CN1645737A - 电机转速与转子位置的综合测量方法和测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流电机转速与转子位置的测量方法及其测量电路。该方法通过综合处理来自编码器的脉冲信号、复位信号以及测量者给定的测量周期信号，得到测量时刻的编码器周期信号和合成信号，利用本发明提出的公式，由微处理器进行计算即可得到电机的转速和转子位置。采用本发明方法可以消除电机径向和轴向振动给电机转速测量带来的误差，提高电机转速的测量精度；利用同一套测量装置，可以同时测量电机的转速和转子位置，减少了硬件配置，保证了电机调速控制系统的准确性和稳定性。

Description

电机转速与转子位置的综合测量方法和测量电路

技术领域

本发明涉及交流电机转速与转子位置的测量方法及其测量电路。

背景技术

随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到很大提高，因此在高精度的交流电机调速控制系统中，广泛采用了以单片机或DSP为控制核心的全数字化控制系统。在电机闭环反馈控制系统中，转速和转子位置是两个重要的物理量，它们的测量精度将直接影响到控制系统的性能。

通常采用安装在电机轴上的光电式编码器作为电机转速与转子位置的测量元件。电机转动时，编码器输出数字式的脉冲信号，将该信号引入到两个计数器，其中一个计数器在一定时间内对编码器信号进行计数，得到编码器脉冲个数m₁；同时另外一个高频计数器(频率为f_c)对整个测量时间内的编码器信号进行计数，得到脉冲个数m₂，将这两个测量数值送入微处理器，通过公式

$n=\frac{60f_c{m}_1}{{\mathrm{Nm}}_2}$ (r/min)

可得到测量时刻的电机转速(式中N为编码器每转产生的脉冲信号个数)。这即是常规的M/T法(M：指测量编码器脉冲频率；T：指测量编码器脉冲周期)测速原理。

常规M/T测量方法只用于测量电机的转速，不能在测量转速的同时测量电机转子的位置。另外，大型机组在运行时会产生轴向和径向振动，这个振动会引起转子转速的变化，并使得编码器的脉冲序列不再均匀间隔，此时若采用常规M/T法测量电机的转速会产生较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的是提出一种电机转速与转子位置的综合测量方法及其测量电路，以实现在测量电机转速的同时能测量电机的转子位置，并克服电机径向和轴向振动给测量带来的误差，提高电机转速和转子位置的测量精度。

本发明提出的电机转速与转子位置的综合测量方法，其步骤如下：

1)机轴上安装光电式编码器，将编码器输出的脉冲信号GB和测量者给定的测量周期脉冲信号TB引入编码器信号处理电路，经编码器信号处理电路逻辑运算后得到编码器脉冲信号与测量周期信号的合成脉冲信号TBGB_N输给第二计数器，第二计数器输出的编码器合成信号的脉冲宽度T₂引入微处理器；

2)将编码器输出的脉冲信号GB引入第一信号分频电路进行二分频，得到二个相位相反的编码器分频信号GB_P和GB_N输给第一计数器，第一计数器输出的编码器脉冲信号的周期T_n引入微处理器；

3)将给定的测量周期脉冲信号TB引入第二信号分频电路进行二分频，得到二个相位相反的测量周期分频信号TB_P和TB_N输给第三计数器，并将编码器输出的脉冲信号GB引入第三计数器的时钟引脚，第三计数器输出的编码器脉冲信号的脉冲个数n输入微处理器；

4)将给定的测量周期脉冲信号TB和来自编码器的复位脉冲信号IB引入复位脉冲信号处理电路，经复位脉冲信号处理电路逻辑运算后得到测量周期脉冲与编码器复位脉冲信号的合成脉冲信号IBTB_N引入第三计数器，第三计数器输出的编码器发出复位脉冲后的编码器脉冲信号的脉冲个数n″输入微处理器；

