CN110907658A - 一种码盘转速计算及故障检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种码盘转速计算及故障检测方法，包括以下步骤：对A脉冲、B脉冲进行滤波处理；对码盘的A脉冲、B脉冲进行四倍频处理；进行AB脉冲计数及零速防抖处理；进行转速计算；进行Z脉冲检测及初始角记录，并进行Z脉冲故障判断；进行码盘断线故障判断。本发明设计合理，在检测过程中通过自适应滤波环节，能够提高抗干扰性能，通过码盘信号倍频处理，能够提高转速输出精度，通过零速防抖动处理，能够提高零转速输出质量，采用综合手段，能够限制转速误判，使计算满足实时性和稳定性兼顾，可广泛用于交流电动机调速矢量控制系统。

Description

一种码盘转速计算及故障检测方法
技术领域
本发明属于交流电动机技术领域，尤其是一种码盘转速计算及故障检测方法。
背景技术
交流电动机调速矢量控制系统一般采用装于电动机轴上的编码器(也称为码盘)进行电动机转子位置和速度的反馈测量。
码盘通常采用A脉冲、B脉冲和Z脉冲输出形式，其中A、B脉冲为两个相位相差90°且占空比为0.5的方波(如图2所示)，Z脉冲为每机械周期发出1个窄脉冲。码盘每旋转一周，A、B信号输出相同数量的脉冲。当码盘正向旋转时，A脉冲超前B脉冲90°，输出计数脉冲为正值；当码盘反向旋转时，则B信号脉冲超前A信号脉冲90°，输出计数脉冲为负值。因而，可根据A、B脉冲的相位差来判断码盘的运动方向，同时完成正反转的计数。在脉冲周期T内，A、B两相脉冲信号共产生了四次变化，通常利用这四次变化产生四倍频信号，以提高转速测量精度。可以根据Z脉冲得到编码器零位置并对累计误差进行清零校正，避免码盘的计数偏差过大。
在工业现场应用时，由于存在各种各样的干扰因素，如机械振动、电磁干扰、共模干扰等，均会造成码盘A、B脉冲波形畸变，导致计数误差，从而影响转速测量准确度。为消除干扰因素影响，通常会对A、B脉冲波形进行滤波，滤波时间设置越大，则滤除干扰信号的效果越好，但滤波时间超过脉冲电平时间的一半以后，则可能会导致转速方向判断出错，因此码盘算法处理时必须合理选取滤波时间T。干扰因素也可能会导致Z脉冲的脉冲数增加或丢失，码盘算法也必须加以考虑。当码盘断线时，控制器如仍依赖码盘的转速反馈进行电机控制，会导致出现诸如电机剧烈震荡、电流很大、电机转不动甚至飞车等问题，为此需对码盘断线进行判断，当识别到码盘断线时，及时停止电机运行或切换为无码盘控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种码盘转速计算及故障检测方法，解决了由于干扰因素导致码盘测速不准确以及码盘断线识别的问题。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种码盘转速计算及故障检测方法，包括以下步骤：
步骤1、对A脉冲、B脉冲进行滤波处理；
步骤2、对码盘的A脉冲、B脉冲进行四倍频处理；
步骤3、进行AB脉冲计数及零速防抖处理；
步骤4、进行转速计算；
步骤5、进行Z脉冲检测及初始角记录，并进行Z脉冲故障判断。
步骤6、进行码盘断线故障判断。
所述步骤1的具体实现方法为：
将整形滤波时间按照转速分为五档，设A信号计数器cnta、B信号计数器cntb和Z信号计数器为cntz的取值范围为0～CNT，CNT为计数标志个数；
当码盘信号A高电平时，计数器cnta加1，当信号A低电平时，计数器cnta减1，
当码盘信号B高电平时，计数器cntb加1，当B低电平时，计数器cntb减1，
当码盘信号Z高电平时，计数器cntz加1，当Z低电平时，计数器cntz减1，
当cnta＝CNT时，输出整形后信号A＝1；当cnta＝0时，输出整形后信号A＝0；
当cntb＝CNT时，输出整形后信号B＝1；当cntb＝0时，输出整形后信号B＝0；
当cntz＝CNT时，输出整形后信号Z＝1；当cntz＝0时，输出整形后信号Z＝0；
通过上述方法实现码盘输入信号ABZ随转速的整形，不同转速下滤波自适应变化功能。
