CN111610342A - 一种旋转机械频率测量方法及转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旋转机械频率测量与转换方法，包括以下步骤：S1：获取原始频率的输入信号，进行共模滤波和差模滤波；S2：进行高输入阻抗匹配，并滤除输入信号中的直流分量；S3：进行限幅，再经差分运放去除共模信号；S4：输入滞回比较器进行比较，得到输出高电平、低电平的频率信号；S5：经驱动芯片驱动高速三极管，输出与输入信号同步的高速开关信号；S6：通过隔离后发送至FPGA进行计数处理得到实际转速值；当实际转速值超过预先设置的阈值时，得到数字量输出信号；S7：FPGA输出转速数字信号经SPI接口，写入DA转换芯片，得到转速模拟量输出信号。本申请拓宽了频率测量和应用范围，在旋转机械转速监测、控制和保护控制方面有很好的应用前景。

Description

一种旋转机械频率测量方法及转换装置
技术领域
本发明涉及频率测量与转换技术领域，具体涉及一种旋转机械频率测量方法及转换装置。
背景技术
频率测量是旋转机械监测、控制和保护最基本、最重要的任务之一，其目标是获得准确、实时的频率信号并转换成系统监测、控制和保护所需的相应输出信号，目前频率测量转换装置分为专用和通用两类。
专用的频率测量转换装置，主要指一些控制系统厂商为实现旋转机械保护控制功能，在其控制系统平台基础上开发的专用频率测量模块，这些频率测量模块一般与其本身控制系统组合使用，通用性差，如各分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）厂商开发的频率测量模块不能互换使用。
通用的频率测量转换装置，一般是一入一出的频率隔离器，即输入一路频率检测，输出一路对应转速的模拟量输出（4~20mA），模拟量输出用于转速监测和控制。
旋转机械转速测量主要采用磁阻式传感器（输出正弦波信号），对于可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系统，一般只有脉冲输入卡件，无法直接接收磁阻式转速传感器来的信号，所以只能采用通用的频率测量转换装置的转速模拟量输出（4~20mA），而模拟量输出对应转速分辨率较低，影响了PLC系统的转速监测和控制精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种旋转机械频率测量方法及转换装置，采用FPGA等数字式电子回路，能够实现输入测量及转换输出参数的设置，能够拓宽频率测量和应用范围，在旋转机械转速监测、控制和保护控制方面有较好的应用前景。
本发明的技术方案如下所示：
一种旋转机械频率测量与转换方法，包括以下步骤：
S1：从旋转机械设备现场获取原始频率的输入信号，通过共模高压电容和差模电容进行共模滤波和差模滤波；
S2：对经步骤S1处理后的信号进行高输入阻抗匹配，并滤除输入信号中的直流分量；
S3：对经步骤S2处理的信号进行限幅，再经差分运放去除共模信号；
S4：将经步骤S3处理的信号输入滞回比较器进行比较，得到输出高电平、低电平的频率信号；
S5：将步骤S4中得到的比较后的频率信号经驱动芯片驱动高速三极管，输出与输入信号同步的高速开关信号；
S6：将步骤S4中得到的比较后的频率信号通过隔离后发送至FPGA进行计数处理得到实际转速值；当实际转速值超过预先设置的阈值时，由FPGA输出控制信号驱动PhotoMOS管，得到数字量输出信号；
S7：FPGA利用实际转速值来输出转速数字信号经SPI接口，写入DA转换芯片，得到转速模拟量输出信号。
优选的，步骤S1所述原始的频率输入信号为方波或正弦波信号。
优选的，步骤S3所述的限幅具体为将经步骤S2处理的信号的电压钳位至1.2V。
优选的，步骤S4所述的高电平、低电平的值可以通过拨码开关进行设置，其中低电平的值设为0V，高电平的值设为5V。
优选的，步骤S6所述的实际转速值的计算方法为：实际转速值=（60×频率）/齿数。
优选的，步骤S6所述数字量输出信号共设置了两路输出。
优选的，步骤S7所述的转速模拟量输出信号为4~20mA范围的电流信号。
一种旋转机械频率测量与转换装置，使用到旋转机械频率测量与转换方法，包括输入输出接口、FPGA芯片、通讯接口和电源管理模块。
优选的，所述输入输出接口包括频率输入接口、模拟量输出接口、数字量输入接口、第一数字量输出接口，第二数字量输出接口和无源脉冲输出接口。
优选的，所述通讯接口采用Modbus RTU通讯协议。
本发明的技术效果为：本发明通过对频率信号的前期阻抗匹配处理，可以完成对高输入阻抗转速传感器的检测与显示，同时输出与输入信号同步的高速开关信号，该信号可用于与PLC系统通信实现旋转机械的转速控制，提高了转速控制的精度；本发明采用FPGA等数字式电子回路，能够实现输入测量及转换输出参数的设置，拓宽频率测量和应用范围，在旋转机械转速监测、控制和保护控制方面有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例测量方法及转换的流程图。
图2为本发明实施例频率测量及转换装置硬件原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行进一步的说明。
如图1所示，一种旋转机械频率测量与转换方法，包括以下步骤：
