減少元器件離散性影響的電機負載判斷方法

作者：姜德志 （中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院）陳艷麗 （海爾集團科技公司開(kāi)發(fā)部）

摘要：本文介紹了一種電機負載檢測方法，通過(guò)檢測第1個(gè)脈沖寬度的方法而不是通過(guò)檢測脈沖個(gè)數來(lái)檢測電機負載的多少，從而可以大大減小由于元器件參數離散性引起的誤差。文中以詳細的實(shí)驗數據來(lái)說(shuō)明了該方法的可靠性。

關(guān)鍵詞：負載判斷 傳輸比 脈沖寬度

背景：在一些應用中，經(jīng)常需要對負載大小進(jìn)行檢測，例如電機拖動(dòng)、家電等，有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是測電機發(fā)電狀態(tài)時(shí)脈沖個(gè)數來(lái)進(jìn)行負載大小的檢測和判斷，這種方法適合于感應電機。
　　檢測原理如下：
　　電機負載不同，對電機產(chǎn)生的阻力不同，如果給電機通電一個(gè)固定的較短的時(shí)間，負載的大小就會(huì )直接影響電機所能達到的最高轉速。停止電機供電，電機由于慣性會(huì )繼續轉動(dòng)。由于電機轉子剩磁的存在，自由轉動(dòng)的電機就處于發(fā)電狀態(tài)，同樣受負載大小的影響，和轉速不同，電機自由轉動(dòng)時(shí)發(fā)出交流信號脈沖個(gè)數就會(huì )不同。檢出這個(gè)脈沖個(gè)數，就可以大概的判斷出負載的大小。
　　在這種處理過(guò)程中，通常采用的硬件電路如圖1所示，
　
                                       圖1
　　當電機處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的交流電壓信號經(jīng)過(guò)光耦轉換為矩形波脈沖信號，單片機通過(guò)檢測這個(gè)脈沖信號就可以獲得電機轉動(dòng)情況，通常通過(guò)檢出脈沖的個(gè)數獲得負載數據。
　　實(shí)際應用中，當電機處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，由于電機轉動(dòng)越來(lái)越弱，再加上剩磁越來(lái)越弱，發(fā)出的信號必然越來(lái)越弱（如圖2所示），此時(shí)經(jīng)過(guò)光耦轉換后的脈沖如圖3所示，最后非常弱的電壓信號就變成了很窄的脈沖信號。
　
                                                圖2
　
                                           圖3
　　由于光耦傳輸比的不同，即使電機發(fā)出信號相同，經(jīng)過(guò)光耦轉換后的信號也會(huì )不同，圖3所示的是光耦傳輸比為150時(shí)的脈沖信號，圖4所示的是光耦傳輸比為80時(shí)的脈沖信號?？梢钥闯鰣D4比圖3少一個(gè)脈沖。

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                                           圖4
　　檢測脈沖個(gè)數的方法，可能就會(huì )因為光耦傳輸比的不同而帶來(lái)較大的判斷誤差，這一點(diǎn)在我們的實(shí)際使用中也確實(shí)發(fā)現了問(wèn)題，用不同批次光耦生產(chǎn)的整機判斷結果有很大的差異。
　　本人結合多年開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗，給出一種新的方法，可以大大減小光耦傳輸比離散性的影響。

