CN87100273A

CN87100273A - 速度检测装置

Info

Publication number: CN87100273A
Application number: CN87100273.6A
Authority: CN
Inventors: 大前力; 松田敏彦; 宫原养治侣; 神山健三
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-13
Filing date: 1987-01-13
Publication date: 1987-07-29
Also published as: JPS62162968A; US4839834A; CN1010506B; DE3700689A1; DE3700689C2

Abstract

一种用于检测一与其机械联接的物体的转速的速度检测装置中，旋转角位置每改变一预定单位数量，编码器就产生正弦波信号的一个周期。过零脉冲产生于编码器产生的正弦波信号波形的每个过零交点上，正弦波信号的相位角根据上述过零交点被检测。高速范围内按多个过零脉冲数和多个过零脉冲的第1和最后一个之间的时间间隔间的比率来检测转速。在低速范围内根据预定时间间隔内出现的过零脉冲数和正弦波信号的相位角的组合来检测转速。

Description

本发明涉及一种速度检测装置，适于用来以数字方式控制旋转体或移动物体的速度。

为了检测旋转速度，例如电动马达的旋转速度的检测，通常是利用一个编码器产生一个脉冲信号来作为数字信号，脉冲信号的频率与马达的旋转速度成正比。编码器每旋转一个对应于它的一次完全回转的1/m（m：一个大的整数）的数量，该编码器产生一个脉冲。由编码器发出的一列这种脉冲被处理后用来检测马达的旋转速度。根据一种已知方法，例如丁P-A-57-144465（与美国专利第4，584，528一致）所揭示的方法，马达的旋转速度是通过计算一个与马达机械联接的编码器所发生的脉冲数目和测量与脉冲数计数的计数操作相同步关系的时间来高精度检测的。但是，这种方法有这样一个问题：在编码器输出脉冲频率很低的低速度范围的速度检测变得不可能。在日本电气工程学会IA-85-11（1985）中的工业动力应用研究协会内报道了处理这个问题的方法。按照该报道的方法，使用一个发生正弦波信号的编码器，并且相联的马达的旋转速度的检测是通过检测来自编码器的模拟输出信号的编码器的旋转相位并根据相位的变化计算旋转速度。虽然后种方法有甚至在低速度范围也能高分辨地检测旋转速度的优点，但是，它存在着由于诸如正弦波信号的波形的失真，使高精度速度检测遭到困难的问题。因此，前种方法有在低速度范围内分辨率方面的缺陷，后种方法考虑精确的速度检测的不足而同样是有缺陷的。所以，根据已有技术的方法，在一个宽的速度范围内高分辨和高精度地检测旋转速度是困难的。

本发明的主要目的是提供一种速度检测装置，它能高分辨和高精度地在一个宽的速度范围内检测例如旋转物体的速度。

根据本发明的速度检测装置的特征在于：利用了一个编码器产生正弦波信号，正弦波信号的频率与旋转体的旋转速度成正比;在高速度范围内，旋转体的旋转速度是根据基本上在一预定的时间阶段内正弦波信号波形中零电压（过零交点）的发生次数和在第1和最后发生的过零交点之间的间隔时间来测定的，但，在低速度范围，旋转体的旋转速度是根据与正弦波信号波形的过零交点相关的本次检测到的正弦波信号的相位角与通过比本次时间旱的预定时间阶段内检测的相位角之间的差数来检测的。

