CN111766400A - 一种基于电荷感应判别转子正反转的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于电荷感应判别转子正反转的方法，其特征在于在转子边缘增加一个孔洞或凸起物，孔洞或凸起物随转子同步转动摩擦空气产生电荷，在转子边缘非直径方向放置两个与转子表面平行的金属极板感应电荷变化，两个金属极板连接至两个电荷传感器将感应电荷量转换为电压量，电荷传感器连接至模数转换器实现两路电压信号采集，模数转换器连接至信号处理模块实现噪声滤除和相位分析，最终通过两信号的相位超前滞后关系实现转子正反转的判别。本发明方法的显著特征在于基于电荷感应实现正反转的判别，可遮挡检测，不受灰尘影响，也无需增加磁性体，具有抗干扰能力强，易实现，低成本等显著优点。

Description

一种基于电荷感应判别转子正反转的方法

技术领域

本发明涉及一种判别转子正反转的方法，尤其涉及一种基于电荷感应以及相位关系实现判别转子正反转的方法。

背景技术

目前对于转子检测的方法中，主要有光电成像技术和磁感应技术等。目前大部分光电检测技术主要是在测量装置内增加一个具有光敏面的转盘，转子的旋转带动转盘转动，再利用光电系统对转盘进行光电测量，将转盘的转速信号转换为电信号，再由后续处理电路进行处理，最终输出转子速度大小与方向。但光电方法容易受到灰尘等影响，不利于工业环境使用。磁感应式测量是在转子上设置磁性体随转子转动，利用转子周围的两个磁感应元件将转速数据传输给处理电路，根据感应元件信号的先后最终可判断出电机的正反转。但该方法由于磁性体的加入，不适应于转子周围金属类装置较多的场景，有一定局限性。因此，需要一种新的转向检测方法以克服灰尘，外加磁性体等现有方法的不足。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提出一种基于电荷感应判别转子正反转的方法。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：

如附图1所示，在转子边缘增加一个孔洞或凸起物，孔洞或凸起物随转子同步转动摩擦空气产生电荷，在转子边缘非直径方向放置两个与转子表面平行的金属极板感应电荷变化，两个金属极板连接至两个电荷传感器将感应电荷量转换为电压量，电荷传感器连接至模数转换器实现两路电压信号采集，模数转换器连接至信号处理模块实现噪声滤除和相位分析，最终通过两信号的相位超前滞后关系实现转子正反转的判别。

上述判别转子正反转的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在转子边缘处增加一个孔洞或凸起物随转子同步转动，孔洞或凸起物中心O₁与转子中心O距离为r，孔洞和凸起物的大小根据需要可以调整，凸起物材质优选绝缘体，但不限于绝缘体；

2)孔洞或凸起物随转子同步转动摩擦空气产生电荷，可等效为电荷量为Q₀的质点围绕转子中心做半径为r的圆周运动；

3)将两个面积为A的金属极板放置在转子边缘非直径方向位置处，两个极板表面与转子表面平行，设极板1中心M₁为坐标系原点，以极板表面为x-y平面，与极板表面垂直的方向为z轴，记转子中心O坐标为(a，b，h)，转子的中心O在x-y平面上的投影点不在两极板中心M₁和M₂的连线上，两个极板中心的距离|M₁M₂|＝d；

4)将两个极板分别接入两个电荷传感器，电荷传感器通过输入电容C_i将极板采集到的电荷量Q转换为电压量V，当转子以角速度ω朝某个方向转动时，设孔洞或凸起物初相位为θ，极板表面感应到的电荷量Q为

则由电荷传感器得到的两路电压信号V₁和V₂为：

x＝a+r cos(ωt+θ)

y＝b+r sin(ωt+θ)

