CN108181482A - 基于虚拟正弦波的实时低速检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于虚拟正弦波的实时低速检测装置，包括：脉冲编码器，输出Ao、Bo、So、Zo四组脉冲信号，其中脉冲Ao、Bo为等周期等占空比的数字脉冲，So为等周期变占空比脉冲，Zo为归零脉冲；信号调理电路，为脉冲整形电路，采样转化模块，为脉冲转换电路，其四个输入端分接收A、B、S、Z四路脉冲信号，四个输出端分别输出：倍频脉冲AB、方向信号R、归零信号Z和正弦采样信号S；处理器，其输入端连接采样转化模块的四个输出端。本发明达到满足实时与快速的转速计算，使转速的测量精度更高，同时整个计算方式，采用中断与DSP内部计数器，不占用CPU时间，尤其适合直驱型风力发电机组及对于转速闭环的实时控制系统。
Description
技术领域
本发明属于信号检测技术领域，尤其是涉及一种基于虚拟正弦波的实时低速检测装置。
背景技术
在现有技术中，测速方法有两种，模拟电路硬件检测和数字电路计算测速。随着电子信息技术的发展，尤其是DSP数字处理芯片的产生，大大提高了速度检测的精度与范围。而数字电路测速，也有不同的方式，最初的方式是使用外围的模数转换芯片，将模数转换芯片检测到的模拟量转换为数字量，再将数字量通过总线传给CPU，再进行计算。
现在，随着芯片技术的发展，一种芯片上会集成模数转换芯片，而且在芯片内部使用同一总线，使得检测速度更快，同时由于总线在芯片内部，也使得通信不会受到干扰。
对于数字芯片测量转速，CPU处理的方法也有下列几种：1、等时间位差法(M法)。2、等角度计数法(T法)。3、M/T法。
等时间位差法(M法)，使用CPU的两次采样周期，将两次采样检测到的编码器位置计数进行做差，通过角度与时间计算出转速，但是此方法在低转速下，两次检测位置差距很小，再与相同时间的间隔做比，所以在低速的时候就会产生很大误差。
等角度计数法(T法)，使用编码器产生的两次脉冲，触发CPU对于时间的计数，然后通过两次脉冲对于时间计数的比值计算出转速，但是在高转速下，两次脉冲的时间间隔会很小，所以高速的时候也会产生很大的误差。
M/T法是两种方法的结合，即在M法的一个周期后，同时再记录一次最后采样脉冲的时间间隔，然后相加，形成M/T法，即低速的时候，两次检测位置差距很小，位置计数值几乎为零，M法几乎为零，测速结果以T法为主。在高速的时候，两次脉冲时间很小，T法时间计数几乎为零，速度结果以M法为主。
但是无论是M法、T法还是M/T法，都必须要求有编码器脉冲，编码器脉冲必须出现两次才能进行计算提取转速，而且转速计算值在第二次脉冲出现瞬间由于0-1变化出现转速阶跃或者抖动，所以无法实现转速的快速提取。
当今大部分设备、仪器，在使用转速作为闭合控制的实时系统中，必须要求转速计算的实时快速，而这是现有算法无法满足的。
此外，对于大多数转速算法，只对转速信号进行单一的检测，无法对信号进行判断，所以产生了已经趋于稳定的速度系统缓慢漂移直至故障的情况。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于虚拟正弦波的实时低速检测装置，使转速的测量精度更高，同时整个计算方式，采用中断与DSP内部计数器，不占用CPU时间。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于虚拟正弦波的实时低速检测装置，包括脉冲编码器、信号调理电路、采样转化模块和处理器，
首先，脉冲编码器实测的转速输出Ao、Bo、So、Zo四路电信号，然后通过信号调理电路得到两路数字脉冲信号A、B，一路模拟正弦信号S，以及一路归零脉冲信号Z；之后，将此四路信号送进采样转化模块处理，最后将采样转化模块的输出信号送进DSP的CPU处理器中进行计算，得到转速。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
(1)针对转换后的信号，进行配置、中断及倍频计数，达到满足实时与快速的转速计算，使转速的测量精度更高，同时整个计算方式，采用中断与DSP内部计数器，不占用CPU时间，尤其适合直驱型风力发电机组及对于转速闭环的实时控制系统。
(2)同时使用此转速方法，可以同时满足高速、低速、超低速的检测，可以完全替代之前的转速计算方法。而且，此方法具有对计算量的连续和实时性，可以进行函数的封装，便于进行软件的模块化处理。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的基于虚拟正弦波的实时低速检测装置的结构示意图。
图2为本发明提供的基于虚拟正弦波的实时低速检测方法的信号处理时序图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本实施例一种基于虚拟正弦波的实时低速检测装置，包括脉冲编码器、信号调理电路、采样转化模块和处理器；其中：
脉冲编码器为测速传感器，由安装在电机转轴上的光电编码器或电磁编码器构成，输出Ao、Bo、So、Zo四组脉冲信号，其中脉冲Ao、Bo为等周期等占空比的数字脉冲，So为类似于SPWM波形的脉冲，Zo为归零脉冲，即编码器旋转一周输出一个脉冲Zo；
信号调理电路为脉冲整形电路模块，由于脉冲编码器信号产生后不能直接被处理器使用，所以需要将4路信号进行滤波、降幅，若进行长距离传输，还需要进行光电隔离信号避免信号干扰，这需要信号调理电路进行处理；脉冲编码器输出的四路脉冲信号Ao、Bo、So、Zo分别经过信号调理电路得到两路数字脉冲信号A、B，一路初始相位为0的模拟正弦信号S，以及一路归零脉冲信号Z；