5)微处理器将上述得到的数据按如下公式计算，求取电机转速及电机的转子位置，

测量周期内含有小数的编码器脉冲个数为：

$N=n+\frac{T_1}{T_{n-1}}-\frac{T_2}{T_n}---\left(1\right)$

式中，

可作为下一个测量时刻的 在微处理器中予以保留；测量周期内转子位置的变化为：

$\mathrm{\Δ\θ}=N\frac{2\mathrm{\πP}}{m}\left(\mathrm{rad}\right)---\left(2\right)$

式中，P-电机的极对数，m-编码器每转产生的脉冲信号个数；

测量时刻电机的转速为：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{T}(\mathrm{rad}/s)---\left(3\right)$

式中，T-测量周期；

电机的转子位置为：

                 θ_n＝θ_n-1+Δθ(rad)       (4)

式中，θ_n-1-前一测量时刻的转子位置角；

若在测量周期内出现编码器复位脉冲信号，则电机转子位置的计算公式为：

                 θ_n＝θ_ini+Δθ(rad)      (5)

式中，θ_ini-出现编码器复位脉冲信号时的转子初始定位角，

Δθ-电机转子位置的变化， $\mathrm{\Δ\θ}=N^{\′}\frac{2\mathrm{\πP}}{m}\left(\mathrm{rad}\right),$ 其中，N′为含有小数的编码器脉冲信号的脉冲个数，

$N^{\′}=n^{\′\′}-\frac{T_2}{\mathrm{tn}}---\left(6\right)$

专用于本发明测量方法的测量电路，其特征是包括编码器信号处理电路，第一信号分频电路，第二信号分频电路，复位脉冲信号处理电路，第一计数器，第二计数器，第三计数器和微处理器，编码器信号处理电路的一个输入端和第一信号分频电路的输入端及第三计数器的时钟端分别连接编码器输出的脉冲信号GB，编码器信号处理电路的另一个输入端和第二信号分频电路的输入端及复位脉冲信号处理电路的一个输入端分别连接给定的测量周期脉冲信号TB，复位脉冲信号处理电路的另一个输入端连接编码器输出的复位脉冲信号IB，编码器信号处理电路的输出端与第二计数器的输入端相连，第二计数器的输出端与微处理器相连，第一信号分频电路的分频信号GB_P输出端和分频信号GB_N输出端分别与第一计数器的两个输入端相连，第一计数器的输出端与微处理器相连，第二信号分频电路的分频信号TB_P输出端和分频信号TB_N输出端分别与第三计数器的两个输入端相连，第三计数器的输出端与微处理器相连，复位脉冲信号处理电路的输出端与第三计数器的第三个输入端相连。

本发明的有益效果是，可以消除电机径向和轴向振动给电机转速测量带来的误差，提高电机转速的测量精度；利用同一套测量装置，可以同时测量电机的转速和转子位置，减少了硬件配置，保证了电机调速控制系统的准确性和稳定性。

附图说明

图1是电机转速与转子位置综合测量方法的测量电路；

图2(a)是编码器信号处理电路的一种电路实例；

图2(b)是编码器信号处理电路的时序图；

图3(a)是第一信号分频电路的一种电路实例；

图3(b)是第一信号分频电路的时序图；

图4(a)是第二信号分频电路的一种电路实例；

图4(b)是第二信号分频电路的时序图；

图5(a)是复位脉冲信号处理电路的一种电路实例；

图5(b)是复位脉冲信号处理电路的时序图。

具体实施方式

参照图1，用于本发明所述的电机转速与转子位置综合测量方法的测量电路包括编码器信号处理电路1，第一信号分频电路2，第二信号分频电路3，复位脉冲信号处理电路4，第一计数器5，第二计数器6，第三计数器7和微处理器8，编码器信号处理电路1的一个输入端和第一信号分频电路2的输入端及第三计数器7的时钟端分别连接编码器输出的脉冲信号GB，编码器信号处理电路1的另一个输入端和第二信号分频电路3的输入端及复位脉冲信号处理电路4的一个输入端分别连接给定的测量周期脉冲信号TB，复位脉冲信号处理电路4的另一个输入端连接编码器输出的复位脉冲信号IB，编码器信号处理电路1的输出端与第二计数器6的输入端相连，第二计数器6的输出端与微处理器8相连，第一信号分频电路2的分频信号6B_P输出端和分频信号GB_N输出端分别与第一计数器5的两个输入端相连，第一计数器5的输出端与微处理器8相连，第二信号分频电路3的分频信号TB_P输出端和分频信号TB_N输出端分别与第三计数器7的两个输入端相连，第三计数器7的输出端与微处理器8相连，复位脉冲信号处理电路4的输出端与第三计数器7的第三个输入端相连。

