永磁直流電動(dòng)機虛擬測試系統轉速采集模塊的開(kāi)發(fā)

摘 要 永磁直流電動(dòng)機虛擬測試系統可以獲得直流電動(dòng)機有關(guān)的機電參數，從而對永磁直流電動(dòng)機進(jìn)行多功能測試。為達到系統測試精度要求數據采集器具有很高的精度。主要闡述了數據采集器中電動(dòng)機轉速測量電路原理及實(shí)現，并對其精度做了具體分析，最后通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞 虛擬測試系統 直流電動(dòng)機 采集精度

虛擬儀器是計算機測試儀器發(fā)展的結果。一般來(lái)說(shuō)，它由計算機、一組硬件和軟件組成。硬件解決信號的輸入和輸出，軟件完成數據處理、應用理論實(shí)現及系統控制功能。用戶(hù)通過(guò)操作計算機圖形面板，即可控制計算機虛擬儀器的運行，完成全部測試功能。

永磁直流電動(dòng)機虛擬測試系統主要通過(guò)系統辯識理論獲得電機的動(dòng)靜態(tài)參數，并測定全部動(dòng)靜態(tài)特性，以及有關(guān)電機的多種物理量。同時(shí)，根據動(dòng)靜態(tài)參數的變化，可以在一定程度上對電動(dòng)機進(jìn)行故障檢測和診斷。

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

１ 數據采集器的總體結構

本采集器的總體結構如圖１所示，主要由功率驅動(dòng)部分和數據采集部分組成，由計算機來(lái)控制。數據采集部分是一塊內置于計算機（386XT以上機型）擴展槽內的數據采集板，該采集板采用ISA總線(xiàn)可進(jìn)行16位數據傳輸，電流與電壓的采集采用雙路A/D轉換，提高了數據采集的速度并保證了數據采集的同時(shí)性。采集信號中，電壓u(t)和電流i(t)以模擬信號方式輸入；轉速n(t)以數字頻率信號方式輸入。

２ 轉速采集方法及電路實(shí)現

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

.2.1常用數字式轉速測量方法比較

目前，常用的數字式轉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(shí)間內，測量所產(chǎn)生的轉速脈沖信號的個(gè)數來(lái)確定轉速；T法是測量相鄰兩個(gè)轉速脈沖信號的時(shí)間來(lái)確定轉速；M/T法是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此時(shí)間內的轉速脈沖信號的個(gè)數來(lái)確定轉速。三種方法的各項性能比較如表１。

表1中，m1、m2檢測時(shí)間間隔內的脈沖計數值（分別對應M、T法）；T為規定的檢測時(shí)間間隔；P為圓光柵編碼器每轉一圈發(fā)出的轉速脈沖信號的個(gè)數； 為Ｔ法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個(gè)脈沖的間隔）； 是電機每分鐘的轉速； 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(lái)看，若要求高精度測速，M法中應計數值m較大，當檢測時(shí)間Ｔｇ選定后（一般不應過(guò)長(cháng)，以保證測量條件不變且速度快，實(shí)現測量快速性），只有被測轉速 較高或圓光柵編碼器每轉一圈發(fā)出的轉速脈沖信號個(gè)數Ｐ較多，才能使ｍ１較大。對于Ｐ給定情況，只有 大時(shí)，m1才大?？梢?jiàn)Ｍ法適于高速測量。經(jīng)類(lèi)似分析可知Ｔ法適于低速測量，考慮高速和低速時(shí)的綜合性能M/T法最好。

（２）從檢測時(shí)間來(lái)看，Ｍ法的檢測時(shí)間與轉速無(wú)關(guān)，T法的檢測時(shí)間隨著(zhù)轉速的增加而減小，M/T法如果犧牲一點(diǎn)分辨率，則可以使檢測時(shí)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M法和M/T法的工作原理，實(shí)現了兩種轉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(shí)現

轉速測量電路是由通用可編程定時(shí)／計數器8254及其輔助電路組成。8254內部有三個(gè)相同的獨立16位計數器（COUNTO、COUNT1、COUNT2）。每個(gè)計數器都有自己的時(shí)鐘輸入CLK、計數器輸出OUT和門(mén)控信號GATE，通過(guò)編程設置工作方式。當GATE端為高電平時(shí)，允許計數；當GATE端為低電平時(shí)，禁止計數。