所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：
⑴记录脉冲A当前时刻值A和上一时刻AL，将两者取反值并分别记为NA和NAL；
⑵记录脉冲B当前时刻值B和上一时刻BL，将两者取反值并分别记为NB和NBL；
⑶若A&AL为1，则脉冲A处于1状态；
⑷若NA&NAL为1，则脉冲A处于0状态；
⑸若A&NAL为1，则脉冲A处于上升变化状态；
⑹若NA&AL为1，则脉冲A处于下降变化状态；
⑺若NB&NBL&A&NAL为1，则脉冲A处于上升变化状态，存在1个正脉冲信号；
按上述方法得到4种组合表示正脉冲信号和负脉冲信号，实现码盘信号4倍频功能。
所述步骤3的具体实现方法为：
用TH表示码盘角度，用M1记录脉冲个数，用M2K记录每相邻2个脉冲信号间隔时间，用M2L记录每次更新周期TA内的脉冲个数对应的总时间，
当正脉冲信号发生时，TH＝TH+1,M1＝M1+1,M2L＝M2L+M2K,M2K清零；
当负脉冲信号发生时，TH＝TH+1,M1＝M1-1,M2L＝M2L+M2K,M2K清零；
当更新周期时刻TA到来时，若M1≠0，则输出THO＝TH,M1O＝M1,M2O＝M2L，再将M2L＝M2K,M2K清零。
当更新周期时刻TA到来时，若M1＝0，转速数据不予更新，直到某一更新时刻TA到来时M1≠0，重复上述计算过程，实现每个TA周期内转速的精确计算；
通过增加状态变量ac、状态变量lac记录正负脉冲信号变化状态，当正脉冲信号发生时，状态变量ac＝1，当负脉冲信号发生时，状态变量ac＝0，用状态变量lac记录ac上一个周期的值，
当更新周期时刻TA到来时，若ac＝lac时，则允许THO、M1O、M2O进行更新，若ac≠lac时，则不允许更新，从而将TA时刻左右出现的正负脉冲纳入更大的时间范围去进行判断，消除零速码盘抖动带来的影响。
所述步骤4采用如下公式计算转速N：
Figure BDA0002316832160000021
其中，M1O是一个采样周期内测到的脉冲个数；M2O是计录M1O个脉冲花费的总时间，PPR为码盘线数，PP是极对数。
所述步骤5的具体实现方法为：
设定Z脉冲当前时刻值为Z，上一时刻值为ZL，两者取反值分别记为NZ和NZL；
若Z&NZL为1，则Z脉冲处于上升变化状态；然后执行以下步骤：
⑴当第一次检测到Z脉冲上升沿时，记录初始角度TH_init＝TH；
⑵每当TH角度变化量超过“码盘线数*4”时，用于记录未检测到Z脉冲的状态变量TH_cycle加1，用TH_cycle表示Z脉冲丢失的数量；
⑶记录TH_deta＝|TH-TH_init|，若TH_deta小于误差范围，则TH＝TH_init，将角度更新成初始角；
⑷若TH_deta超出误差范围，则ENC_erro加1，用ENC_erro记录z脉冲错误数。
所述步骤6的具体实现方法包括以下步骤：
⑴设定转速计算值的变化量限幅值LIM，用于限制相邻周期内转速变化量；
⑵对当前周期和上一周期转速计算值求差，判断差值是否大于设定故障门槛值；
⑶当差值大于门槛值持续4个周期时，发出码盘断线报警；当差值大于门槛值持续10个周期，则报码盘断线故障。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计合理，在检测过程中通过自适应滤波环节，能够提高抗干扰性能，通过码盘信号倍频处理，能够提高转速输出精度，通过零速防抖动处理，能够提高零转速输出质量，采用综合手段，能够限制转速误判，使计算满足实时性和稳定性兼顾，可广泛用于交流电动机调速矢量控制系统。
附图说明
图1是本发明的码盘转速计算计故障检测原理图；
图2是电机正/反转时A、B脉冲波形图；
图3是A、B脉冲滤波处理波形图；
图4是脉冲计数波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。
一种码盘转速计算及故障检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、使用滤波模块对A、B脉冲进行滤波处理。
