CN1300590C - 电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法 - Google Patents

Abstract

本电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法，按一、二个编码器脉冲间的时间间隔T，计算得这段时间的电机轴的平均速度C/T，C为常数。当电机的转速变慢，第三个脉冲在2T+Δt时刻未到达时，计算机估算当前速度可能的最高值为V_imax＝C/(T+Δt_i)，根据速度变化的经验选取值N，N≥1，以V＝V_imax/N作为测量结果估计值送出，用以对电机速度控制。N的选取，与电机旋转部件的转动惯量、转动系统的阻力状况以及驱动旋转的扭力有关。本法解决了电机低速运行时，使用脉冲编码器速度测量误差的问题，根据本外延计算方法计算的最高可能速度外延曲线和经验的估计方法结合，得到较准确的速度估计值，可对电机进行较准确控制。

Description

电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法

(一)技术领域

本发明涉及一种电机速度测量方法，具体为一种电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法。

(二)技术背景

脉冲编码器是进行电机转速测量常用装置。安装在电机轴上的脉冲编码器在转动一定角度时发出一个脉冲。对于高速测量，由于脉冲频率较高，通常采用定周期计脉冲数的方法测量速度，但对于电机低速测量，脉冲频率较低，在固定的测量周期内能记录到的脉冲数量很少，甚至某些周期内脉冲数为零，这样测量误差较大。因此在测量低速时，通常采用测量两个脉冲之间时间间隔的方法测量速度。但是在很低的速度下，脉冲间隔时间长，计算得到速度值的时间间隔也长，在前一个脉冲过去但第二个脉冲还没有到达时，由于无法预期下一个脉冲到达的时间，速度测量的结果只能仍旧维持上一次脉冲时更新的数值。测量周期长而且测得的速度值过多地偏离了实际速度在速度逐渐变慢甚至趋于零时，这种测量方法的误差更大。这样的速度测量方法不能满足现代高精度控制的要求。

为解决低速测量的问题有许多方案。

日本株式会社明电舍92年申请的中国专利CN1067341“在极低速度范围内使用转动脉冲编码器控制电机速度的系统与方法”，除了在电机转动轴上安装可以根据检测到的电机轴的转动速度发出脉冲的速度检测器，还安装了电机速度估计观测器，该观测器使用一负载估计值上的最低阶扰动观测器，其被转换为一个速度控制周期系统与速度检测周期系统的离散系统模型，用于估计在一个由速度检测器产生的脉冲间隔内电机的速度。或者在最低速度范围内，使脉冲编码器输出脉冲的脉冲间隔比系统的速度控制周期长。然后根据一个转矩期望值和一个负载转矩估计值来计算电机模型速度的估计值。其装置复杂，计算也复杂。

《吉林建筑工程学院学报》2003年1期吉林建筑工程学院电气与电子信息工程系文章“机轮低转速高精度测量系统研究与设计”，对机轮启动初和制动末两阶段的转速测量方案进行了改进，用光电编码器作为转速传感器，CPU用于信号处理及算法控制器。硬件电路中加入高频时钟及锁存器电路，在T时间结束后计数器记录下此时间内的N个整脉冲，锁存器里则记下N个整脉冲内高频时钟的脉冲数，经计算得到转速。克服了在T时间内不完整的零脉冲造成的测速误差。此种测速方法还是不能适用于速度下降到一定的周期内无法测得编码器脉冲的情况。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法，根据脉冲到达的预期时间采用外延计算方法估算实际速度，避免电机低速运行时产生过大的测速误差。

本发明电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法具体如下：在电机转动轴上安装脉冲编码器，当电机轴转动一定角度时编码器发出一个脉冲系列，该编码器与计算机相连接，编码器发出的脉冲信号送入计算机检测电路。第一、第二个编码器脉冲到达时，计算机测量出两个脉冲之间的时间间隔T，则可计算得到这段时间的电机轴的平均转动速度C/T，C为根据编码器每转动一圈发出的脉冲数确定的常数。此时假设旋转速度不变，即第三个脉冲的将在2T时刻到达，计算机以2T时刻作为第三个脉冲的预期到达时间，即计算机预估的速度为第一、第二个脉冲之间的平均速度。如果编码器旋转速度加快，则第三个脉冲将在2T之前到达，计算机根据第三和第二个脉冲的时间间隔T’计算得到新的速度C/T’，并以新的时间间隔预期下一个脉冲的到来。如果电机的转速变慢，则在2T时刻，第三个脉冲不能到达。当第三个脉冲在2T+Δt时刻还未到达，计算机估算当前速度可能的最高值为N_i＝C/(T+Δt_i)，随着Δt_i增大，计算机估算的当前速度可能的最高值不断降低。最终第三个脉冲在2T+Δt到达时，计算机得到第三和第二个脉冲之间的平均速度N_2-3＝C/(T+Δt)。

