CN110579618B - 一种基于fpga的电机转速采集、解析装置和方法 - Google Patents

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Abstract

为了克服现有电机转速采集方法可扩展性差、时效性较差以及需要额外采集板卡的不足，本发明提供了一种基于FPGA的电机转速采集、解析装置和方法。电机转速采集、解析装置包括：时钟分频程序模块，用于对FPGA的输入时钟进行分频，得到速度脉冲采集时钟；速度上升沿处理程序模块用于获取FPGA的速度脉冲信号SPRA和SPRB的上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB；速度采集程序模块用于统计POS_SPRA和POS_SPRB的周期，输出电机的转速脉冲周期；速度数据处理程序模块，用于对电机的转速脉冲周期进行处理；中央处理器，用于反向计算当前实际转速脉冲周期；方向判断程序模块，用于判断当前时刻电机转向。

Description

一种基于FPGA的电机转速采集、解析装置和方法
技术领域
本发明涉及一种电机转速采集、解析装置和方法。
背景技术
随着航空、航天、轨道交通等领域科技的不断进步，对电机转速采集的快速性、连续性、可靠性要求越来越高。
目前电机转速测量的方法主要是以单片机为主，通过内部时间寄存器来计数得到速度脉冲频率；该方式的主要缺点是无法满足高精度、宽频域、时效性的要求，并且可扩展性差。
另一种常见的电机转速采集方式是通过LabView进行速度脉冲频率测量，该方式的优点是可扩展性好，但是存在时效性差，需要额外采集板卡的缺点。
发明内容
为了克服现有电机转速采集方法可扩展性差、时效性较差以及需要额外采集板卡的不足，本发明提供了一种基于FPGA的电机转速采集、解析装置和方法。
本发明的技术方案是：
一种基于FPGA的电机转速采集、解析装置，其特殊之处在于，包括：
时钟分频程序模块，用于对FPGA的输入时钟进行分频，得到速度脉冲采集时钟；
速度上升沿处理程序模块，用于对输入FPGA的速度脉冲信号SPRA和SPRB进行处理，得到相应的上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB；
速度采集程序模块，根据所述速度脉冲采集时钟的上升沿个数，实时统计速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB，并以TA和TB中的较小值为电机的转速脉冲周期T输出；
速度数据处理程序模块，将电机的转速脉冲周期T划分为N个区间，作为N个档位，N＝19或25；将电机当前转速所在档位作为一路转速周期数据D0，将(电机当前转速所在档位+1)*T作为另一路转速周期数据D1；
中央处理器，根据转速周期数据D0和转速周期数据D1，反向计算电机当前时刻的实际转速脉冲周期；
方向判断程序模块，以所述速度脉冲采集时钟为触发时钟，在上升沿信号POS_SPRA等于1时，若当前时刻的速度脉冲信号SPRB等于0，则当前时刻电机转动方向为正向，否则当前时刻电机转动方向为反向。
进一步地，还包括速度故障判断程序模块，用于实时检测速度脉冲信号SPRA和SPRB，根据是否检测到信号判断通道是否发生故障。
本发明还提供了一种基于FPGA的电机转速采集、解析方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)对FPGA的输入时钟进行分频，得到速度脉冲采集时钟；
2)FPGA对输入的速度脉冲信号SPRA和SPRB进行处理，得到SPRA和SPRB的上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB；
3)分别统计上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB在低电平时间内，所述速度脉冲采集时钟的上升沿个数，得到速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB，比较TA和TB的大小，以TA和TB中的较小值作为电机的转速脉冲周期T；以所述速度脉冲采集时钟为触发时钟，在上升沿信号POS_SPRA等于1时，若当前时刻的速度脉冲信号SPRB等于0，则当前时刻电机转动方向为正向，否则当前时刻电机转动方向为反向；