上述的第一计数器、第二计数器和第三计数器均可采用芯片8253。

图2(a)是编码器信号处理电路1的一种具体电路实例，由第一与非门1A、第二与非门2A、第三与非门3A和D触发器4A组成，第一与非门、第二与非门和第三与非门均采用74LSOO，D触发器为芯片7474。测量周期脉冲信号TB连接到第一与非门1A的2端，第一与非门1A的1端连接D触发器4A的Q端，第一与非门1A的3端连接第三与非门3A的1端；编码器脉冲信号GB连接到第二与非门2A的1端，第二与非门2A的3端连接第三与非门3A的2端，第三与非门3A的3端连接D触发器4A的CLK端；第二与非门2A的2端与D触发器4A的D端及Q端共接。在D触发器4A的Q端输出编码器合成信号TBGB_N。

编码器信号处理电路的时序波形如图2(b)所示，图中，T_n-1和T₁分别是前一测量时刻编码器脉冲信号GB的周期和编码器合成信号TBGB_N的脉冲宽度，T_n和T₂分别是测量时刻编码器脉冲信号GB的周期和编码器合成信号TBGB_N的脉冲宽度，n是编码器脉冲信号GB在测量周期内脉冲个数的测量值(整数)，N是编码器脉冲信号GB在测量周期内脉冲个数的计算值(含小数)。

D触发器4A的Q端连接到型号为8253的第二计数器6的GATE端(见图1)，第二计数器6的工作方式设置为0，CLK端接入的时钟频率为1MHz，可测得编码器合成信号TBGB_N的脉冲宽度T₂的数值。通过第二计数器6的数据总线把测量值送入微处理器8。

第一信号分频电路2采用型号为7474的D触发器，见图3(a)所示，编码器脉冲信号GB连接到D触发器的CLK端，D触发器的D端和 Q端相连， Q端输出编码器分频信号GB_N，D触发器的Q端输出编码器分频信号GB_P。D触发器的Q端连接到第一计数器5的GATE0端，D触发器的 Q端连接到第一计数器5的GATE1端。

第一信号分频电路的时序波形如图3(b)所示，图中，T_n1是测量时刻第一计数器5的大值，T_n2是测量时刻第一计数器5的小值。第一计数器5的工作方式设置为1，CLK_0和CLK_1端接入的时钟频率均为1MHz。可测得T_n1和T_n2的数值，则T_n＝T_n1-T_n2。通过第一计数器5的数据总线把测量值送入微处理器8。

第二信号分频电路3采用型号为7474的D触发器，见图4(a)所示，测量周期脉冲信号TB连接到D触发器的CLK端，D触发器的D端和Q端相连，Q端输出测量周期分频信号TB_N，在D触发器的Q端输出测量周期分频信号TB_P。D触发器的Q端连接到第三计数器7的GATE1端，D触发器的Q端连接到第三计数器7的GATE2端，编码器脉冲信号GB同时连接到第三计数器7的CLK 1和CLK 2端。

第二信号分频电路的时序波形如图4(b)所示，图中，n是编码器脉冲信号GB在测量周期内脉冲个数的测量值(整数)。第三计数器7的工作方式设置为0，当测量周期分频信号TB_P或TB_N为高电平时，第三计数器7对编码器脉冲信号GB进行计数，即可测量出编码器脉冲信号GB的脉冲个数n。通过第三计数器7的数据总线把测量值送入微处理器8。

图5(a)是复位脉冲信号处理电路4的一种具体电路实例，由第一与非门1B、第二与非门2B、第三与非门3B和D触发器4B组成，第一与非门、第二与非门和第三与非门均采用74LSOO，D触发器为芯片7474。