其中(x，y，z)为孔洞或凸起物中心O₁坐标，H为电荷传感器系统增益；

5)将两个电荷传感器连接至模数转换模块，进行信号采集，模数转换器的转换位数可以根据信号大小进行选择，如12位，16位，24位等；

6)将模数转换模块连接至信号处理模块，进行噪声滤除，并进行两路信号的相位分析，其中噪声滤除方法可以采用带通滤波器，相位分析方法可以采用相关法；

7)在180°的相位差范围内，若极板2的信号超前极板1的信号，说明转子正转，即从极板2向极板1转动，若极板1的信号超前极板2的信号，说明转子反转，即从极板1向极板2转动，从而可以实现转子正反转的判别。

本发明方法的显著特征在于基于电荷感应实现正反转的判别，可遮挡检测，不受灰尘影响，也无需增加磁性体，具有抗干扰能力强，易实现，低成本等显著优点。

附图说明

图1为系统检测示意图。

图2为转子等效模型图。

图3为实施例测试场景图。

图4为实施例输出信号仿真结果。

图5为实施例输出信号实测结果。

实施例

结合以下转子转动实施例，对本发明提出的基于电荷感应判别转子正反转的方法做如下具体说明：

1)实测转子为一半径为R＝1.5cm的表面均匀转子，在转子边缘增加一个孔洞，孔洞半径r_i＝0.5cm，孔洞中心O₁与转子中心O距离r＝0.8cm；

2)孔洞随转子同步转动摩擦空气产生电荷，可等效为电荷量为Q₀的质点S围绕转子中心做半径为r的圆周运动，等效模型如附图2所示；

3)将两个面积为12cm²的圆形表面镀锡极板放置在转子边缘非直径方向位置处，两个极板表面与转子表面平行，设极板1中心M₁为坐标系原点，以极板表面为x-y平面，与极板表面垂直的方向为z轴，记转子中心O坐标为(a，b，h)，此处取a＝3cm，b＝2cm，h＝4cm，转子的中心O在x-y平面上的投影点不在两极板中心M₁和M₂的连线上，两个极板中心的距离|M₁M₂|＝6cm，实施例测试场景图如附图3所示；

4)将两个极板分别接入两个电荷传感器，电荷传感器的输入电容C_i为10pF，系统增益H为6，电荷传感器通过输入电容C_i将极板采集到的电荷量Q转换为电压量V，当转子以角速度ω，朝某个方向转动时，设孔洞转动初相位为θ，极板表面感应到的电荷量Q为

则由电荷传感器得到的两路电压信号V₁和V₂为：

x＝a+r cos(ωt+θ)

y＝b+r sin(ωt+θ)

其中(x，y，z)为孔洞中心O₁的坐标。由式(4)可知，当a＝b＝0时，输出信号

为一直流信号，与转速的大小和方向都无关，因此放置极板应满足a，b不全为0，即测试极板的中心都不能正对转子中心。

设转子的角速度为ω＝60π rad/s，当转子顺时针转时，由式(4)得到的转子正转仿真结果如附图4(a)所示；当转子逆时针转时，由式(4)得到的转子反转仿真结果如附图4(b)所示。可以看出在180°的相位差范围内，正转时，极板2的信号超前极板1的信号，反转时，极板1的信号超前极板2的信号。

5)将两个电荷传感器连接至模数转换模块ADS1298，进行信号采集，采样率f_s＝250Hz。设置转子转动频率ω＝60π rad/s，分别采集转子正反转时两通道电压信号。

6)将模数转换模块连接至信号处理模块MSP430F5528，进行带通滤波处理滤除噪声，处理后正转两通道信号如附图5(a)所示，反转两通道信号如附图5(b)所示；对比附图4和附图5可知，实测结果正反转时两通道相位关系和仿真结果相同，其中实测结果中两通道幅值大小不同是因为放置时两极板相对于转子中心不完全对称，但不会影响两通道相对相位关系。

对两路信号采用相关法进行相位分析。

若已知两个信号A(t)和B(t)在时间间隔T内的互相关函数的计算公式如下：

R_AB是时延τ的函数，由相关函数的性质可知：A(t)、B(t)同相时R_AB有最大值，即R_AB取得最大值时，对应的时间τ即为B(t)相对A(t)的时延。时延τ＞0，代表B相对于A超前时间为τ；时延τ＜0，代表B相对于A滞后时间为τ。当信号为离散信号时，上式表达形式为：