4)将电机的实际转速脉冲周期T划分为N个区间，作为N个档位；N＝18或24；
5)将电机当前转速所在档位作为一路转速周期数据D0，再将(电机当前转速所在档位+1)*T作为另一路转速周期数据D1；
6)对当前时刻的数据D1的大小进行判断，若大于最低档的最小转速脉冲周期，则使用当前转速周期数据D1和D0反向计算得到电机每一时刻的实际转速脉冲周期；否则使用上一时刻的转速周期数据D1和上一时刻的转速周期数据D0反向计算得到电机当前时刻的实际转速脉冲周期；
7)将步骤3)判断得到的电机转动方向，和步骤6)得到的电机当前时刻的实际转速脉冲周期输出。
进一步地，步骤3)中获取速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB的方法为：
在上升沿信号POS_SPRA为低电平时，速度脉冲采集时钟上升沿触发，计数器CNTA自加1；
在上升沿信号POS_SPRA为高电平时，将CNTA+1赋值给寄存器TA，同时将计数器CNTA赋值为1；
同理，
在上升沿信号POS_SPRB为低电平时，速度脉冲采集时钟上升沿触发，计数器CNTB自加1；
在上升沿信号POS_SPRB为高电平时，将CNTB+1赋值给寄存器TB，同时将计数器CNTB赋值为1；
以上操作循环执行，即可得到速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB。
进一步地，若数据位宽为20位，则步骤4)具体为：
以实际转速脉冲周期T大于3096作为0档，
以实际转速脉冲周期T小于等于3096且大于3096/2＝1548作为1档，
以实际转速脉冲周期T小于等于1548且大于3096/3＝1032作为2档，
以此类推，
以实际转速脉冲周期T小于等于3096/24＝129且大于3096/25＝123.8作为24档，从而将速度脉冲周期T分为25档；
若数据位宽为16位，则步骤4)具体为：
以实际转速脉冲周期T大于1024作为0档，
以实际转速脉冲周期T小于等于1024且大于1024/2＝512作为1档，
以实际转速脉冲周期T小于等于512且大于1024/3＝341.3作为2档，
以此类推，
以实际转速脉冲周期T小于等于1024/18＝56.9且大于1024/19＝53.9作为18档，从而将速度脉冲周期T分为19档。
进一步地，还包括故障判断的步骤：
在步骤1-6)执行期间，实时检测速度脉冲信号SPRA和SPRB，当能检测到速度脉冲信号SPRA，但检测不到速度脉冲信号SPRB时，则认为信号B所对应的通道故障；反之，当检测不到速度脉冲信号SPRA，但能检测到速度脉冲信号SPRB时，则认为信号A所对应的通道故障。
本发明的有益效果：
1、本发明是专门为大功率电机调速控制而设计的，以FPGA芯片为速度采集芯片，并采用一种新的速度数据处理方法，具有测量精度高、频率范围广，数据线性度高，稳定性好，连续性强等优点，有益于很好的实现电机转速控制。
2、本发明使用FPGA作为速度采集芯片，可以根据设备需求，改变计数时钟频率，从而满足更宽的速度频率测量范围，而且可以根据输入速度脉冲信号的状态判断得到电机转动方向和是否发生转速通道故障，这一功能在实际应用中非常关键。
3、由于FPGA具有快速性和很好的扩展性，能够实时对数据进行处理，因此，本发明不但可以满足速度采集的时效性和宽频域范围要求，而且有很好的扩展能力。
附图说明
图1是本发明基于FPGA的电机转速采集、解析装置的实施例的硬件框图。
图2是本发明速度数据解析原理效果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例所提供的基于FPGA的电机转速采集、解析装置包括以下部分：
1.时钟分频程序模块
FPGA输入时钟CLK30M是由一个30MHz有源晶体振荡器提供的，速度脉冲采集时钟CLK1M采用1MHz时钟；以FPGA输入时钟CLK30M上升沿为触发条件，初始化复位使速度脉冲采集时钟CLK1M等于0，时钟分频程序模块中定义的计数器CNT等于0，FPGA输入时钟CLK30M上升沿触发后计数器CNT自加1，当计数器CNT等于14时，速度脉冲采集时钟CLK1M取反，计数器CNT清零，重新开始自加1，从而将30MHz的输入时钟分频至1MHz的速度脉冲采集时钟。