步骤1：首先从旋转机械设备现场获取原始频率输入信号（该信号可以是方波或正弦波），经过共模高压电容和差模电容进行低通进行共模和差模滤波。
步骤2：然后对输入信号进行高输入阻抗匹配，以及滤除信号中的直流分量，本发明实施例并入了30千欧的电阻，完成对高输入阻抗转速传感器的检测与显示。
步骤3：经过限幅将滤波后的信号电压钳位在1.2V，然后进行差分运放去除当中的共模信号。
步骤4：把信号输入滞回比较器进行比较，比较后得到输出高、低电平的频率信号，高、低电平值可以通过拨码开关进行设置，本发明实施例设置低电平为0V，高电平为5V。
步骤5：比较后的频率信号经驱动芯片驱动高速三极管，输出与输入信号同步的高速开关信号（脉冲输出）。转换后的高速开关信号又可以被PLC系统的脉冲卡接收，与PLC系统实现旋转机械的转速控制，提高了转速控制的精度。
步骤6：同时将比较后的频率信号通过隔离后送往FPGA进行计数处理得到实际转速值。实际转速值（rpm）、频率（Hz）和齿数关系为：
转速=（60×频率）/齿数
步骤7：当实际转速大于设定的报警（停机）转速时，由FPGA输出控制信号驱动PhotoMOS管，实现数字量报警输出，本实施例转换输出2路数字量输出信号DO1和DO2。
步骤8：FPGA输出转速数字信号经SPI接口，写入DA转换芯片，实现数模转换后可输出4~20mA范围的电流信号，对应通讯设置的转速上下限等参数。
如图2所示，基于上述方法，本实施例还提供了一种旋转机械频率测量与转换装置，用于实现上述方法，由输入输出通道、现场可编程门阵列（FPGA）、通讯接口和电源管理模块组成。
输入输出通道有1路频率输入、1路模拟量输出、1路数字量输入、2路数字量输出和1路无源脉冲输出。
频率输入PI信号首先经过整形、比较，一路经隔离送往FPGA，另一路经驱动芯片驱动高速三极管，输出与输入信号同步的高速开关信号（脉冲输出）。
FPGA对频率信号计数处理后得到实际转速值，然后通过转换输出转速模拟量输出AO和数字量输出DO信号。
数字量输入DI通道用于启动试验功能，当DI=TRUE时，启用试验功能时，相应的报警动作转速提高1.03倍。
通讯接口采用Modbus RTU通讯协议，连接到FPGA，可以设置测速齿盘齿数、报警转速、报警死区、报警输出方式、报警输出延时时间、模拟量输出转速上下限等参数，以及从FPGA读取实际转速值。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：从旋转机械设备现场获取原始频率的输入信号，通过共模高压电容和差模电容进行共模滤波和差模滤波；
S2：对经步骤S1处理后的信号进行高输入阻抗匹配，并滤除输入信号中的直流分量；
S3：对经步骤S2处理的信号进行限幅，再经差分运放去除共模信号；
S4：将经步骤S3处理的信号输入滞回比较器进行比较，得到输出高电平、低电平的频率信号；
S5：将步骤S4中得到的比较后的频率信号经驱动芯片驱动高速三极管，输出与输入信号同步的高速开关信号；
S6：将步骤S4中得到的比较后的频率信号通过隔离后发送至FPGA进行计数处理得到实际转速值；当实际转速值超过预先设置的阈值时，由FPGA输出控制信号驱动PhotoMOS管，得到数字量输出信号；
S7：FPGA利用实际转速值来输出转速数字信号经SPI接口，写入DA转换芯片，得到转速模拟量输出信号。
2.根据权利要求1所述的旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，步骤S1所述原始的频率输入信号为方波或正弦波信号。
3.根据权利要求1所述的旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，步骤S3所述的限幅具体为将经步骤S2处理的信号的电压钳位至1.2V。
4.根据权利要求1所述的旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，步骤S4所述的高电平、低电平的值可以通过拨码开关进行设置，其中低电平的值设为0V，高电平的值设为5V。
5.根据权利要求1所述的旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，步骤S6所述的实际转速值的计算方法为：实际转速值=（60×频率）/齿数。
6.根据权利要求1所述的旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，步骤S6所述数字量输出信号共设置了两路输出。
7.根据权利要求1所述的旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，步骤S7所述的转速模拟量输出信号为4~20mA范围的电流信号。
8.一种旋转机械频率测量与转换装置，使用到权利要求1-7中任意一项所述的旋转机械频率测量与转换方法，其特征在于，包括输入输出接口、FPGA芯片、通讯接口和电源管理模块。
9.根据权利要求8中的旋转机械频率测量与转换装置，其特征在于，所述输入输出接口包括频率输入接口、模拟量输出接口、数字量输入接口、第一数字量输出接口，第二数字量输出接口和无源脉冲输出接口。
10.根据权利要求8中的旋转机械频率测量与转换装置，其特征在于，所述通讯接口采用Modbus RTU通讯协议。
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