实际应用时，干扰因素会导致脉冲A、B的波形产生畸变，为此需要对脉冲A、B的输入波形进行滤波处理，如图3所示。A_IN和B_IN分别为脉冲A输入信号和脉冲B输入信号，A和B分别为经过整形后的脉冲A输入信号和脉冲B输入信号，T为整形滤波时间。为尽可能滤除干扰信号，希望整形滤波时间T设置越大越好，但如果T超过脉冲高电平时间的一半后，会使转速方向判断出错。而且不同转速下，脉冲高电平时间也会不同，所以为了更好的滤除不同转速下干扰信号，将整形滤波时间按照转速分为五档。
设更新周期为400us，计数器分辨率为25ns，A/B信号当前脉宽设为Tk，脉宽分为五档周期T0～T4。
T0＝1.6us,T1＝3.2us,T2＝6.4us,T3＝12.8us,T4＝25.6us
当0<Tk<T0时，
当T0<Tk≤T1时，CNT＝32，即T＝0.8us
当T1<Tk≤T2时，CNT＝64，即T＝1.6us
当T2<Tk≤T3时，CNT＝128，即T＝3.2us
当T3<Tk≤T4时，CNT＝256，即T＝6.4us
当T4<Tk≤T5时，CNT＝512，即T＝12.8us
当T4<Tk时，CNT＝1024，即T＝25.6us
其中，CNT为计数标志个数。
设A信号计数器cnta，B信号计数器cntb，Z信号计数器为cntz。
当码盘信号A高电平时，计数器cnta加1，当信号A低电平时，计数器cnta减1，cnta的范围0～CNT。
当码盘信号B高电平时，计数器cntb加1，当B低电平时，计数器cntb减1，cntb的范围0～CNT。
当码盘信号Z高电平时，计数器cntz加1，当Z低电平时，计数器cntz减1，cntz的范围0～CNT。
当cnta＝CNT时，输出整形后信号A＝1；当cnta＝0时，输出整形后信号A＝0；
当cntb＝CNT时，输出整形后信号B＝1；当cntb＝0时，输出整形后信号B＝0；
当cntz＝CNT时，输出整形后信号Z＝1；当cntz＝0时，输出整形后信号Z＝0；
通过上述方法实现码盘输入信号ABZ随转速的整形，不同转速下滤波自适应变化。
步骤2、使用倍频处理模块对码盘的A、B脉冲信号进行四倍频处理，具体方法为：
⑴记录脉冲A当前时刻值A和上一时刻AL，将两者取反值记为NA和NAL；
⑵记录脉冲B当前时刻值B和上一时刻BL，将两者取反值记为NB和NBL；
⑶若A&AL为1，表示A连续2个周期为1，可认为脉冲A处于1状态；
⑷若NA&NAL为1，表示A连续2个周期为0，可认为脉冲A处于0状态；
⑸若A&NAL为1，表示A当前为1，上个周期为0，可认为脉冲A处于上升变化状态；
⑹若NA&AL为1，表示A当前为0，上个周期为1，可认为脉冲A处于下降变化状态；
⑺若NB&NBL&A&NAL为1，表示B处于0状态，A处于上升变化状态，此时按定义是存在1个正脉冲信号。
以此类推，分别存在4种组合表示正脉冲信号和负脉冲信号，相当于将码盘信号进行了4倍频。
步骤3、使用AB脉冲计数及零速防抖模块进行AB脉冲计数及零速防抖处理。
转速计数和方向判断原理如图2所示。当电机正向旋转时，即会存在B低A升(脉冲B为低电平，脉冲A处于上升沿)，A高B升(脉冲A高电平，脉冲B处于上升沿)，B高A降(脉冲B高电平，脉冲A处于下降沿)，A低B降(脉冲A低电平，脉冲B处于下降沿)四种码盘脉冲沿；当电机反向旋转时，即会存在A低B升，B高A升，A高B降，B低A降四种码盘脉冲沿。
用TH表示码盘角度，如图4所示，用M1记录脉冲个数，用M2K记录每相邻2个脉冲信号间隔时间，用M2L记录每次更新周期TA(400us)内的脉冲个数对应的总时间，M2K每25ns增加1。
当正脉冲信号发生时，TH＝TH+1,M1＝M1+1,M2L＝M2L+M2K,M2K清零
当负脉冲信号发生时，TH＝TH+1,M1＝M1-1,M2L＝M2L+M2K,M2K清零
当更新周期时刻TA到来时，若M1≠0，则输出THO＝TH,M1O＝M1,M2O＝M2L
再将M2L＝M2K,M2K清零。
当更新周期时刻TA到来时，若M1＝0，说明该周期内码盘没有正负脉冲信号或相互抵消，转速数据不予更新，直到某一更新时刻TA到来时M1≠0，重复上述计算过程。