方法：　

　　電機發(fā)電產(chǎn)生的電壓信號是正弦波，在幅度達到一定高度后，光耦會(huì )工作在飽和導通的狀態(tài)，此時(shí)傳輸的信號與光耦傳輸比沒(méi)有關(guān)系。
對于信號幅度低時(shí)，光耦將工作在放大狀態(tài)，此時(shí)，光耦傳輸比的影響符合下面的關(guān)系式。
　――――式1
　　這個(gè)式子不是等號和乘積關(guān)系，代表正比關(guān)系。
　　式中，
　　VA：光耦受光端產(chǎn)生的電壓，這個(gè)電壓越高，N1放大后信號幅度越大。
 K：其他參數影響的系數，由于電阻等的影響很小，可以認為是常數
 VAC/R1：光耦發(fā)光端發(fā)光電流。其中VAC就是電機發(fā)電產(chǎn)生的信號的電壓幅度
 POP：光耦傳輸比
 VCC：光耦受光端上拉的電壓幅度。
　　從這個(gè)關(guān)系式可以看出，由于POP的變化范圍大（0.8~1.6），對信號處理的結果的影響也大。如果電壓信號多數是弱信號，光耦多數工作于放大狀態(tài)，則對測量結果帶來(lái)的影響必然大。
　　而從圖2可以看出，電機剛處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，發(fā)出的電壓最高，此時(shí)光耦會(huì )更多的工作在飽和狀態(tài)，這樣第1個(gè)脈沖應該是光耦離散性影響最小的。
　　通過(guò)觀(guān)察圖3和圖4我們也可以發(fā)現，對同一型號的光耦，無(wú)論光耦傳輸比怎樣變化，第一個(gè)脈沖寬度基本是一樣的，因此檢測第一個(gè)脈沖的寬度，就可以避免光耦傳輸比的影響。
　　但除了減少零部件的影響之外，還必須能夠對負載大小進(jìn)行判斷，所以我們進(jìn)行了實(shí)驗．
　　實(shí)驗1：
    我們再同一臺機器上用不同負載進(jìn)行檢測，獲得了不同負載下的波形，如圖5所示
　
                       圖5
　　實(shí)驗1結論：從圖可以看出，這個(gè)脈沖寬度隨負載的變化在逐漸變寬?？梢源_定，通過(guò)這個(gè)方法能夠進(jìn)行負載大小的判斷。
　　具體的處理過(guò)程如下：
　　電機正轉和反轉的驅動(dòng)均用可控硅實(shí)現，對可控硅的驅動(dòng)我們采用過(guò)零點(diǎn)驅動(dòng)的方式，這樣就可以很好的獲得電機發(fā)電狀態(tài)時(shí)第1個(gè)脈沖的開(kāi)始。
　　對電機的驅動(dòng)是正轉0.4秒，停0.6秒，反轉0.4秒，停0.6秒。
　　當過(guò)零點(diǎn)時(shí)，可控硅斷開(kāi)，此時(shí)電機進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，開(kāi)始發(fā)出第1個(gè)脈沖，單片機獲得信號電平第1個(gè)沿變化后開(kāi)始計時(shí)，到另外一個(gè)相同的沿變化時(shí)結束，所計時(shí)間就是第1個(gè)脈沖的寬度。

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　　我們讓電機反復正轉和反轉6次，獲得12個(gè)這樣的脈沖。對這12個(gè)脈沖進(jìn)行處理即可獲得負載大小的表示值。
　　為證明方法的可行性，我們進(jìn)行了實(shí)驗2。
　　實(shí)驗2
　　我們篩選3個(gè)偏差大的光耦，在同一臺整機上進(jìn)行了實(shí)驗，獲得了如下一組實(shí)驗數據（表1）
　　表1
　
　　實(shí)驗2結論：從實(shí)驗結果可以看出，光耦離散性的影響是很小的，而且可以很好的對負載大小進(jìn)行判斷。
　　
　　結論：

　　光耦對測量結果的影響主要是在放大狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的，只要減少光耦工作于放大狀態(tài)的時(shí)間，就可以減少光耦的影響。經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后的方法，可以使光耦更多的工作于飽和狀態(tài)，從而使檢出的結果更可考。

　　參考文獻：

　　1．《光電技術(shù)》 電子工業(yè)出版社 2005年4月

　　作者簡(jiǎn)介：姜德志，海爾集團研發(fā)推進(jìn)本部大型號經(jīng)理，中國海洋大學(xué)工程碩士研究生。14年從事控制產(chǎn)品研發(fā)和管理，擁有近百項發(fā)明和實(shí)用新型專(zhuān)利。
　　陳艷麗：海爾集團研發(fā)推進(jìn)本部型號經(jīng)理，碩士，擁有近多項發(fā)明和實(shí)用新型專(zhuān)利。
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