图1为方框图，示出了本发明速度检测装置的一种实施例的结构。

图2和图3为说明图1所示装置的工作的时间曲线。

图4示出了图1所示微型计算机处理步骤的流程图。

图1的框图，示出了根据本发明的速度检测装置的一种实施例的结构。

参照图1，与一个电马达（未示出）机械联接的编码器1，当其旋转对应于它的一次完全回转的1/m（m：一个大的整数）时便产生正弦波信号A和B，A和B之间有一个90度的相位差。编码器1的输出信号A和B被施加到比较器2和3，在那里信号A和B与零电压比较，并分别转变成方波信号AS和BS。将从图2和3可见，信号A和B的正半波对应于信号AS和BS的“1”电平正弦波信号A还被加到模/数转换器4，方波信号AS加到脉冲成形电路5。与方波信号AS的波形的前沿和后沿同步，脉冲成形电路5产生过零脉冲AP，该过零脉冲AP通过正常倒相转换电路6加到可逆式计数器7。根据从方向判定电路11（在后面描述）发出的方向判定信号RD，正常倒相转换电路6转换过零脉冲信号AP的极性。更确切地，当编码器1按正常方向旋转时可逆式计数器7的计数增加，但当编码器1按相反方向旋转时可逆式计数器7的计数则减少，过零脉冲信号AP还被施加到寄存器8的置位终端SET。一旦过零脉冲信号AP加到寄存器8的置位终端SET，时钟计数器9的计数便传送到并寄存到寄存器8中。时钟脉冲发生器10产生一预定频率的时钟脉冲，时钟计数器9对这些时钟脉冲计数。由时钟脉冲发生器10产生的时钟脉冲的频率选比编码器1的最大工作频率高一位或更多位数。同时，方波信号AS和BS加到方向判定电路11和象限判定电路12。判别编码器1旋转方向的方向判定电路11是这样工作的，当方波信号AS的相位落后于方波信号BS的相位时它判定编码器1为正按正常方向旋转，而当方波信号AS的相信领先于方波信号BS的相位时它判定编码器1为正在朝相反方向旋转。方波信号AS和BS之间的相位关系是能辨别的，例如，在方波信号AS的上升时间上对照方波信号BS的电平。按照方波信号AS和BS的相对电平，象限判定电路12判定方波信号AS的象限（0- (π)/2 ， (π)/2 -π，π- (3π)/2 ， (3π)/2 -2π），并产生一个2位象限判别信号D。即，当方波信号AS和BS均处在它们的“1”电平时象限判定电路12的2位象限判别输出信号D显示0（第1象限）;仅当方波信号AS在它的“1”电平时上述输出信号D显示1（第2象限）;当方波信号AS和BS均处于它们的“0”电平时，上述信号D显示出2（第3象限）;仅当方波信号BS处在它的“1”电平时，上述信号D显示出3（第4象限）。该2位象限判别信号D被用来挑选存储器13的对应区域，存储器13存储着一个有4种反正弦函数sin^-1值的表。模/数转变器4、象限判定电路12和存储器13的组合体构成相位角检测电路15，以检测正弦波信号A的相位角θ。微型计算机14向可逆式计数器7、寄存器8和存储器13取数并在一个预定的时间周期的间隔之内执行必要的速度检测计算。

现将参照图2至4详细描述本发明的速度检测装置的工作。图2为在高速度范围的工作时间曲线图，图3为在低速度范围的工作时间曲线图。

随着编码器1的旋转，产生了具有90度相位差的正弦波信号A和B（如图2及3所示）。这些正弦波信号A和B被施加到比较器2和3，在那里信号A和B分别被转变成具有“1”电平的方波信号AS和BS，它们对应于信号A和B正半波。脉冲成形电路5产生与方波信号AS的前沿和后沿相同步的过零脉冲AP。该过零脉冲信号AS被加到可逆式计数器7，在编码器1以正常方向旋转时增加可逆式计数器7的计数，而在编码器1以相反方向旋转时减少可逆式计数器7的计数。这样，可逆式计数器7的计数输出C指示了编码器1旋转的角位置。例如，假设每从编码器1产生一次正弦波信号A和B，编码器1就旋转了对应于它的一个完全回转的1/m的数目。在这种情况下，编码器1的旋转量为C（n）/2m，此时可逆式计数器7的计数输出C为C（n）。

同时，向寄存器8施加过零脉冲信号AP作为置位信号。在过零信号AP的脉冲加到寄存器8的时刻，寄存器8存储时钟计数器9的计数。由于时钟计数器9是对具有预定频率的时钟脉冲计数，时钟计数器9的计数输出说明时间。因此，寄存器8的输出T随时间阶梯式变化，如图2和3所示，并且对应于一个阶梯，寄存器8的输出T改变的量表明了编码器1旋转了与它的一个完全回转的1/2m相对应的数量所需要的这段时间。

