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

摘 要 永磁直流電動(dòng)機(jī)虛擬測(cè)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(cè)試。為達(dá)到系統(tǒng)測(cè)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(cè)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(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞 虛擬測(cè)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(cè)試儀器發(fā)展的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，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(hù)通過(guò)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(cè)試功能。

永磁直流電動(dòng)機(jī)虛擬測(cè)試系統(tǒng)主要通過(guò)系統(tǒng)辯識(shí)理論獲得電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)參數(shù)，并測(cè)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(cè)和診斷。

根據(jù)測(cè)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(cè)定以及故障檢測(cè)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(cè)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(mǎn)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(lái)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(xiàn)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(cè)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(guò)放大整形后，獲得相同頻率的方波信號(hào)，通過(guò)測(cè)量方波的頻率f或周期T，測(cè)得轉(zhuǎn)速的大小。

.2.1常用數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量方法比較

目前，常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)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(cè)時(shí)間內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速；T法是測(cè)量相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的時(shí)間來(lái)確定轉(zhuǎn)速；M/T法是同時(shí)測(cè)量檢測(cè)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(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)速精度來(lái)看，若要求高精度測(cè)速，M法中應(yīng)計(jì)數(shù)值m較大，當(dāng)檢測(cè)時(shí)間Ｔｇ選定后（一般不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)，以保證測(cè)量條件不變且速度快，實(shí)現(xiàn)測(cè)量快速性），只有被測(cè)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?jiàn)Ｍ法適于高速測(cè)量。經(jīng)類(lèi)似分析可知Ｔ法適于低速測(cè)量，考慮高速和低速時(shí)的綜合性能M/T法最好。

（２）從檢測(cè)時(shí)間來(lái)看，Ｍ法的檢測(cè)時(shí)間與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，T法的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量方法并對(duì)測(cè)量效果進(jìn)行了比較。

2.2 M法和M/T法測(cè)速的電路實(shí)現(xiàn)

轉(zhuǎn)速測(cè)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(mén)控信號(hào)GATE，通過(guò)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(cè)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(lái)給定采樣周期以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)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(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速檢測(cè)時(shí)間，XOUNT2則用來(lái)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(lái)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(mén)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(cè)速的誤差比較及精度分析

在采用M法測(cè)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(mén)信號(hào)的開(kāi)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?cè)跁r(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(mén)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(mén)信號(hào)由COUNT2產(chǎn)生，閘門(mén)啟止時(shí)間為 ， 時(shí)間間隔內(nèi)被測(cè)對(duì)象如電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)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(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)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(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)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(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)過(guò)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(huà)圖，圖中m1取４。由圖６可見(jiàn)

由圖５，在采用M/T法測(cè)轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)計(jì)數(shù)同步電路的處理產(chǎn)生閘門(mén)信號(hào)Q，閘門(mén)信號(hào)Q的時(shí)間是通過(guò)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(cè)量閘門(mén)時(shí)間，設(shè)計(jì)數(shù)值為m3，顯然此處在閘門(mén)時(shí)間內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，而在測(cè)量閘門(mén)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(cè)速方法具有相同的閘門(mén)開(kāi)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(jiàn)，M/T法的測(cè)量精度遠(yuǎn)高于M法的測(cè)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(cè)得此電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并繪制的轉(zhuǎn)速－時(shí)間曲線(xiàn)。從圖中可看出，雖然兩種方法測(cè)得的轉(zhuǎn)速平均值基本相同，但Ｍ法測(cè)量得到的轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)（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(cè)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(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(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(cè)量精度明顯高于Ｍ法的測(cè)量精度，而且電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，測(cè)量范圍廣，精度高。

通過(guò)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)的性能要求。