永磁直流電動機(jī)虛擬測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)速采集模塊的開發(fā)

摘 要 永磁直流電動機(jī)虛擬測試系統(tǒng)可以獲得直流電動機(jī)有關(guān)的機(jī)電參數(shù)，從而對永磁直流電動機(jī)進(jìn)行多功能測試。為達(dá)到系統(tǒng)測試精度要求數(shù)據(jù)采集器具有很高的精度。主要闡述了數(shù)據(jù)采集器中電動機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路原理及實現(xiàn)，并對其精度做了具體分析，最后通過實驗進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞 虛擬測試系統(tǒng) 直流電動機(jī) 采集精度

虛擬儀器是計算機(jī)測試儀器發(fā)展的結(jié)果。一般來說，它由計算機(jī)、一組硬件和軟件組成。硬件解決信號的輸入和輸出，軟件完成數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用理論實現(xiàn)及系統(tǒng)控制功能。用戶通過操作計算機(jī)圖形面板，即可控制計算機(jī)虛擬儀器的運行，完成全部測試功能。

永磁直流電動機(jī)虛擬測試系統(tǒng)主要通過系統(tǒng)辯識理論獲得電機(jī)的動靜態(tài)參數(shù)，并測定全部動靜態(tài)特性，以及有關(guān)電機(jī)的多種物理量。同時，根據(jù)動靜態(tài)參數(shù)的變化，可以在一定程度上對電動機(jī)進(jìn)行故障檢測和診斷。

根據(jù)測試系統(tǒng)的要求，需要采集電動機(jī)的電壓（輸入量）、電流和轉(zhuǎn)速（輸出量）等狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集的精度和速度將直接影響到電動機(jī)有關(guān)參數(shù)、特性測定以及故障檢測與診斷的準(zhǔn)確性、快速性和可靠性。由于轉(zhuǎn)速是電動機(jī)模型中極為重要的狀態(tài)參數(shù)，它的測量精確與否對辯識結(jié)果的精度影響較大。因此轉(zhuǎn)速采集模塊的研制在整個系統(tǒng)中占有極其重要的地位，提高該部分的精度和速度以滿足系統(tǒng)要求是非常必要的。

１ 數(shù)據(jù)采集器的總體結(jié)構(gòu)

本采集器的總體結(jié)構(gòu)如圖１所示，主要由功率驅(qū)動部分和數(shù)據(jù)采集部分組成，由計算機(jī)來控制。數(shù)據(jù)采集部分是一塊內(nèi)置于計算機(jī)（386XT以上機(jī)型）擴(kuò)展槽內(nèi)的數(shù)據(jù)采集板，該采集板采用ISA總線可進(jìn)行16位數(shù)據(jù)傳輸，電流與電壓的采集采用雙路A/D轉(zhuǎn)換，提高了數(shù)據(jù)采集的速度并保證了數(shù)據(jù)采集的同時性。采集信號中，電壓u(t)和電流i(t)以模擬信號方式輸入；轉(zhuǎn)速n(t)以數(shù)字頻率信號方式輸入。

２ 轉(zhuǎn)速采集方法及電路實現(xiàn)

轉(zhuǎn)速采集模塊采用數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法，轉(zhuǎn)速信號由頻率式轉(zhuǎn)速傳感器——圓光柵編碼器產(chǎn)生，它將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，經(jīng)過放大整形后，獲得相同頻率的方波信號，通過測量方波的頻率f或周期T，測得轉(zhuǎn)速的大小。

.2.1常用數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法比較

目前，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率／周期法）。Ｍ法是在既定的檢測時間內(nèi)，測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速；T法是測量相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速；M/T法是同時測量檢測時間和在此時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。三種方法的各項性能比較如表１。

表1中，m1、m2檢測時間間隔內(nèi)的脈沖計數(shù)值（分別對應(yīng)M、T法）；T為規(guī)定的檢測時間間隔；P為圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)； 為Ｔ法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個脈沖的間隔）； 是電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速； 為圓光柵測速脈沖周期； 是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表１可知：(１）從測速精度來看，若要求高精度測速，M法中應(yīng)計數(shù)值m較大，當(dāng)檢測時間Ｔｇ選定后（一般不應(yīng)過長，以保證測量條件不變且速度快，實現(xiàn)測量快速性），只有被測轉(zhuǎn)速 較高或圓光柵編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)Ｐ較多，才能使ｍ１較大。對于Ｐ給定情況，只有 大時，m1才大?？梢姡头ㄟm于高速測量。經(jīng)類似分析可知Ｔ法適于低速測量，考慮高速和低速時的綜合性能M/T法最好。

（２）從檢測時間來看，Ｍ法的檢測時間與轉(zhuǎn)速無關(guān)，T法的檢測時間隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，M/T法如果犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測速方法。根據(jù)M法和M/T法的工作原理，實現(xiàn)了兩種轉(zhuǎn)速測量方法并對測量效果進(jìn)行了比較。

2.2 M法和M/T法測速的電路實現(xiàn)

轉(zhuǎn)速測量電路是由通用可編程定時／計數(shù)器8254及其輔助電路組成。8254內(nèi)部有三個相同的獨立16位計數(shù)器（COUNTO、COUNT1、COUNT2）。每個計數(shù)器都有自己的時鐘輸入CLK、計數(shù)器輸出OUT和門控信號GATE，通過編程設(shè)置工作方式。當(dāng)GATE端為高電平時，允許計數(shù)；當(dāng)GATE端為低電平時，禁止計數(shù)。