编码器输出的复位脉冲信号IB连接到第一与非门1B的2端，第一与非门1B的1端连接到D触发器4B的Q端，第一与非门1B的3端连接第三与非门3B的1端；测量周期脉冲信号TB连接到第二与非门2B的1端，第二与非门2B的3端连接第三与非门3B的2端，第三与非门3B的3端连接D触发器4B的CLK端；第二与非门2B的2端与D触发器4B的D端及 Q端共接。在D触发器4B的 Q端输出复位脉冲合成信号IBTB_N。

复位脉冲信号处理电路的时序波形如图5(b)所示，图中，θ_n-1是前一测量时刻电机的转子位置(已知)，θ_n是测量时刻的电机转子位置(待测)，θ_ini是出现编码器复位脉冲信号时的转子初始定位角(已知)，n″是出现编码器复位脉冲信号IB后编码器脉冲信号GB脉冲个数的测量值，N′是出现编码器复位脉冲信号IB后编码器脉冲信号GB脉冲个数的计算值，T₂是编码器合成信号TBGB_N的脉冲宽度，T_n是编码器脉冲信号的周期。

D触发器4B的 Q端连接到型号为8253的第二计数器7的GATE0端。第三计数器7的工作方式设置为O，CLK0端接入编码器脉冲信号GB，当复位脉冲合成信号IBTB_N是高电平时第三计数器7对编码器脉冲信号GB进行计数，可测得出现复位脉冲信号IB后编码器脉冲信号GB的脉冲个数n″。通过第三计数器7的数据总线把测量值送入微处理器8。

工作时，引入编码器信号处理电路1的编码器脉冲信号GB和给定的测量周期脉冲信号TB经过电路逻辑运算，得到合成脉冲信号TBGB_N，合成脉冲信号TBGB_N引入第二计数器6，给定第二计数器6的时钟，即可测量出编码器合成信号TBGB_N的脉冲宽度T₂，测量值T₂通过第二计数器6的数据总线送入微处理器8。

编码器脉冲信号GB经过第一信号分频电路2二分频后，得到二个相位相反的编码器分频信号GB_P和GB_N，该两个信号引入第一计数器5，给定第一计数器5的时钟，即可测量出编码器脉冲信号GB的周期T_n，通过第一计数器5的数据总线把测量值T_n送入微处理器8。

测量周期脉冲信号TB经过第二信号分频电路3二分频后，得到二个相位相反的测量周期分频信号TB_P和TB_N，该两个信号和编码器脉冲信号GB引入第三计数器7，经第三计数器7可测量出编码器脉冲信号GB的脉冲个数n，通过第三计数器7的数据总线把测量值送入微处理器8。

引入复位脉冲信号处理电路4的测量周期脉冲信号TB和来自编码器的复位脉冲信号IB经过电路逻辑运算，得到复位脉冲合成信号IBTB_N，复位脉冲合成信号IBTB_N经第三计数器7可测量出编码器脉冲信号GB的脉冲个数n″，通过第三计数器7的数据总线把测量值送入微处理器8。

通过以上测量步骤，可以得到T₂、T_n、n和n″的数值，利用公式(1)～(6)，在微处理器8中进行计算即可得到测量时刻电机的转速和转子位置。

Claims (4)

1.电机转速与转子位置的综合测量方法，其特征是包括以下步骤：

1)在电机轴上安装光电式编码器，将编码器输出的脉冲信号GB和测量者给定的测量周期脉冲信号TB引入编码器信号处理电路(1)，经编码器信号处理电路(1)逻辑运算后得到编码器脉冲信号与测量周期信号的合成脉冲信号TBGB_N输给第二计数器(6)，第二计数器(6)输出的编码器合成信号的脉冲宽度T₂引入微处理器(8)；

2)将编码器输出的脉冲信号GB引入第一信号分频电路(2)进行二分频，得到二个相位相反的编码器分频信号GB_P和GB_N输给第一计数器(5)，第一计数器(5)输出的编码器脉冲信号的周期T_n引入微处理器(8)；

