專利名稱：電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機(jī)速度測(cè)量方法，具體為一種電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法。
(二)技術(shù)背景脈沖編碼器是進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量常用裝置。安裝在電機(jī)軸上的脈沖編碼器在轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)發(fā)出一個(gè)脈沖。對(duì)于高速測(cè)量，由于脈沖頻率較高，通常采用定周期計(jì)脈沖數(shù)的方法測(cè)量速度，但對(duì)于電機(jī)低速測(cè)量，脈沖頻率較低，在固定的測(cè)量周期內(nèi)能記錄到的脈沖數(shù)量很少，甚至某些周期內(nèi)脈沖數(shù)為零，這樣測(cè)量誤差較大。因此在測(cè)量低速時(shí)，通常采用測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間時(shí)間間隔的方法測(cè)量速度。但是在很低的速度下，脈沖間隔時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算得到速度值的時(shí)間間隔也長(zhǎng)，在前一個(gè)脈沖過去但第二個(gè)脈沖還沒有到達(dá)時(shí)，由于無法預(yù)期下一個(gè)脈沖到達(dá)的時(shí)間，速度測(cè)量的結(jié)果只能仍舊維持上一次脈沖時(shí)更新的數(shù)值。測(cè)量周期長(zhǎng)而且測(cè)得的速度值過多地偏離了實(shí)際速度在速度逐漸變慢甚至趨于零時(shí)，這種測(cè)量方法的誤差更大。這樣的速度測(cè)量方法不能滿足現(xiàn)代高精度控制的要求。
為解決低速測(cè)量的問題有許多方案。
日本株式會(huì)社明電舍92年申請(qǐng)的中國(guó)專利CN1067341“在極低速度范圍內(nèi)使用轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖編碼器控制電機(jī)速度的系統(tǒng)與方法”，除了在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝可以根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度發(fā)出脈沖的速度檢測(cè)器，還安裝了電機(jī)速度估計(jì)觀測(cè)器，該觀測(cè)器使用一負(fù)載估計(jì)值上的最低階擾動(dòng)觀測(cè)器，其被轉(zhuǎn)換為一個(gè)速度控制周期系統(tǒng)與速度檢測(cè)周期系統(tǒng)的離荼系統(tǒng)模型，用于估計(jì)在一個(gè)由速度檢測(cè)器產(chǎn)生的脈沖間隔內(nèi)電機(jī)的速度?；蛘咴谧畹退俪煞秶鷥?nèi)，使脈沖編碼器輸出脈沖的脈沖間隔比系統(tǒng)的速度控制周期長(zhǎng)。然后根據(jù)一個(gè)轉(zhuǎn)矩期望值和一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩估計(jì)值來計(jì)算電機(jī)模型速度的估計(jì)值。其裝置復(fù)雜，計(jì)算也復(fù)雜。
《吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)》2003年1期吉林建筑工程學(xué)院電氣與電子信息工程系文章“機(jī)輪低轉(zhuǎn)速高精度測(cè)量系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)”，對(duì)機(jī)輪啟動(dòng)初和制動(dòng)末兩階段的轉(zhuǎn)速測(cè)量方案進(jìn)行了改進(jìn)，用光電編碼器作為轉(zhuǎn)速傳感器，CPU用于信號(hào)處理及算法控制器。硬件電路中加入高頻時(shí)鐘及鎖存器電路，在T時(shí)間結(jié)束后計(jì)數(shù)器記錄下此時(shí)間內(nèi)的N個(gè)整脈沖，鎖存器里則記下N個(gè)整脈沖內(nèi)高頻時(shí)鐘的脈沖數(shù)，經(jīng)計(jì)算得到轉(zhuǎn)速。克服了在T時(shí)間內(nèi)不完整的零脈沖造成的測(cè)速誤差。此種測(cè)速方法還是不能適用于速度下降到一定的周期內(nèi)無法測(cè)得編碼器脈沖的情況。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法，根據(jù)脈沖到達(dá)的預(yù)期時(shí)間采用外延計(jì)算方法估算實(shí)際速度，避免電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生過大的測(cè)速誤差。
本發(fā)明電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法具體如下在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝脈沖編碼器，當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)編碼器發(fā)出一個(gè)脈沖系列，該編碼器與計(jì)算機(jī)相連接，編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)送入計(jì)算機(jī)檢測(cè)電路。第一、第二個(gè)編碼器脈沖到達(dá)時(shí)，計(jì)算機(jī)測(cè)量出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔T，則可計(jì)算得到這段時(shí)間的電機(jī)軸的平均轉(zhuǎn)動(dòng)速度C/T，C為根據(jù)編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)確定的常數(shù)。此時(shí)假設(shè)旋轉(zhuǎn)速度不變，即第三個(gè)脈沖的將在2T時(shí)刻到達(dá)，計(jì)算機(jī)以2T時(shí)刻作為第三個(gè)脈沖的預(yù)期到達(dá)時(shí)間，即計(jì)算機(jī)預(yù)估的速度為第一、第二個(gè)脈沖之間的平均速度。