M法和M/T法的測速電路原理分別如圖２和圖３所示。圖中時鐘電路提供由高頻晶振產(chǎn)生的時鐘信號，用來給定采樣周期以及轉(zhuǎn)速檢測時間。前置電路對輸入轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行放大和波形整理。圖２中，COUNT0對轉(zhuǎn)速信號計數(shù)；同時COUNT1和COUNT2均對時鐘信號計數(shù)，而COUNT1用來測量轉(zhuǎn)速檢測時間，XOUNT2則用來控制采樣周期。每個采樣周期轉(zhuǎn)速采樣一次。圖3中，在采樣周期信號和轉(zhuǎn)速脈沖信號的控制下，計數(shù)同步對轉(zhuǎn)速脈沖信號和時鐘信號進(jìn)行同步處理，然后COUNT0和COUNT1對同步處理后轉(zhuǎn)速脈沖信號和時鐘信號分別計數(shù)，此時的COUNT2不僅用來控制采樣周期，還與轉(zhuǎn)速脈沖信號共同作用控制COUNT0和COUNT2的計數(shù)起止時刻。計數(shù)同步電路電路由D觸發(fā)器和基本門電路構(gòu)成，圖4是計數(shù)同步電理圖。電路的工作時序如圖5所示（其中OP是轉(zhuǎn)速脈沖信號）。

2.3 M法和M/T法測速的誤差比較及精度分析

在采用M法測量轉(zhuǎn)速的脈沖頻率信號時，由于控制計數(shù)啟止閘門信號的開啟時間和停止時間與轉(zhuǎn)速脈沖信號之間的時間關(guān)系是不相關(guān)的，故它們在時間軸上的相對位置完全是隨機(jī)的，因此在相同的閘門啟止時間內(nèi)，計數(shù)器計得的數(shù)據(jù)可能不同，造成計數(shù)值的誤差一個采樣周期內(nèi)在-1～+1之間分布，極端情況為-1和+1，形成所謂的±1誤差。圖６是轉(zhuǎn)速計數(shù)誤差產(chǎn)生的一般情況。以下分析均不考慮圓光柵編碼器的制造誤差εｐ。

根據(jù)圖2知，圖6中的閘門信號由COUNT2產(chǎn)生，閘門啟止時間為 ， 時間間隔內(nèi)被測對象如電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為W(rad)，計數(shù)信號為轉(zhuǎn)速脈沖信號，每個轉(zhuǎn)速脈沖代表被測對象轉(zhuǎn)過了ωｘ＝２π／P(rad)，ω１為閘門開啟時刻至第一個脈沖前沿被測對象轉(zhuǎn)過的角度，ω２為閘門關(guān)閉時刻至下一個脈沖前沿被測對象轉(zhuǎn)過的角度，設(shè)計數(shù)值為m1（m1是整數(shù)），計數(shù)誤差為△m1，為了減少計數(shù)相對誤差△m1/m1的影響，m1應(yīng)該很大，為了便于畫圖，圖中m1取４。由圖６可見

由圖５，在采用M/T法測轉(zhuǎn)速時，通過計數(shù)同步電路的處理產(chǎn)生閘門信號Q，閘門信號Q的時間是通過整數(shù)個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間，一個計數(shù)器對轉(zhuǎn)速脈沖信號計數(shù)，設(shè)計數(shù)值為m1，另一個計數(shù)器對高頻時鐘信號（頻率為fCLK計數(shù)以測量閘門時間，設(shè)計數(shù)值為m3，顯然此處在閘門時間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，而在測量閘門時間時，對高頻時鐘信號的計數(shù)也存在±１誤差。設(shè)計數(shù)誤差為△m3，≤１。那么實際轉(zhuǎn)速為

若兩種測速方法具有相同的閘門開啟時間 ，由于時鐘信號的頻率 遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速脈沖信號的頻率

兩種方法的計數(shù)值相比。例如在的情況下

可見，M/T法的測量精度遠(yuǎn)高于M法的測量精度。

圖７是先給電動機(jī)加同一電壓工作穩(wěn)定后再給電動機(jī)加同一階躍讓其工作到另一穩(wěn)態(tài)，分別采用M/T法和Ｍ法測得此電動機(jī)轉(zhuǎn)速并繪制的轉(zhuǎn)速－時間曲線。從圖中可看出，雖然兩種方法測得的轉(zhuǎn)速平均值基本相同，但Ｍ法測量得到的轉(zhuǎn)速曲線（b）由于有轉(zhuǎn)速脈沖的±１誤差，影響較大，轉(zhuǎn)速的失真很明顯；而M/T法測量得到的轉(zhuǎn)速（a盡管有高頻時鐘脈沖的±１的誤差，因其很小，影響可以忽略，出現(xiàn)的小波動是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中電刷經(jīng)過換向器換向時引起的，這正反映了電動機(jī)的實際轉(zhuǎn)速情況。

以上分析和實驗均顯示M/T法的測量精度明顯高于Ｍ法的測量精度，而且電路實現(xiàn)簡便，測量范圍廣，精度高。

通過理論分析及實驗驗證比較，選用了恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速測量方法并精心設(shè)計了轉(zhuǎn)速采集電路，提高了轉(zhuǎn)速采集精度，與此同時采用了精度高、適用范圍廣的電流電壓測量電路，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)采集器的整體精度，在此基礎(chǔ)上，利用電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)辯識方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使系統(tǒng)綜合誤差在3.0%左右（包括硬件測量誤差、電動機(jī)模型近似誤差、軟件算法的數(shù)據(jù)處理誤差等），從而達(dá)到永磁直流電動機(jī)虛擬測試系統(tǒng)的性能要求。