2.速度上升沿处理程序模块
FPGA根据输入的速度脉冲信号SPRA和SPRB，处理得到该两路信号的上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB。
以信号SPRA为例，以速度脉冲采集时钟CLK1M上升沿为触发条件，初始化复位使速度采集程序模块中定义的速度脉冲寄存器SPRA_r为0，速度脉冲采集时钟CLK1M上升沿触发后，将信号SPRA赋值给速度脉冲寄存器SPRA_r；
使用阻塞赋值语句将信号SPRA和SPRA_r取反后的值相“与”，并赋值给寄存器类型的变量POS_SPRA(即：POS_SPRA＝SPRA&(～SPRA_r))，该寄存器数据只有在速度脉冲信号SPRA上升沿时等于1，其它时刻等于0，如图1中速度上升沿处理模块所示。
3.速度采集程序模块
速度采集模块的原理是根据速度脉冲采集时钟CLK1M的上升沿个数来实时统计速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期，以此来计算速度频率值；
在上升沿信号POS_SPRA为低电平时，速度脉冲采集时钟CLK1M上升沿到来，速度采集模块中定义的计数器CNTA自加1，在上升沿信号POS_SPRA为高电平时，将CNTA+1赋值给寄存器类型的变量TA，同时将计数器CNTA赋值为1；
同理，在上升沿信号POS_SPRB为低电平时，速度脉冲采集时钟CLK1M上升沿到来，速度采集模块中定义的计数器CNTB自加1，在上升沿信号POS_SPRB为高电平时，将CNTB+1赋值给寄存器类型的变量TB，同时将计数器CNTB赋值为1；
以上操作循环执行，即可实时得到速度脉冲SPRA和SPRB的周期TA和TB。
比较周期TA和TB的大小，其中TA和TB中的较小值为电机的转速脉冲周期T。该种方式可以保证电机转速测量值的高精度、连续性和较宽的频率范围。
4.速度数据处理程序模块
本实施例中数据位宽为20位，将电机的转速脉冲周期T分为25个区间，作为25个档位，转速脉冲周期T的下限值取3096；以转速脉冲周期T大于3096作为0档，以转速脉冲周期T小于等于3096且大于1548(1548＝3096/2)作为1档，以转速脉冲周期T小于等于1548且大于1032(1032＝3096/3)作为2档，以此类推，以转速脉冲周期T小于等于129且大于123.8(123.8＝3096/25)作为24档，总共将速度脉冲周期分为25档。
在其他实施例中，若数据位宽为16位，则将电机转速脉冲周期T分为19个区间，作为19个档位，转速脉冲周期T的下限值取1024；以转速脉冲周期T大于1024作为0档，以转速脉冲周期T小于等于1024且大于(512＝1024/2)作为1档，以转速脉冲周期T小于等于512且大于341.3(341.3＝1024/3)作为2档，以此类推，以转速脉冲周期T小于等于56.9且大于(53.9＝1024/19)作为18档，总共将速度脉冲周期分为19档。
将FPGA采集的电机当前转速脉冲周期所在档位作为一路转速周期数据D0通过地址A0输出至FPGA外部的中央处理器，再将(电机当前转速所在档位+1)*T作为另一路转速周期数据D1通过地址A1输出至中央处理器。
5.中央处理器
在电机正常运行后，转速周期数据D1可以稳定在一个固定的范围内，即转速周期数据D1稳定在大于3096的范围内，如图2所示。中央处理器对接收到的转速周期数据D1的大小进行实时判断，若D1大于3096则使用当前时刻的转速周期数据D1和当前时刻的转速周期数据D0进行反向计算，否则使用上一时刻的转速周期数据D1和上一时刻的转速周期数据D0进行反向计算，得到每一个时刻电机的实际转速脉冲周期。该方法可以减小外部干扰对数据传输的影响，而且在电机高速运行时，由于转速周期数据D1远大于实际转速脉冲周期T，在根据多组速度周期数据进行滤波后，计算出的电机转速更加稳定且与实际相近。
上述反向计算的公式为：
实际转速脉冲周期T＝D1/(D0+1)；
或
实际转速频率f＝(D0+1)/D1。
6.方向判断程序模块
以图1中方向判断模块为例，当速度脉冲信号SPRA的上升沿到来时，速度脉冲信号SPRB为低电平，则电机转动方向为正向，反之，当速度脉冲信号SPRA的上升沿到来时，速度脉冲信号SPRB为高电平，则电机转动方向为反向，即以速度脉冲采集时钟CLK1M作为触发时钟，以上升沿信号POS_SPRA等于1为判断前提条件，若速度脉冲信号SPRB等于0，则为正向，否则为反向。