若原模拟信号频率为f₀，采样率为f_s，同样有当r_AB取得最大值y_max时，在r_AB函数图中对应的采样点数M与时延τ的关系为：

τ＝(M-N)/f_s (7)

相位差δ为：

δ＝(M-N)/f_s×f₀×360° (8)

为了辨别附图5中正反转两种情况下的相位关系，设定板2信号相对于板1信号相位差δ范围为-180°＜δ＜180°。若计算得到的相位差δ＞180°，则δ′＝δ-360°×k(k＝1，2，3...)；若计算得到的相位差δ＜-180°，则δ′＝δ+360°×k(k＝1，2，3...)，以使相位差δ满足|δ|＜180°。

则对于附图5(a)，相位差0°＜δ＜180°，板2信号超前于板1信号|δ|；对于附图5(b)，相位差-180°＜δ＜0°，板2信号滞后于板1信号|δ|。反过来，在以上设定下，当处理得到0°＜δ＜180°，可判断为正转；当处理得到-180°＜δ＜0°，可判断为反转。

7)根据上述原理，对处理后的信号进行计算，得到正转相位差δ₁和反转相位差δ₂：

δ₁＝125.9°，δ₂＝-108.2°

与理论设定正转时δ＞0，反转时δ＜0相符。

上述结果与理论设定结果相符，说明了本发明基于电荷感应判别转子正反转方法的可行性。

Claims (2)

1.一种基于电荷感应判别转子正反转的方法，其特征在于，在转子边缘增加一个孔洞或凸起物，孔洞或凸起物随转子同步转动摩擦空气产生电荷，在转子边缘非直径方向放置两个与转子表面平行的金属极板感应电荷变化，两个金属极板连接至两个电荷传感器将感应电荷量转换为电压量，电荷传感器连接至模数转换器实现两路电压信号采集，模数转换器连接至信号处理模块实现噪声滤除和相位分析，最终通过两信号的相位超前滞后关系实现转子正反转的判别。

2.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应判别转子正反转的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)在转子边缘处增加一个孔洞或凸起物随转子同步转动，孔洞或凸起物中心O₁与转子中心O距离为r，孔洞和凸起物的大小根据需要可以调整，凸起物材质优选绝缘体，但不限于绝缘体；

2)孔洞或凸起物随转子同步转动摩擦空气产生电荷，可等效为电荷量为Q₀的质点围绕转子中心做半径为r的圆周运动；

3)将两个面积为A的金属极板放置在转子边缘非直径方向位置处，两个极板表面与转子表面平行，设极板1中心M₁为坐标系原点，以极板表面为x-y平面，与极板表面垂直的方向为z轴，记转子中心O坐标为(a，b，h)，转子的中心O在x-y平面上的投影点不在两极板中心M₁和M₂的连线上，两个极板中心的距离|M₁M₂|＝d；

4)将两个极板分别接入两个电荷传感器，电荷传感器通过输入电容C_i将极板采集到的电荷量Q转换为电压量V，当转子以角速度ω朝某个方向转动时，设孔洞或凸起物初相位为θ，极板表面感应到的电荷量Q为

则由电荷传感器得到的两路电压信号V₁和V₂为：

其中(x，y，z)为孔洞或凸起物中心O₁坐标，H为电荷传感器系统增益；

5)将两个电荷传感器连接至模数转换模块，进行信号采集，模数转换器的转换位数可以根据信号大小进行选择，如12位，16位，24位等；

6)将模数转换模块连接至信号处理模块，进行噪声滤除，并进行两路信号的相位分析，其中噪声滤除方法可以采用带通滤波，相位分析方法可以采用相关法；

7)在180°的相位差范围内，若极板2的信号超前极板1的信号，说明转子正转，即从极板2向极板1转动，若极板1的信号超前极板2的信号，说明转子反转，即从极板1向极板2转动，从而可以实现转子正反转的判别。

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