显然，当速度减慢时，在第三个脉冲预期到达时刻2T之后，计算机估算的当前速度最高值是在逐渐逼近实际速度。

本发明解决了电机低速运行时，使用脉冲编码器的测速由于相邻脉冲时间间隔的不可预知性带来较大速度测量误差的问题，根据本外延计算方法计算的最高可能速度外延曲线和经验的估计方法结合，可以得到较为准确的速度估测值，以对电机进行较准确的控制。

(四)附图说明

图1为本发明电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法中，计算机估算的速度与脉冲关系示意图。

(五)具体实施方式

本发明电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法具体实施例如图1所示，其横坐标表示时间t，纵坐标表示电机转动速度V。第一个编码器脉冲到达时刻为0，第二个编码器脉冲到达时刻为t1，计算机测量出两个脉冲之间的时间间隔为T，则可计算得到0至t1这段时间内电机轴的平均转动速度为V_1-2＝C/T，C为根据编码器每转动一圈发出的脉冲数确定的常数。

t1之后若电机旋转速度不变，第三个脉冲将在2T时刻到达，计算机以2T时刻作为第三个脉冲的预期到达时间，即计算机预估t1至2T时间段的最大可能速度为第一、第二个脉冲之间的平均速度V_1-2。

t1之后若电机的转速提高，则第三个脉冲在2T时刻之前到达。即根据第三个脉冲到达时刻t2与t1之间的时间差T’计算V_2-3＝C/T’。并以此值作为实测值送出进行电机控制。显然，电机速度越高，计算值的精度越高。

t1之后，若电机的转速下降，2T时刻第三个脉冲不会到达。此时按本法进行外延计算，当第三个脉冲在2T+Δt_i时刻还未到达，计算机估算当前速度可能的最高值为V_imax＝C/(T+Δt_i)，随着Δt_i增大，计算机估算的当前速度可能的最高值不断降低，一系列的V_imax值形成外延曲线，如图1中的虚线。当在t2＝2T+Δt时刻第三个脉冲到达时，就可以计算出实测得到的第三和第二个脉冲之间的平均速度V_2-3＝C/(T+Δt)。

实际中的旋转速度由于受转动惯量的限制不会发生突变，实际速度只可能在零速与上述计算机估算的当前可能的最高速度值之间。根据速度变化的经验选取一个值N，N≥1，并参照上述计算机估算的最大可能速度值对实际速度进行估计，即以V＝V_imax/N作为测量结果估计值送出，用以对电机速度进行控制。此估计值介于零值与估算的可能最高速度之间，如图1中的实线。该估计值虽然与电机实际速度仍有偏差且稍滞后，但比直接使用计算机估算的当前可能的最高速度值精度高，更接近实际速度，用此进行电机控制精确度也大大提高。经验值N的选取，与电机旋转部件的转动惯量、转动系统的阻力状况以及驱动旋转的扭力有关，如果转动惯量大，阻力和驱动力相对较小，则N值接近1，反之，N值较大。

Claims (1)

1一种电机低速运行时使用脉冲编码器的测速方法，在电机转动轴上安装脉冲编码器，当电机轴转动一定角度时编码器发出一个脉冲系列，该编码器与计算机相连接，编码器发出的脉冲信号送入计算机检测电路；第一、第二个编码器脉冲到达时，计算机测量出两个脉冲之间的时间间隔T，计算得到这段时间的电机轴的平均转动速度C/T，C为根据编码器每转动一圈发出的脉冲数确定的常数；其特征为：

电机的转速变慢，当第三个脉冲在2T+Δt_i时刻未到达时，计算机估算当前速度可能的最高值为V_imax＝C/(T+Δt_i)；当第三个脉冲在t2＝2T+Δt时刻到达时，计算出实测得到的第三和第二个脉冲之间的平均速度V_2-3＝C/(T+Δt)。