3)将给定的测量周期脉冲信号TB引入第二信号分频电路(3)进行二分频，得到二个相位相反的测量周期分频信号TB_P和TB_N输给第三计数器(7)，并将编码器输出的脉冲信号GB引入第三计数器(7)的时钟引脚，第三计数器(7)输出的编码器脉冲信号的脉冲个数n输入微处理器(8)；

4)将给定的测量周期脉冲信号TB和来自编码器的复位脉冲信号IB引入复位脉冲信号处理电路(4)，经复位脉冲信号处理电路(4)逻辑运算后得到测量周期脉冲与编码器复位脉冲信号的合成脉冲信号IBTB_N引入第三计数器(7)，第三计数器(7)输出的编码器发出复位脉冲后的编码器脉冲信号的脉冲个数n输入微处理器(8)；

5)微处理器将上述得到的数据按如下公式计算，求取电机转速及电机的转子位置，

测量周期内含有小数的编码器脉冲个数为：

$N=n+\frac{T_1}{T_{n-1}}-\frac{T_2}{T_n}---\left(1\right)$

式中， 可作为下一个测量时刻的

在微处理器中予以保留；

测量周期内转子位置的变化为：

$\mathrm{\Δ\θ}=N\frac{2\mathrm{\πP}}{m}\left(\mathrm{rad}\right)---\left(2\right)$

式中，P-电机的极对数，m-编码器每转产生的脉冲信号个数；

测量时刻电机的转速为：

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{T}(\mathrm{rad}/s)---\left(3\right)$

式中，T-测量周期；

电机的转子位置为

                   θ_n＝θ_n-1+Δθ(rad)          (4)

式中，θ_n-1-前一测量时刻的转子位置角；

若在测量周期内出现编码器复位脉冲信号，则电机转子位置的计算公式为：

                   θ_n＝θ_ini+Δθ(rad)          (5)

式中，θ_ini-出现编码器复位脉冲信号时的转子初始定位角，

Δθ-电机转子位置的变化， $\mathrm{\Δ\θ}=N^{\′}\frac{2\mathrm{\πP}}{m}\left(\mathrm{rad}\right),$ 其中，N′为含有小数的编码器脉冲信号的脉冲个数，

$N^{\′}=n^{\′\′}-\frac{T_2}{\mathrm{Tn}}---\left(6\right)$

2.用于权利要求1所述测量方法的测量电路，其特征是包括编码器信号处理电路(1)，第一信号分频电路(2)，第二信号分频电路(3)，复位脉冲信号处理电路(4)，第一计数器(5)，第二计数器(6)，第三计数器(7)和微处理器(8)，编码器信号处理电路(1)的一个输入端和第一信号分频电路(2)的输入端及第三计数器(7)的时钟端分别连接编码器输出的脉冲信号GB，编码器信号处理电路(1)的另一个输入端和第二信号分频电路(3)的输入端及复位脉冲信号处理电路(4)的一个输入端分别连接给定的测量周期脉冲信号TB，复位脉冲信号处理电路(4)的另一个输入端连接编码器输出的复位脉冲信号IB，编码器信号处理电路(1)的输出端与第二计数器(6)的输入端相连，第二计数器(6)的输出端与微处理器(8)相连，第一信号分频电路(2)的分频信号GB_P输出端和分频信号GB_N输出端分别与第一计数器(5)的两个输入端相连，第一计数器(5)的输出端与微处理器(8)相连，第二信号分频电路(3)的分频信号TB_P输出端和分频信号TB_N输出端分别与第三计数器(7)的两个输入端相连，第三计数器(7)的输出端与微处理器(8)相连，复位脉冲信号处理电路(4)的输出端与第三计数器(7)的第三个输入端相连。

3.根据权利要求2所述的测量电路，其特征是所说的编码器信号处理电路(1)由第一与非门(1A)、第二与非门(2A)、第三与非门(3A)和D触发器(4A)组成。

4.根据权利要求2所述的测量电路，其特征是所说的复位脉冲信号处理电路(4)由第一与非门(1B)、第二与非门(2B)、第三与非门(3B)和D触发器(4B)组成。

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