另一方面，方面判定电路11基于方波信号AS和BS有关电平判别编码器1的旋转方向。在图2和3所示的情况下，方波信号BS的相位先于方波信号AS的相位。因此，方向判定电路11判定编码器1是正在按正常方向旋转，并且从方向判定电路11出现“1”电平的方向判定信号RD。由象限判定电路12、模/数转换器4和存储器13的组合构成相位角检测电路15的相位角检测正弦波信号A的相位角θ，模/数转换器4将模拟正弦波信号A转变成一个相应的数字信号。来自模/数转变器4的数字输出信号在存储着4种反正弦函数值的表的存储器13中被转换变成相应的相位角θ。现在考虑正弦波信号A的相位角θ处于0到π弧度范围，T谡庵智榭鱿，同一值存在着二个不同的相位θ和（π-θ）。象限判定电路12的输出信号（象限判定信号）D用来在两个不同相位之间进行判别以从反正弦函数表中找出正确的相位。如上所述，存储器13存储着4种反正弦函数值的表。存储器13中，对应于4种反正弦函数中的2种的部分表存储了被分为N位的0到π弧度相位范围。当象限判定信号D指示为0，存储器13中对应于0到π/2弧度的相位范围的函数表部分被保持。相似地，当象限判定信号D指示为1时，存储器13中对应于π/2到π弧度的相位范围的函数表部分被保持。所以，表示为一个相位角θ的相位角信号，例如图3所示的，从存储器13中显现出来。

微型计算机14读取可逆式计数器7、寄存器8、方向判定电路11和存储器13的输出信号，并每隔一段预定时间Tc执行一次如图4流程图所示的处理程序。该预定间隔Tc的时间长度为约5至10毫秒。

在图4的步骤20中，微型计算机14取可逆式计数器7的输出C（n），寄存器8的输出T（n）存储器13的输出θ（n）和方向判定电路11的输出RD。输出信号C（n）、T（n）和θ（n）中的符号n表示数据检测的第n次。在步骤22中，计算可逆式计数器7的本次计数C（n）和上一次计数C（n-1）之间的差△C。如图2所示的，该差数△C说明在时间（i-1）到i的间隔Ta中编码器1旋转的角位置的改变数量。在阶段Ta中编码器1旋转的角位置的改变量基本上等于间隔Tc过程中的改变量。所以，差△C通常说明了编码器1的速度变化。当差数△C的绝对值大于预先设立的Co时，表明编码器正以高速度旋转。在步骤24，完成判定差数△C的绝对值时是否大于预设Co，当判断结果为“是”，步骤24后接步骤30。在步骤30中，计算寄存器8的本次输出T（n）和上一次输出T（n-1）之间的差Ta。如图2所示的，寄存在寄存器8中的数据T保持在一个水平上直到向寄存器8加上下一个过零脉冲AP时为止。因此，在图2中第n次数据检测时取出的寄存器8的数据输出表示在时间i被检测的寄存器8的数据。即，在编码器1产生的正弦波信号A波形的过零交点出现的时刻寄存器8存储时间数据。所以，在步骤32中，编码器1的旋转速度N_D可根据等式N_D＝K₂·｜△C｜/Ta精确地计算，其中｜△C｜为时间间隔Ta内编码器1的角旋转距离的绝对值，K₂为常数。

另一方面，当步骤24的判断结果为“否”时，编码器1的旋转速度N_D为低，正弦波信号A具有如图3所示的波形。在这种情况下，在步骤26中，步骤20所检测的相位角θ（n）和在先检测的相位角θ（n-1）被用来计算在预定测量时间Tc内改变了的相位角θ的△θ值，计算是按照等式△θ＝θ（n）-θ（n-1）+2^N。在步骤26示出的等式中，编码器1产生的正弦波信号A的180°由符号2^N所表示的数字值来表示。另一方面，当编码器1的角旋转的距离△C超过对应于180°的值时，它的绝对值△C乘以权数2^N，并且所得的值与相位差△θ相加。由于时间间隔Tc是常量，所检测到的编码器1的旋转速度N正比于（｜△C｜·2^N+△θ）。在步骤28中，编码器1的旋转速度N_D是按等式N_D＝K₁（｜△C｜·2^N+△θ）计算的，其中K₁是常数。

