減少元器件離散性影響的電機負載判斷方法

　　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。

　　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-a所示)，此時(shí)經(jīng)過(guò)光耦轉換后的脈沖如圖2-b所示，最后非常弱的電壓信號就變成了很窄的脈沖信號。

　　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2-b所示的是光耦傳輸比為150時(shí)的脈沖信號，圖2-c所示的是光耦傳輸比為80時(shí)的脈沖信號?？梢钥闯鰣D2-c比圖2-b少一個(gè)脈沖。

　　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。
　　
　　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。

 　　      
　　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-a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2-b和圖2-c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

　　我們在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2-b所示。

　　實(shí)驗1結論：從圖3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。

　　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)。

　　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。

　　結語(yǔ)

　　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