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

          作者: 時(shí)間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘 要 永磁直流電動(dòng)機(jī)虛擬測試系統(tǒng)可以獲得直流電動(dòng)機(jī)有關(guān)的機(jī)電參數(shù),從而對(duì)永磁直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路原理及實(shí)現(xiàn),并對(duì)其精度做了具體分析,最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/255705.htm

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

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

          永磁直流電動(dòng)機(jī)虛擬測試系統(tǒng)主要通過系統(tǒng)辯識(shí)理論獲得電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)參數(shù),并測定全部動(dòng)靜態(tài)特性,以及有關(guān)電機(jī)的多種物理量。同時(shí),根據(jù)動(dòng)靜態(tài)參數(shù)的變化,可以在一定程度上對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)辯識(shí)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(gè)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(dòng)部分和數(shù)據(jù)采集部分組成,由計(jì)算機(jī)來控制。數(shù)據(jù)采集部分是一塊內(nèi)置于計(jì)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(shí)性。采集信號(hào)中,電壓u(t)和電流i(t)以模擬信號(hào)方式輸入;轉(zhuǎn)速n(t)以數(shù)字頻率信號(hào)方式輸入。

          2 轉(zhuǎn)速采集方法及電路實(shí)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(hào)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(hào),經(jīng)過放大整形后,獲得相同頻率的方波信號(hào),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(shí)間內(nèi),測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速;T法是測量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來確定轉(zhuǎn)速;M/T法是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。三種方法的各項(xiàng)性能比較如表1。

          表1中,m1、m2檢測時(shí)間間隔內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值(分別對(duì)應(yīng)M、T法);T為規(guī)定的檢測時(shí)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(hào)的個(gè)數(shù); 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(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(jì)數(shù)值m較大,當(dāng)檢測時(shí)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(shí)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(hào)個(gè)數(shù)P較多,才能使m1較大。對(duì)于P給定情況,只有 大時(shí),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(shí)的綜合性能M/T法最好。

          (2)從檢測時(shí)間來看,M法的檢測時(shí)間與轉(zhuǎn)速無關(guān),T法的檢測時(shí)間隨著轉(zhuǎn)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(jù)M法和M/T法的工作原理,實(shí)現(xiàn)了兩種轉(zhuǎn)速測量方法并對(duì)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(xiàn)

          轉(zhuǎn)速測量電路是由通用可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器8254及其輔助電路組成。8254內(nèi)部有三個(gè)相同的獨(dú)立16位計(jì)數(shù)器(COUNTO、COUNT1、COUNT2)。每個(gè)計(jì)數(shù)器都有自己的時(shí)鐘輸入CLK、計(jì)數(shù)器輸出OUT和門控信號(hào)GATE,通過編程設(shè)置工作方式。當(dāng)GATE端為高電平時(shí),允許計(jì)數(shù);當(dāng)GATE端為低電平時(shí),禁止計(jì)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(shí)鐘電路提供由高頻晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào),用來給定采樣周期以及轉(zhuǎn)速檢測時(shí)間。前置電路對(duì)輸入轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行放大和波形整理。圖2中,COUNT0對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)數(shù);同時(shí)COUNT1和COUNT2均對(duì)時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù),而COUNT1用來測量轉(zhuǎn)速檢測時(shí)間,XOUNT2則用來控制采樣周期。每個(gè)采樣周期轉(zhuǎn)速采樣一次。圖3中,在采樣周期信號(hào)和轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的控制下,計(jì)數(shù)同步對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步處理,然后COUNT0和COUNT1對(duì)同步處理后轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)分別計(jì)數(shù),此時(shí)的COUNT2不僅用來控制采樣周期,還與轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)共同作用控制COUNT0和COUNT2的計(jì)數(shù)起止時(shí)刻。計(jì)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(jì)數(shù)同步電理圖。電路的工作時(shí)序如圖5所示(其中OP是轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào))。

          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(hào)時(shí),由于控制計(jì)數(shù)啟止閘門信號(hào)的開啟時(shí)間和停止時(shí)間與轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)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(duì)位置完全是隨機(jī)的,因此在相同的閘門啟止時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù)據(jù)可能不同,造成計(jì)數(shù)值的誤差一個(gè)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(jì)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(hào)由COUNT2產(chǎn)生,閘門啟止時(shí)間為 , 時(shí)間間隔內(nèi)被測對(duì)象如電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為W(rad),計(jì)數(shù)信號(hào)為轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào),每個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖代表被測對(duì)象轉(zhuǎn)過了ωx=2π/P(rad),ω1為閘門開啟時(shí)刻至第一個(gè)脈沖前沿被測對(duì)象轉(zhuǎn)過的角度,ω2為閘門關(guān)閉時(shí)刻至下一個(gè)脈沖前沿被測對(duì)象轉(zhuǎn)過的角度,設(shè)計(jì)數(shù)值為m1(m1是整數(shù)),計(jì)數(shù)誤差為△m1,為了減少計(jì)數(shù)相對(duì)誤差△m1/m1的影響,m1應(yīng)該很大,為了便于畫圖,圖中m1?。?。由圖6可見

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

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

          兩種方法的計(jì)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(dòng)機(jī)加同一電壓工作穩(wěn)定后再給電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并繪制的轉(zhuǎn)速-時(shí)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(shí)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(dòng)是由電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中電刷經(jīng)過換向器換向時(shí)引起的,這正反映了電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速情況。

          以上分析和實(shí)驗(yàn)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(xiàn)簡便,測量范圍廣,精度高。

          通過理論分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較,選用了恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速測量方法并精心設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速采集電路,提高了轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集器的整體精度,在此基礎(chǔ)上,利用電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)辯識(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)虛擬測試系統(tǒng)的性能要求。

           

           

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