步骤24所用的常数Co最好按本文描述的确定。在本发明应用于电动马达中时，当速度高于一定值时要求保证控制精度，但当速度低于该值时只要求保持马达的旋转的情况下。因此，按照第一种方法，选择常数Co来确定一个最低旋转速度，此时保证控制精度，按第二种方法，步骤24所执行的判断的结果总是“是”所以能必然执行步骤30和32中的处理过程。为了该目的，常数Co最好选择为Co＝0。当常数Co被如此选定时，必然执行步骤30和32中的处理过程来检测编码器1的旋转速度N_D，此时正弦波A波形的过零交点在检测间隔Tc内至少出现一次。

从按本发明的上述速度检测方法中可以看到，当编码器1的旋转速度为高时，编码器1旋转的精确的角位置是根据正弦波信号A波形的过零交点测量的，并在发生上述编码器1角旋转的这段时间的测量是与正弦波信号A波形的过零交点的测量同步的，借以计算编码器1的旋转速度。因此，编码器1的旋转速度能被高精度地检测。还可以看见，当编码器1的旋速度为低时，在正弦波信号A的一个周期内所检测到的相位角θ被用来计算编码器1的旋转速度。所以，甚至在测量间隔Tc中无过零脉冲AP可出现的非常低的速度情况下，编码器1的旋转速度也能靠改进了的分辨率来检测。

在一个通常被用在检测马达速度目的上的编码器，产生于编码器的正弦波信号的零交叉点与编码器旋转的对应的角位置以约为±5%的精度相符合。而且，当编码器作一次完全回转时，由于它们之间的不相符带来的误差变成不存在。因此，当过零交点被计数许多次（△C次）时，根据上面提到的不相符的编码器的旋转角位置的误差被减少到约±5/△C%。因此，高速范围内的旋转速度通过精确测量过零交点出现的次数△C、精确地测量与过零交点同步的△C的测量间隔Ta，并然后计算出△C/Ta值而能被高度精确地检测。另一方面，在不很需要高精度速度检测的低速度范围内，通过测量在预定间隔Tc内所出现的过零交点的次数△C、测量该区间Tc内的对应的旋转相位角△θ（弧度）的变化、和计算（K₁·△C+△θ）能高分辨地检测旋转速度。

从上面对本发明的详细描述可以明白，当马达正以高速度旋转时，记录从一个相联编码器所产生的正弦波信号的过零交点来检测马达的旋转速度。而当马达正以低速度旋转时，则记录编码器产生的正弦波信号的相位角来测马达的旋转速度。所以，马达的旋转速度能在一个很宽的速度范围内被高精度和高分辨率地检测。

Claims

1、一种用于检测与其机械联接的物体的旋转速度的速度检测装置，其特征在于包括：

一个编码器，在其旋转角位置每改变一个预定单位量时便发生一个周期的正弦波信号；

脉冲发生装置(means)，在所述正弦波信号波形的每个过零交点发生一个过零脉冲；

相位角检测装置(meaus)，通过在每个周期内检测所述正弦波信号的相位角产生一个相位角信号；

时间计算装置，通过对具有预定频率的时钟脉冲计数产生时间信号；以及

速度计算装置，它接收所述过零脉冲信号、所述相位角信号和所述时间信号作为它的输入，并当所述编码器的旋转速度为高时，根据许多个所述过零脉冲的第一个和最后一个之间的时间间隔的倒数来检测旋转速度，但当所述编码器的旋转速度为低时，根据在预定时间区间内所出现的所述零交叉脉冲的数目和通过所述相位角检测装置检测到的所述正弦波信号的相位角的组合检测旋转速度。

2、一种用于检测与其机械联接的物体的旋转速度的速度检测装置，其特征在于包括：

一个编码器，其旋转的角位置每改变一个预定单位量时产生两个正弦波信号的一个周期，该两个正弦波信号之间具有90°的相位差;

