CN118129889A - 一种马达抖动率检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种结构简单、采集精度高、成本低的马达抖动率检测装置和方法。本发明装置包括第一级运放器(U1)、充电泵(1)、定时电容(C1)、输出电阻(R1)、积分滤波电容(C2)、第二运放器(U2)、三极管(Q1)；本发明方法：通过把高频脉冲信号转换成直流电压，用电压值代替频率，抖动率就是频率的变化率，频率的变化率转化成电压的波动，即高频时域转直流时域，并用定时电容的充放电特性把抖动相位拉长，方便采集；该方法操作简单，测量稳定性好，成本低。本发明应用于马达技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及马达技术领域，尤其涉及一种马达抖动率检测装置和方法。
背景技术
马达抖动会加速马达轴承磨损，使轴承的正常使用寿命大大缩短，同时，马达抖动将使绕组绝缘下降。由于抖动使马达端部绑线松动，造成端部绕组产生相互磨擦，绝缘电阻降低，绝缘寿命缩短，严重时造成绝缘击穿。另外，马达抖动会造成所拖动机械的损坏，影响四周设备的正常工作，发出很大的噪声。鉴于此，当马达发生抖动时，需要检测马达的抖动率，以采取相应措施进行抑制。
对于打印机内部用的马达，现有技术中，打印机马达抖动检测一般是采用高精度编码器跟马达进行软连接，在不影响马达自转的前提下，马达的旋转特性反馈到编码器上。利用编码器的倍频功能把马达每一圈转动转换成若干个脉冲，然后采集每个脉冲宽度计算旋转的误差。
但是，目前这种技术的缺点是：采集精度与成本存在矛盾。由于编码器把每一圈分成1000个脉冲(精度有保证)，相当于把旋转频率扩大一千倍(如果马达工作转速在50k/min，那么编码器生成的频率就是1MHz)，采集等于把时域波形变成离散域。采集的速度越高离散域越接近时域波形，不过，采集的速度越高，硬件成本就会以指数倍递增(譬如，按照每个脉冲周期60个采集点，那么采样率至少需要60兆/s,成本太高)。如果用普通采集的速度500k/s，几乎无法采样，波动率本身是个百分比量级，单位就很小，采集在纳秒的误差就会放大几百倍。测量重复稳定性很难满足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、采集精度高、成本低的马达抖动率检测装置。
本发明还提供了一种马达抖动率检测方法，该方法操作简单，测量稳定性好，成本低。
本发明所述一种马达抖动率检测装置所采用的技术方案是，所述马达抖动率检测装置包括第一级运放器、充电泵、定时电容、输出电阻、积分滤波电容、第二运放器、三极管，所述第一级运放器的负输入极接地，正输入极接入编码器的脉冲信号，所述第一级运放器的输出极连接所述充电泵，所述定时电容的一端与所述充电泵相连接，所述定时电容的另一端接地，所述输出电阻和所述积分滤波电容并联后与所述充电泵相连接，所述输出电阻的另一端接地并设置有零速电压反馈接口，所述积分滤波电容的另一端接地，所述输出电阻和所述积分滤波电容的并联连接点与所述第二运放器的正输入极连接，所述第二运放器的负输入极连接VCC，所述第二运放器的输出极与所述三极管的基极连接，所述三极管的集电极连接VCC，所述三极管的发射极经过第二电阻后接地且设置有直流输出接口。
上述方案可见，本发明采用第一运放器、充电泵、第二运放器、三极管、定时电容、输出电阻和积分滤波电容的配合设置，其中，第一运放器接收编码器的脉冲信号输入，充电泵将输入的脉冲信号转换成直流电压，且对低纹波有频率倍增功能，定时电容定时电容的充放电特性把抖动相位拉长，方便采集，输出电阻作为负载电阻使用，积分滤波电容对电流进行滤波并积分得到电压，三极管起到放大信号、控制电流及开关与保护电路的作用，而第一云放气的负输入极接地，第二运放器的负输入极接VCC，这确保了装置不会受高于Vcc值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，输出电压可根据调节电阻值自行调节；故本发明结构简单，成本低，且采集精度高。
进一步地，所述第一级运放器为浮动三极管，输出最大50mA的输出电流。由此可见，采用浮动三极管，能将脉冲信号转换为电流信号。