由此实现每个TA周期内转速的精确计算，用M2O精确对应M1O个脉冲信号间隔的时间，没有任何误差。
但是当零速状态下，由于码盘的抖动，存在一定概率，使TA时刻左右两侧存在正负脉冲信号，则按照上述计算方法，会导致误判。
此时通过增加状态变量ac、lac记录正负脉冲信号变化状态，当正脉冲信号发生时，ac＝1。当负脉冲信号发生时，ac＝0。用lac记录ac上一个周期的值。
当更新周期时刻TA到来时，若ac＝lac时，即相邻2个脉冲信号同相，允许THO、M1O、M2O进行更新，若ac≠lac时，则不允许更新，将TA时刻左右出现的正负脉冲纳入更大的时间范围去进行判断，由此消除零速码盘抖动带来的影响。
步骤4、使用转速计算模块进行转速计算。
综上，M2O是计录M1O个脉冲花费的总时间，计数单位是25ns；
M1O是一个采样周期(400us～1.6ms可设置)内测到的脉冲个数；
M2O/M1O*25ns就代表单个脉冲的间隔时间，t＝PPR*4*M2O/M1O*25*10-9s就代表码盘转1圈的时间，其中，PPR为码盘线数，因采用4倍频计算，故转一圈码盘脉冲数为PPR*4；
从而获得1/t即为当前机械频率，单位Hz；
PP/t就是电气转速，其中PP是极对数，即转速
Figure BDA0002316832160000051
步骤5、使用Z脉冲检测+初始角记录模块进行Z脉冲检测及初始角记录，并使用Z脉冲故障模块进行Z脉冲故障判断。
设定Z脉冲当前时刻值为Z，上一时刻值为ZL，两者取反值分别记为NZ和NZL。
若Z&NZL为1，表示Z脉冲当前值为1，上时刻值为0，可认为Z脉冲处于上升变化状态。
⑴当第一次检测到Z脉冲上升沿时，记录初始角度TH_init＝TH；
⑵每当TH角度变化量超过“码盘线数*4”时，用于记录未检测到Z脉冲的状态变量TH_cycle加1，用TH_cycle表示Z脉冲丢失的数量。
当以后每次检测到Z脉冲上升沿时，同时用于记录未检测到Z脉冲的状态变量TH_cycle清零。
⑶与此同时，记录TH_deta＝|TH-TH_init|，即两者之差的绝对值，若TH_deta小于误差范围，则TH＝TH_init，即将角度更新成初始角
⑷若TH_deta超出误差范围，则认为此z脉冲信号不对，ENC_erro加1，用ENC_erro记录z脉冲错误数。
步骤6、使用综合故障综合保护模块进行码盘断线故障判断。
当码盘电路断线或存在严重干扰时，为避免转速剧烈变化，设定码盘转速计算值在相邻周期内变化量不能超过限幅值(码盘正常时，相邻周期转速变化值一定不会达到该限幅值)。当相邻周期转速变化值持续达到限幅值，则表明存在码盘断线故障。具体实现方法为：
⑴设定转速计算值的变化量限幅值LIM，用于限制相邻周期内转速变化量
⑵对当前周期和上一周期转速计算值求差，判断差值是否大于设定故障门槛值；
⑶当差值大于门槛值持续4个周期时，发出码盘断线报警；当差值大于门槛值持续10个周期，则报码盘断线故障。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种码盘转速计算及故障检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、对A脉冲、B脉冲进行滤波处理；
步骤2、对码盘的A脉冲、B脉冲进行四倍频处理；
步骤3、进行AB脉冲计数及零速防抖处理；
步骤4、进行转速计算；
步骤5、进行Z脉冲检测及初始角记录，并进行Z脉冲故障判断；
步骤6、进行码盘断线故障判断。
2.根据权利要求1所述的一种码盘转速计算及故障检测方法，其特征在于：所述步骤1的具体实现方法为：
将整形滤波时间按照转速分为五档，设A信号计数器cnta、B信号计数器cntb和Z信号计数器为cntz的取值范围为0～CNT，CNT为计数标志个数；
当码盘信号A高电平时，计数器cnta加1，当信号A低电平时，计数器cnta减1，
当码盘信号B高电平时，计数器cntb加1，当B低电平时，计数器cntb减1，
当码盘信号Z高电平时，计数器cntz加1，当Z低电平时，计数器cntz减1，
当cnta＝CNT时，输出整形后信号A＝1；当cnta＝0时，输出整形后信号A＝0；
