方法是在T法的基础上结合了自适应的原理，该方法需要在采样周期不变的情况下实时改变晶振计数脉冲的频率，所以对微处理器的数据处理能力有很高的要求。而可编程逻辑器件FPGA的运算速度快，集成度高，且无需变更硬件即可实现电路的重构，常用于高性能的测速场合。基于旋转变压器和FPGA、微处理器的测速硬件平台能够实现高精度的速度检测，实现测速精度的均衡性。
发明内容
为了克服T法在高速时测速误差变大的问题, 本发明的目的在于提供一种自适应调整计数脉冲的电机转速恒精度测量方法，有效地保证了电机在全调速范围下测速精度的均一性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用可编程控制器FPGA、高频晶振和微处理器搭建硬件电路，旋转变压器将位移变化信号送到FPGA，同时利用FPGA对晶振产生的脉冲进行计数，FPGA再利用并行接口将采集到的数据和微处理器进行通信。为了得到均衡的测速精度运用自适应电机转速测量方法，系统不断检测其采样的精度即采集到的脉冲个数，当电机转速升高，系统检测到的脉冲个数小于设定值时，FPGA通过倍频增加计数脉冲的频率；当电机转速降低，系统检测到的脉冲个数大于设定值时，FPGA通过分频降低计数脉冲的频率。通过上述测量方法保持了电机在相同角位移内系统采集到的脉冲个数在同一个设定范围内，从而获得了电机在全范围调速下均衡的测速精度。
本发明的有益效果是，可以在电机进行全范围宽动态调速时，快速地得到均衡的测速精度，这对高性能的电机控制系统是非常重要的。
附图说明
图1是本发明的系统总体设计框图。图中D0~D15为传输的数据信号；nOE为读允许信号；nEW为写允许信号；A0~A1为地址信号；nGCS2为片选信号。
图2是自适应电机转速测量方法的逻辑流程图。
具体实施方式
本发明的系统总体设计框图如图1所示。其中采用可编程控制器FPGA和微处理器进行硬件电路的搭建，旋转变压器将电机的角位移变化信号送到FPGA，同时利用FPGA对晶振产生的脉冲进行计数，再利用FPGA的并行接口将采集到的数据和微处理器进行通信。
旋转变压器送出的是位置量，以旋转变压器输出位置量最低位变化作为位置的变化量，用晶振作为高频计时时钟，通过其产生的脉冲个数计算出旋转变压器送出的最低位变化需要的时间，从而根据公式（5.1）可以算出电机的转速。
（5.1）
其中为T法测得的电机转速，单位为转/分（r/min）；为旋转变压器最低位变化产生的角位移，单位为度；为晶振的频率，单位为赫兹（Hz）；m为产生角位移的时间内晶振产生的脉冲个数。
由上述公式（5.1）可得分辨率为：
当电机处于高速时产生同样角位移的时间变小，m值也相对较小，此时由式（5.2）可知偏大，分辨率偏低，对测速精度影响较大。当电机处于低速时，产生同样角位移的时间变长，m值变大，此时由式（5.2）可知偏小，分辨率较高，对测速精度影响较小。即如果在高速时能够适量增加m的个数，就可以提高测速精度。
当转速为30r/min时，假设晶振每秒产生10M个脉冲，旋转变压器为16位的，最低位变化一位产生的角位移为0.0055°，则在旋转变压器产生0.0055°角位移时间内晶振产生的脉冲个数为：
此时的分辨率为=0.098，由此可见低速时采用10M的脉冲可以得到很高的测速精度。当转速高达3000r/min时，其他条件不变的情况下，产生0.0055°角位移时间内晶振产生的脉冲个数为：
此时的分辨率为=1500，这样的分辨率已经无法保证测速的精度，要想在高速时得到更加准确的测速精度就要提高采样的分辨率，由公式（5.2）可以知道要增大分辨率需要增大m的值，在同样的角位移下增大m的值即要增大晶振的频率。
当电机转速升高时，系统不断检测其采样的精度即采集到的脉冲个数，当脉冲个数小于设定值时，通过提高的值，获得更高的测速分辨率。如何确定需要的晶振频率，由上式（5.1）可以看出仅和有关，如果固定m值不变，则和成正比。当采集到的脉冲个数m比设定值小时，可以推导出如下公式计算出需要的晶振频率：
（5.5）
式中为需要的新的晶振频率，晶振原先的频率，M为设定的需要采集到的脉冲个数，m为在晶振频率为时旋转变压器转过同样角度时计得的脉冲个数。
上述自适应调整计数脉冲的电机转速恒精度测量方法流程图如图2所示。
算法中实时的检测采样精度和设定值之间的关系，形成一个闭环的自适应控制系统，当转速变化时系统自动检测此时的采样精度是否保证在一定的设定范围，满足时继续向下执行，不满足时根据式（5.5）来算出需要的值进行一个闭环的调整，以满足既定的采样精度保证测速精度。
Claims (2)
1.一种自适应调整计数脉冲的电机转速恒精度测量方法，其特征在于：外部硬件采用可编程控制器FPGA和微处理器进行硬件电路的搭建，旋转变压器将电机的角位移变化信号送到FPGA，同时利用FPGA对晶振产生的脉冲进行计数，再利用FPGA的并行接口将采集到的数据和微处理器进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种自适应调整计数脉冲的电机转速恒精度测量方法，其特征在于：在同一时间间隔内因电机转速变化导致系统采集脉冲发生变化，当电机转速升高，系统检测到的脉冲个数小于设定值时，FPGA通过倍频增加计数脉冲的频率；当电机转速降低，系统检测到的脉冲个数大于设定值时，FPGA通过分频降低计数脉冲的频率，通过自适应调整FPGA产生的采样频率，实现同一时间间隔内的采样值保持在一定范围内，以此保障可以测量出恒定精度。
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