再进一步地，所述定时电容的电容值大于500pF。由此可见，定时电容可为充电泵提供内部补偿，其值设置成大于500pF，是为了获得准确的转换结果，太小的电容值会在R1上产生误差电流。
利用上述检测装置进行马达抖动率检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、设第一级运放器的正输入极接入编码器的脉冲信号的频率为fin，定时电容的电容值为C1，输出电阻的电阻值为R1，积分滤波电容的电容值为C2，所述充电泵把从第一级运放器的输入极输入的频率转换成为直流电压输出；
b、当第一级运放器输出的状态发生变化时，定时电容在电压差Vcc/2的两个电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容上的电荷变化量为C1*Vcc/2，泵入定时电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为：
IC1＝fin*C1*Vcc；
c、把上述电流IC1准确地送到输出电阻中，滤波后的电流被积分滤波电容积分后得到输出电压Vo为：
Vo＝Vcc*fin*C1*R1*K，
其中，K为增益常数，取值为1，线性电压的输出跟输入脉冲频率的线性关系为：
VOUT＝Vcc*fin*C1*R1；
d、编码器的脉冲信号的频率的变化率转化成电压的波动，频率的变化率即为马达的抖动率。
上述方案可见，通过把高频脉冲信号转换成直流电压，用电压值代替频率，抖动率就是频率的变化率，频率的变化率转化成电压的波动，即高频时域转直流时域，并用定时电容的充放电特性把抖动相位拉长，方便采集；该方法操作简单，测量稳定性好，成本低。
进一步地，积分滤波电容的值取决于纹波电压的大小，其中，纹波电压VRIPPLE采用以下公式计算：
VRIPPLE＝(Vcc/2)*(C1/C2)*[1-(Vcc*fin*C1/I2)],
其中，I2为第二电阻的电流。
上述方案可见，对纹波进行电压计算，能有效避免纹波对检测结果的影响。
附图说明
图1是本发明所述马达抖动率检测装置的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明马达抖动率检测装置包括第一级运放器U1、充电泵1、定时电容C1、输出电阻R1、积分滤波电容C2、第二运放器U2、三极管Q1，所述第一级运放器U1的负输入极接地，正输入极接入编码器的脉冲信号，所述第一级运放器U1的输出极连接所述充电泵1，所述定时电容C1的一端与所述充电泵1相连接，所述定时电容C1的另一端接地，所述输出电阻R1和所述积分滤波电容C2并联后与所述充电泵1相连接，所述输出电阻R1的另一端接地并设置有零速电压反馈接口，所述积分滤波电容C2的另一端接地，所述输出电阻R1和所述积分滤波电容C2的并联连接点与所述第二运放器U2的正输入极连接，所述第二运放器U2的负输入极连接VCC，所述第二运放器U2的输出极与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极连接VCC，所述三极管Q1的发射极经过第二电阻R2后接地且设置有直流输出接口。
所述第一级运放器U1为浮动三极管，输出最大50mA的输出电流。第一级运放器U1的滞后电压为30mV，利用这个特性可以抑制外界干扰，输出电压与输入频率成正比，线性度为±0.3％。
所述定时电容C1的电容值大于500pF。定时电容C1可为充电泵提供内部补偿，为了获得准确的转换结果，将其值设置成大于500pF，太小的电容值会在R1上产生误差电流，频率/电压转换的线性度也会变差。
利用上述马达抖动率检测装置进行马达抖动率检测的方法括以下步骤：
a、设第一级运放器U1的正输入极接入编码器的脉冲信号的频率为fin，定时电容C1的电容值为C1，输出电阻R1的电阻值为R1，积分滤波电容C2的电容值为C2，所述充电泵1把从第一级运放器U1的输入极输入的频率转换成为直流电压输出；
b、当第一级运放器U1输出的状态发生变化时，定时电容C1在电压差Vcc/2的两个电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容C1上的电荷变化量为C1*Vcc/2，泵入定时电容1中的平均电流或流出电容中的平均电流为：