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(shí)鐘電路提供由高頻晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號，用來(lái)給定采樣周期以及轉速檢測時(shí)間。前置電路對輸入轉速信號進(jìn)行放大和波形整理。圖２中，COUNT0對轉速信號計數；同時(shí)COUNT1和COUNT2均對時(shí)鐘信號計數，而COUNT1用來(lái)測量轉速檢測時(shí)間，XOUNT2則用來(lái)控制采樣周期。每個(gè)采樣周期轉速采樣一次。圖3中，在采樣周期信號和轉速脈沖信號的控制下，計數同步對轉速脈沖信號和時(shí)鐘信號進(jìn)行同步處理，然后COUNT0和COUNT1對同步處理后轉速脈沖信號和時(shí)鐘信號分別計數，此時(shí)的COUNT2不僅用來(lái)控制采樣周期，還與轉速脈沖信號共同作用控制COUNT0和COUNT2的計數起止時(shí)刻。計數同步電路電路由D觸發(fā)器和基本門(mén)電路構成，圖4是計數同步電理圖。電路的工作時(shí)序如圖5所示（其中OP是轉速脈沖信號）。

2.3 M法和M/T法測速的誤差比較及精度分析

在采用M法測量轉速的脈沖頻率信號時(shí)，由于控制計數啟止閘門(mén)信號的開(kāi)啟時(shí)間和停止時(shí)間與轉速脈沖信號之間的時(shí)間關(guān)系是不相關(guān)的，故它們在時(shí)間軸上的相對位置完全是隨機的，因此在相同的閘門(mén)啟止時(shí)間內，計數器計得的數據可能不同，造成計數值的誤差一個(gè)采樣周期內在-1～+1之間分布，極端情況為-1和+1，形成所謂的±1誤差。圖６是轉速計數誤差產(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。

根據圖2知，圖6中的閘門(mén)信號由COUNT2產(chǎn)生，閘門(mén)啟止時(shí)間為 ， 時(shí)間間隔內被測對象如電機轉過(guò)的角度為W(rad)，計數信號為轉速脈沖信號，每個(gè)轉速脈沖代表被測對象轉過(guò)了ωｘ＝２π／P(rad)，ω１為閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)刻至第一個(gè)脈沖前沿被測對象轉過(guò)的角度，ω２為閘門(mén)關(guān)閉時(shí)刻至下一個(gè)脈沖前沿被測對象轉過(guò)的角度，設計數值為m1（m1是整數），計數誤差為△m1，為了減少計數相對誤差△m1/m1的影響，m1應該很大，為了便于畫(huà)圖，圖中m1?。?。由圖６可見(jiàn)

由圖５，在采用M/T法測轉速時(shí)，通過(guò)計數同步電路的處理產(chǎn)生閘門(mén)信號Q，閘門(mén)信號Q的時(shí)間是通過(guò)整數個(gè)轉速脈沖信號的時(shí)間，一個(gè)計數器對轉速脈沖信號計數，設計數值為m1，另一個(gè)計數器對高頻時(shí)鐘信號（頻率為fCLK計數以測量閘門(mén)時(shí)間，設計數值為m3，顯然此處在閘門(mén)時(shí)間內，電機轉過(guò)的角度，而在測量閘門(mén)時(shí)間時(shí)，對高頻時(shí)鐘信號的計數也存在±１誤差。設計數誤差為△m3，≤１。那么實(shí)際轉速為

若兩種測速方法具有相同的閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間 ，由于時(shí)鐘信號的頻率 遠高于轉速脈沖信號的頻率

兩種方法的計數值相比。例如在的情況下

可見(jiàn)，M/T法的測量精度遠高于M法的測量精度。

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

以上分析和實(shí)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(shí)現簡(jiǎn)便，測量范圍廣，精度高。

通過(guò)理論分析及實(shí)驗驗證比較，選用了恰當的轉速測量方法并精心設計了轉速采集電路，提高了轉速采集精度，與此同時(shí)采用了精度高、適用范圍廣的電流電壓測量電路，進(jìn)而提高了數據采集器的整體精度，在此基礎上，利用電動(dòng)機的數學(xué)模型和系統辯識方法進(jìn)行數據處理，使系統綜合誤差在3.0%左右（包括硬件測量誤差、電動(dòng)機模型近似誤差、軟件算法的數據處理誤差等），從而達到永磁直流電動(dòng)機虛擬測試系統的性能要求。