7.速度故障判断程序模块
以图1中速度故障判断模块为例，故障判断的原理是：当能检测到速度脉冲信号SPRA，但检测不到速度脉冲信号SPRB时，则认为信号B所对应的通道故障；反之，当检测不到速度脉冲信号SPRA，但能检测到速度脉冲信号SPRB时，则认为信号A所对应的通道故障。
故障判断的实际实施方式为：设计计数器CNTA和CNTB的数据位宽为20位(即最大计数值为0xFFFFF＝1048575)，在电机运行以后，如果测量到速度脉冲信号SPRA的周期TA等于速度采集模块中计数器CNTA的最大计数值(此时可以认为检测不到速度脉冲信号SPRA)，而测量到速度脉冲信号SPRB的周期TB不等于速度采集模块中计数器CNTB的最大计数值(此时可以认为能检测到速度脉冲信号SPRB)，则认为信号A所对应的通道故障，反之，如果测量到速度脉冲信号SPRA的周期TA不等于速度采集模块中计数器CNTA的最大计数值(此时可认为能检测到速度脉冲信号SPRA)，而测量到速度脉冲信号SPRB的周期TB等于速度采集模块中计数器CNTB的最大计数值(此时可认为检测不到速度脉冲信号SPRB)，则认为信号B所对应的通道故障。
当仅发生一路速度脉冲信号故障时，TA和TB的较小值仍等于电机的实际转速脉冲周期T，可以满足电机转速控制要求。
8.FPGA与外部通讯程序模块
设计FPGA与外部通讯的数据线为20位，地址线为6位，并且以1MHz的速度脉冲采集时钟CLK1M来计算速度脉冲，理论上速度频率范围可以达到0.9536Hz～1MHz，精度为10-6Hz。
FPGA根据中央处理器输出的片选信号、读使能信号和地址信号，将档位D0、处理后速度数据D1、电机方向和速度故障发送至中央处理器。
本发明基于FPGA的电机转速采集、解析方法是根据输入速度脉冲信号进行速度脉冲周期连续快速采集的方法，基于图1所示的采集装置，具体按照以下方式实施：
步骤1、接收外部输入的速度脉冲信号SPRA、SPRB，速度脉冲信号SPRA、SPRB来自于电机已有的速度采集装置(不属于本发明的一部分)；
步骤2、获取速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB，以TA和TB中的较小值作为电机的转速脉冲周期T；
步骤3、对转速脉冲周期T对进行处理，得到转速周期数据D0、D1，根据D0和D1反向计算，得到每一个时刻电机的实际转速脉冲周期；
步骤4、根据速度脉冲信号SPRA和SPRB判断电机转动方向、判断是否发生速度探针故障；
步骤5、将所采集处理的数据(包括转速周期数据D0、转速周期数据D1、方向数据、速度探针故障数据)，以固定地址，通过并行总线输出。
以上步骤1-5皆并行执行，即可实现实时采集速度频率、方向、故障信息的功能。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的电机转速采集、解析装置，其特征在于，包括：
时钟分频程序模块，用于对FPGA的输入时钟进行分频，得到速度脉冲采集时钟；
速度上升沿处理程序模块，用于对输入FPGA的速度脉冲信号SPRA和SPRB进行处理，得到相应的上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB；
速度采集程序模块，根据所述速度脉冲采集时钟的上升沿个数，实时统计速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB，并以TA和TB中的较小值为电机的转速脉冲周期T输出；
速度数据处理程序模块，将电机的转速脉冲周期T划分为N个区间，作为N个档位，N＝19或25；将电机当前转速所在档位作为一路转速周期数据D0，将(电机当前转速所在档位+1)*T作为另一路转速周期数据D1；
中央处理器，根据转速周期数据D0和转速周期数据D1，反向计算电机当前时刻的实际转速脉冲周期；
方向判断程序模块，以所述速度脉冲采集时钟为触发时钟，在上升沿信号POS_SPRA等于1时，若当前时刻的速度脉冲信号SPRB等于0，则当前时刻电机转动方向为正向，否则当前时刻电机转动方向为反向。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电机转速采集、解析装置，其特征在于：还包括速度故障判断程序模块，用于实时检测速度脉冲信号SPRA和SPRB，根据是否检测到信号判断通道是否发生故障。