脉冲发生装置，在所述两正弦波信号之一的波形过零交点处产生一个过零脉冲;

相位角检测装置，它接受所述两个正弦波信号作为它的输入信号，并通过检测每个周期内所述一个正弦波信号的相位角来产生一个相位角信号;

计数装置，对所述过零脉冲计数;

时间计算装置，通过对具有预定频率的时钟脉冲计数，在所述过零脉冲之间的时间间隔进行测量，从而产生一时间信号;以及

速度计算装置，接收所述过零脉冲信号、所述相位角信号和所述时间信号作为它在预定区间的时间间隔内的输入信号，当所述编码器的旋转速度为高时，根据许多所述过零编码器的第一个和最后一个之间的时间间隔的倒数来检测旋转速度，但当所述编码器旋转速度为低时，根据在预定时间间隔内所出现的所述过零脉冲数和通过所述相位角检测装置检测到的所述正弦波信号的相位角的组合来检测旋转速度。

3、按权利要求2的速度检测装置，其特征在于所述相位角检测装置包括存储四个象限的反正弦函数的存储装置，和根据所述两个正弦波信号的象限的正、负电平的组合来判定所述一个正弦波信号的象限判定装置。

4、按权利要求2的旋转检测装置，其特征在于所述速度计算装置根据所述计数装置的本次计数和比本次计数早一个预定的时间间隔时所述计数装置产生的上一次计数之间的差数来判定所述编码器的旋转速度为高或为低。

5、一种用于检测与其机械联接的物体的旋转速度的速度检测装置，其特征在于包括：

一个编码器，在其旋转的角位置每改变一个预定单位数量时产生两个正弦波信号的一个周期，该两个正弦波信号之间具有90°的相位差;

脉冲发生装置，在所述两个正弦波信号之一的波形过零交点处产生一个过零脉冲;

相位角检测装置，它接受所述两个正弦波信号作为输入信号，并通过检测每个周期内所述一个正弦波信号的相位角来产生一个相位角信号;

计数装置，对所述过零脉冲计数;

时间计算装置，通过对具有预定频率的时钟脉冲计数，在所述过零脉冲之间的时间间隔内进行测量，从而产生一个时间信号;以及

速度计算装置，接收所述过零脉冲信号、所述相位角信号和所述时间信号作为它在预定区间的时间间隔内的输入信号，当所述编码器旋转速度为高时，根据许多所述过零脉冲数和所述多个过零脉冲的第一个和最后一个之间的时间间隔之间的比率来检测旋转速度，而当所述编码器的旋转速度为低时，根据在预定时间区间内出现的所述过零脉冲数和通过所述相位角检测装置检测的所述一个正弦波信号的相位角的组合来检测旋转速度。

6、一种用于检测与其机械联接的物体的旋转速度的速度检测装置，其特征在于包括：

脉冲发生装置，在所述两个正弦波信号之一的波形的过零交点处产生一个过零脉冲;

相位角检测装置，它接收所述两个正弦波信号作为输入信号，并通过检测每个周期内的所述一个正弦波信号的相位角来产生一个相位角信号;

可逆式计数装置，对所述过零脉冲计数;

时间计算装置，通过对具有预定频率的时钟脉冲计数测量所述过零脉冲之间的时间间隔，从而产生一个时间信号;以及

旋转方向判定装置，它接受所述两个正弦波信号作为输入信号，并判定所述编码器的旋转方向;

正常倒相转换装置，根据被识别的编码器的旋转方向向所述可逆式计数装置施加所述过零脉冲以增加或减少所述可逆式计数装置的计数;以及

速度计算装置，在预定的时间间隔内接受所述脉冲信号，所述相位角信号和所述时间信号作为输入信号，并当所述编码器的旋转速度为高时，根据许多所述过零脉冲的第一个和最后一个之间的时间间隔的倒数来检测旋转速度，但当所述编码器的旋转速度为低时，根据在预定时间间隔内所出现的所述过零脉冲数和通过所述相位角检测装置检测到的所述一个正弦波信号的相位角的组合来检测旋转速度。