当cntb＝CNT时，输出整形后信号B＝1；当cntb＝0时，输出整形后信号B＝0；
当cntz＝CNT时，输出整形后信号Z＝1；当cntz＝0时，输出整形后信号Z＝0；
通过上述方法实现码盘输入信号ABZ随转速的整形，不同转速下滤波自适应变化功能。
3.根据权利要求1所述的一种码盘转速计算及故障检测方法，其特征在于：所述步骤2的具体实现方法包括以下步骤：
⑴记录脉冲A当前时刻值A和上一时刻AL，将两者取反值并分别记为NA和NAL；
⑵记录脉冲B当前时刻值B和上一时刻BL，将两者取反值并分别记为NB和NBL；
⑶若A&AL为1，则脉冲A处于1状态；
⑷若NA&NAL为1，则脉冲A处于0状态；
⑸若A&NAL为1，则脉冲A处于上升变化状态；
⑹若NA&AL为1，则脉冲A处于下降变化状态；
⑺若NB&NBL&A&NAL为1，则脉冲A处于上升变化状态，存在1个正脉冲信号；
按上述方法得到4种组合表示正脉冲信号和负脉冲信号，实现码盘信号4倍频功能。
4.根据权利要求1所述的一种码盘转速计算及故障检测方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：
用TH表示码盘角度，用M1记录脉冲个数，用M2K记录每相邻2个脉冲信号间隔时间，用M2L记录每次更新周期TA内的脉冲个数对应的总时间，
当正脉冲信号发生时，TH＝TH+1,M1＝M1+1,M2L＝M2L+M2K,M2K清零；
当负脉冲信号发生时，TH＝TH+1,M1＝M1-1,M2L＝M2L+M2K,M2K清零；
当更新周期时刻TA到来时，若M1≠0，则输出THO＝TH,M1O＝M1,M2O＝M2L，再将M2L＝M2K,M2K清零。
当更新周期时刻TA到来时，若M1＝0，转速数据不予更新，直到某一更新时刻TA到来时M1≠0，重复上述计算过程，实现每个TA周期内转速的精确计算；
通过增加状态变量ac、状态变量lac记录正负脉冲信号变化状态，当正脉冲信号发生时，状态变量ac＝1，当负脉冲信号发生时，状态变量ac＝0，用状态变量lac记录ac上一个周期的值，
当更新周期时刻TA到来时，若ac＝lac时，则允许THO、M1O、M2O进行更新，若ac≠lac时，则不允许更新，从而将TA时刻左右出现的正负脉冲纳入更大的时间范围去进行判断，消除零速码盘抖动带来的影响。
5.根据权利要求1所述的一种码盘转速计算及故障检测方法，其特征在于：所述步骤4采用如下公式计算转速N：
Figure FDA0002316832150000021
其中，M1O是一个采样周期内测到的脉冲个数；M2O是计录M1O个脉冲花费的总时间，PPR为码盘线数，PP是极对数。
6.根据权利要求1所述的一种码盘转速计算及故障检测方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现方法为：
设定Z脉冲当前时刻值为Z，上一时刻值为ZL，两者取反值分别记为NZ和NZL；
若Z&NZL为1，则Z脉冲处于上升变化状态；然后执行以下步骤：
⑴当第一次检测到Z脉冲上升沿时，记录初始角度TH_init＝TH；
⑵每当TH角度变化量超过“码盘线数*4”时，用于记录未检测到Z脉冲的状态变量TH_cycle加1，用TH_cycle表示Z脉冲丢失的数量；
⑶记录TH_deta＝|TH-TH_init|，若TH_deta小于误差范围，则TH＝TH_init，将角度更新成初始角；
⑷若TH_deta超出误差范围，则ENC_erro加1，用ENC_erro记录z脉冲错误数。
7.根据权利要求1所述的一种码盘转速计算及故障检测方法，其特征在于：所述步骤6的具体实现方法包括以下步骤：
⑴设定转速计算值的变化量限幅值LIM，用于限制相邻周期内转速变化量；
⑵对当前周期和上一周期转速计算值求差，判断差值是否大于设定故障门槛值；
⑶当差值大于门槛值持续4个周期时，发出码盘断线报警；当差值大于门槛值持续10个周期，则报码盘断线故障。
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