3.基于FPGA的电机转速采集、解析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对FPGA的输入时钟进行分频，得到速度脉冲采集时钟；
2)FPGA对输入的速度脉冲信号SPRA和SPRB进行处理，得到SPRA和SPRB的上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB；
3)分别统计上升沿信号POS_SPRA和POS_SPRB在低电平时间内，所述速度脉冲采集时钟的上升沿个数，得到速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB，比较TA和TB的大小，以TA和TB中的较小值作为电机的转速脉冲周期T；以所述速度脉冲采集时钟为触发时钟，在上升沿信号POS_SPRA等于1时，若当前时刻的速度脉冲信号SPRB等于0，则当前时刻电机转动方向为正向，否则当前时刻电机转动方向为反向；
4)将电机的实际转速脉冲周期T划分为N个区间，作为N个档位；N＝18或24；
5)将电机当前转速所在档位作为一路转速周期数据D0，再将(电机当前转速所在档位+1)*T作为另一路转速周期数据D1；
6)对当前时刻的数据D1的大小进行判断，若大于最低档的最小转速脉冲周期，则使用当前转速周期数据D1和D0反向计算得到电机每一时刻的实际转速脉冲周期；否则使用上一时刻的转速周期数据D1和上一时刻的转速周期数据D0反向计算得到电机当前时刻的实际转速脉冲周期；
7)将步骤3)判断得到的电机转动方向，和步骤6)得到的电机当前时刻的实际转速脉冲周期输出。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的电机转速采集、解析方法，其特征在于，步骤3)中获取速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB的方法为：
在上升沿信号POS_SPRA为低电平时，速度脉冲采集时钟上升沿触发，计数器CNTA自加1；
在上升沿信号POS_SPRA为高电平时，将CNTA+1赋值给寄存器TA，同时将计数器CNTA赋值为1；
同理，
在上升沿信号POS_SPRB为低电平时，速度脉冲采集时钟上升沿触发，计数器CNTB自加1；
在上升沿信号POS_SPRB为高电平时，将CNTB+1赋值给寄存器TB，同时将计数器CNTB赋值为1；
以上操作循环执行，即可得到速度脉冲信号SPRA和SPRB的周期TA和TB。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA的电机转速采集、解析方法，其特征在于，若数据位宽为20位，则步骤4)具体为：
以实际转速脉冲周期T大于3096作为0档，
以实际转速脉冲周期T小于等于3096且大于3096/2＝1548作为1档，
以实际转速脉冲周期T小于等于1548且大于3096/3＝1032作为2档，
以此类推，
以实际转速脉冲周期T小于等于3096/24＝129且大于3096/25＝123.8作为24档，从而将速度脉冲周期T分为25档；
若数据位宽为16位，则步骤4)具体为：
以实际转速脉冲周期T大于1024作为0档，
以实际转速脉冲周期T小于等于1024且大于1024/2＝512作为1档，
以实际转速脉冲周期T小于等于512且大于1024/3＝341.3作为2档，
以此类推，
以实际转速脉冲周期T小于等于1024/18＝56.9且大于1024/19＝53.9作为18档，从而将速度脉冲周期T分为19档。
6.根据权利要求3所述的基于FPGA的电机转速采集、解析方法，其特征在于，还包括故障判断的步骤：
在步骤1-6)执行期间，实时检测速度脉冲信号SPRA和SPRB，当能检测到速度脉冲信号SPRA，但检测不到速度脉冲信号SPRB时，则认为信号B所对应的通道故障；反之，当检测不到速度脉冲信号SPRA，但能检测到速度脉冲信号SPRB时，则认为信号A所对应的通道故障。
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