IC1＝fin*C1*Vcc；
c、把上述电流IC1准确地送到输出电阻R1中，滤波后的电流被积分滤波电容C2积分后得到输出电压Vo为：
Vo＝Vcc*fin*C1*R1*K，
其中，K为增益常数，取值为1，线性电压的输出跟输入脉冲频率的线性关系为：
VOUT＝Vcc*fin*C1*R1；
d、编码器的脉冲信号的频率的变化率转化成电压的波动，频率的变化率即为马达的抖动率。
积分滤波电容C2的值取决于纹波电压的大小，其中，纹波电压VRIPPLE采用以下公式计算：
VRIPPLE＝(Vcc/2)*(C1/C2)*[1-(Vcc*fin*C1/I2)],
其中，I2为第二电阻R2的电流。
本发明把高频脉冲信号转换成直流电压，用电压值代替频率，抖动率就是频率的变化率，频率的变化率转化成电压的波动，即高频时域转直流时域，并用定时电容的充放电特性把抖动相位拉长，方便采集。
假设理想中频率无抖动，那么输出是一条直线，如果频率有抖动，那么输出就是一个有毛刺的直线。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种马达抖动率检测装置，其特征在于，它包括第一级运放器(U1)、充电泵(1)、定时电容(C1)、输出电阻(R1)、积分滤波电容(C2)、第二运放器(U2)、三极管(Q1)，所述第一级运放器(U1)的负输入极接地，正输入极接入编码器的脉冲信号，所述第一级运放器(U1)的输出极连接所述充电泵(1)，所述定时电容(C1)的一端与所述充电泵(1)相连接，所述定时电容(C1)的另一端接地，所述输出电阻(R1)和所述积分滤波电容(C2)并联后与所述充电泵(1)相连接，所述输出电阻(R1)的另一端接地并设置有零速电压反馈接口，所述积分滤波电容(C2)的另一端接地，所述输出电阻(R1)和所述积分滤波电容(C2)的并联连接点与所述第二运放器(U2)的正输入极连接，所述第二运放器(U2)的负输入极连接VCC，所述第二运放器(U2)的输出极与所述三极管(Q1)的基极连接，所述三极管(Q1)的集电极连接VCC，所述三极管(Q1)的发射极经过第二电阻(R2)后接地且设置有直流输出接口。
2.根据权利要求1所述的一种马达抖动率检测装置，其特征在于，所述第一级运放器(U1)为浮动三极管，输出最大50mA的输出电流。
3.根据权利要求1所述的一种马达抖动率检测装置，其特征在于，所述定时电容(C1)的电容值大于500pF。
4.利用如权利要求1所述的一种马达抖动率检测装置进行马达抖动率检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a、设第一级运放器(U1)的正输入极接入编码器的脉冲信号的频率为fin，定时电容(C1)的电容值为C1，输出电阻(R1)的电阻值为R1，积分滤波电容(C2)的电容值为C2，所述充电泵(1)把从第一级运放器(U1)的输入极输入的频率转换成为直流电压输出；
b、当第一级运放器(U1)输出的状态发生变化时，定时电容(C1)在电压差Vcc/2的两个电压值之间被线性地充电或放电，在输入频率信号的半周期中，定时电容(C1)上的电荷变化量为C1*Vcc/2，泵入定时电容(C1)中的平均电流或流出电容中的平均电流为：
IC1＝fin*C1*Vcc；
c、把上述电流IC1准确地送到输出电阻(R1)中，滤波后的电流被积分滤波电容(C2)积分后得到输出电压Vo为：
Vo＝Vcc*fin*C1*R1*K，
其中，K为增益常数，取值为1，线性电压的输出跟输入脉冲频率的线性关系为：
VOUT＝Vcc*fin*C1*R1；
d、编码器的脉冲信号的频率的变化率转化成电压的波动，频率的变化率即为马达的抖动率。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，积分滤波电容(C2)的值取决于纹波电压的大小，其中，纹波电压VRIPPLE采用以下公式计算：
VRIPPLE＝(Vcc/2)*(C1/C2)*[1-(Vcc*fin*C1/I2)],
其中，I2为第二电阻(R2)的电流。
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