采样转化模块为脉冲转换电路，其四个输入端分接收信号调理电路输出的脉冲A、脉冲B、脉冲S和脉冲Z四路输入信号，然后，四个输出端分别输出：倍频脉冲AB、方向信号R、归零信号Z和正弦采样信号S；
具体的，经过整形后的脉冲A、脉冲B、脉冲S和脉冲Z四路信号进入采样转化模块后，对四路信号进行编码，由于脉冲A和脉冲B互为90°正交，通过检测脉冲A或脉冲B的上升沿先后就可得出电机旋转方向信号R，因为脉冲信号正交，即脉冲A上升沿后为脉冲B上升沿，脉冲B上升沿后为脉冲A下降沿，所以对脉冲A和脉冲B所有上升下降沿进行检测计数，即可将脉冲A或脉冲B信号进行4倍频，形成倍频脉冲AB；同时，依据脉冲Z产生的编码器归零事件对于倍频脉冲AB进行数据纠正，并同时将脉冲Z送至输出端；
处理器的输入端与采样转化模块的四个输出端相连接，处理器为算法处理器，由DSP数字处理器或者ARM等构成，用于实时计算转速值。
所述采样转化模块能够集成在处理器的内部，因此，计算转速值过程的全部算法都是在处理器的内部进行的，处理器工作时需要外接时钟信号CLK。所述的采样转化模块的四个输出信号与处理器通过内部总线相连接。
图2所示为测速过程中相关信号的时序示意图，本实施例基于虚拟正弦波的实时低速检测装置所采用的测速方法的主要处理过程如下：
首先，对倍频脉冲AB进行捕获处理，即倍频脉冲AB出现一个，倍频计数器加1(如图2倍频计数)；在每次倍频脉冲AB的上升沿，触发时间基准计数器开始计数，并在下一次倍频脉冲AB的上升沿，记录时间基准计数器的当前值，即为2个倍频脉冲AB之间的周期值，同时清零时间基准计数器(如图2时基计数)；
同时，采用周期计数(是指软件内部设定的计算周期，是在低转速下所使用的参数，再设定的时间内计数器没有变化就记录)的方式，若在采样的时间段内倍频计数器没有变化，则记录下当前S正弦信号的幅值Us；
记录相邻两次被调用时的倍频计数值、相位角度值θ，然后分别对倍频计数值做差，相位角度对周期2π做比，得到小于1的AB倍频脉冲；
其中，NAB为AB倍频脉冲计数当前值，为上一次值，
θ为S正弦信号当前所处相位角度，U为S正弦信号的峰值，并根据前一次值确定所处象限位置，即代表旋转几分之几的AB倍频脉冲，Tn为流程调用时间(这个流程是指系统采样的开始到结束，即一次转速测量的过程)；
得到倍频脉冲差(已经精确到小数)，使用倍频脉冲差值除以流程调用时间Tn即可得到转速n转速。
因转速无法突变，即脉冲周期无法突变，所以滤除干扰后使用时基预估倍频脉冲AB到来时间可以精确地计算出转速。又正弦信号可以平滑过零，无脉冲跳变，可有效的避免在脉冲沿处产生的抖动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于虚拟正弦波的实时低速检测装置，其特征在于包括：
脉冲编码器，为测速传感器，由安装在电机转轴上的光电编码器或电磁编码器构成，输出Ao、Bo、So、Zo四组脉冲信号，其中脉冲Ao、Bo为等周期等占空比的数字脉冲，So为等周期变占空比脉冲，Zo为归零脉冲；
信号调理电路，为脉冲整形电路，将Ao、Bo、So、Zo 4路脉冲信号进行滤波、降幅得到两路数字脉冲信号A、B，一路模拟正弦信号S，以及一路归零脉冲信号Z；
采样转化模块，为脉冲转换电路，其四个输入端分接收A、B、S、Z四路脉冲信号，四个输出端分别输出：倍频脉冲AB、方向信号R、归零信号Z和正弦采样信号S；
处理器，其输入端连接采样转化模块的四个输出端，其内部对4路输入信号进行如下处理过程：
首先，采集倍频脉冲AB，出现一个，倍频计数器加1；在每次倍频脉冲AB的上升沿，触发时间基准计数器开始计数，并在下一次倍频脉冲AB的上升沿，记录时间基准计数器的当前值，即为2个倍频脉冲AB之间的周期值，同时清零时间基准计数器；
同时，采用周期计数的方式，若在采样的时间段内倍频计数器没有变化，则记录下当前S正弦信号所处相位角度θ；
根据记录的相邻两次被调用时的倍频计数值、脉冲周期值、相位角度值θ，然后按照如下公式即可得到转速n转速：
其中，NAB为AB倍频脉冲计数当前值，为上一次值，θ为S正弦信号当前所处相位角度，即代表旋转几分之几的AB倍频脉冲，Tn为流程调用时间。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟正弦波的实时低速检测装置，其特征在于：采样转化模块对输入的脉冲A、脉冲B、脉冲S和脉冲Z四路信号进行编码，由于脉冲A和脉冲B互为90°正交，通过检测脉冲A或脉冲B的上升沿先后得出电机旋转方向信号R，因为脉冲信号正交，对脉冲A和脉冲B所有上升下降沿进行检测计数，即可将脉冲A或脉冲B信号进行4倍频，形成倍频脉冲AB；同时，依据脉冲Z产生的编码器归零事件对于倍频脉冲AB进行数据纠正，并同时将脉冲Z送至输出端。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟正弦波的实时低速检测装置，其特征在于：所述处理器为算法处理器，为DSP数字处理器或者ARM，所述采样转化模块能够集成在处理器的内部，采样转化模块的四个输出信号与处理器通过内部总线相连接，处理器工作时需要外接时钟信号CLK。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180619 |