如果編碼器旋轉(zhuǎn)速度加快，則第三個(gè)脈沖將在2T之前到達(dá)，計(jì)算機(jī)根據(jù)第三和第二個(gè)脈沖的時(shí)間間隔T’計(jì)算得到新的速度C/T’，并以新的時(shí)間間隔預(yù)期下一個(gè)脈沖的到來。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，則在2T時(shí)刻，第三個(gè)脈沖不能到達(dá)。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖在2T+Δt時(shí)刻還未到達(dá)，計(jì)算機(jī)估算當(dāng)前速度可能的最高值為Ni＝C/(T+Δti)，隨著Δti增大，計(jì)算機(jī)估算的當(dāng)前速度可能的最高值不斷降低。最終第三個(gè)脈沖在2T+Δt到達(dá)時(shí)，計(jì)算機(jī)得到第三和第二個(gè)脈沖之間的平均速度N2-3＝C/(T+Δt)。
顯然，當(dāng)速度減慢時(shí)，在第三個(gè)脈沖預(yù)期到達(dá)時(shí)刻2T之后，計(jì)算機(jī)估算的當(dāng)前速度最高值是在逐漸逼近實(shí)際速度。
本發(fā)明解決了電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，使用脈沖編碼器的測(cè)速由于相鄰脈沖時(shí)間間隔的不可預(yù)知性帶來較大速度測(cè)量誤差的問題，根據(jù)本外延計(jì)算方法計(jì)算的最高可能速度外延曲線和經(jīng)驗(yàn)的估計(jì)方法結(jié)合，可以得到較為準(zhǔn)確的速度估測(cè)值，以對(duì)電機(jī)進(jìn)行較準(zhǔn)確的控制。
(四)


圖1為本發(fā)明電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法中，計(jì)算機(jī)估算的速度與脈沖關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法具體實(shí)施例如圖1所示，其橫坐標(biāo)表示時(shí)間t，縱坐標(biāo)表示電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度V。第一個(gè)編碼器脈沖到達(dá)時(shí)刻為0，第二個(gè)編碼器脈沖到達(dá)時(shí)刻為t1，計(jì)算機(jī)測(cè)量出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔為T，則可計(jì)算得到0至t1這段時(shí)間內(nèi)電機(jī)軸的平均轉(zhuǎn)動(dòng)速度為V1-2＝C/T，C為根據(jù)編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)確定的常數(shù)。
t1之后若電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度不變，第三個(gè)脈沖將在2T時(shí)刻到達(dá)，計(jì)算機(jī)以2T時(shí)刻作為第三個(gè)脈沖的預(yù)期到達(dá)時(shí)間，即計(jì)算機(jī)預(yù)估t1至2T時(shí)間段的最大可能速度為第一、第二個(gè)脈沖之間的平均速度V1-2。
t1之后若電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，則第三個(gè)脈沖在2T時(shí)刻之前到達(dá)。即根據(jù)第三個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻t2與t1之間的時(shí)間差T’計(jì)算V2-3＝C/T’。并以此值作為實(shí)測(cè)值送出進(jìn)行電機(jī)控制。顯然，電機(jī)速度越高，計(jì)算值的精度越高。
t1之后，若電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，2T時(shí)刻第三個(gè)脈沖不會(huì)到達(dá)。此時(shí)按本法進(jìn)行外延計(jì)算，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖在2T+Δti時(shí)刻還未到達(dá)，計(jì)算機(jī)估算當(dāng)前速度可能的最高值為Vimax＝C/(T+Δti)，隨著Δti增大，計(jì)算機(jī)估算的當(dāng)前速度可能的最高值不斷降低，一系列的Vimax值形成外延曲線，如圖1中的虛線。當(dāng)在t2＝2T+Δt時(shí)刻第三個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)，就可以計(jì)算出實(shí)測(cè)得到的第三和第二個(gè)脈沖之間的平均速度V2-3＝C/(T+Δt)。
實(shí)際中的旋轉(zhuǎn)速度由于受轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的限制不會(huì)發(fā)生突變，實(shí)際速度只可能在零速與上述計(jì)算機(jī)估算的當(dāng)前可能的最高速度值之間。根據(jù)速度變化的經(jīng)驗(yàn)選取一個(gè)值N，N≥1，并參照上述計(jì)算機(jī)估算的最大可能速度值對(duì)實(shí)際速度進(jìn)行估計(jì)，即以V＝Vimax/N作為測(cè)量結(jié)果估計(jì)值送出，用以對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。此估計(jì)值介于零值與估算的可能最高速度之間，如圖1中的實(shí)線。該估計(jì)值雖然與電機(jī)實(shí)際速度仍有偏差且稍滯后，但比直接使用計(jì)算機(jī)估算的當(dāng)前可能的最高速度值精度高，更接近實(shí)際速度，用此進(jìn)行電機(jī)控制精確度也大大提高。經(jīng)驗(yàn)值N的選取，與電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的阻力狀況以及驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的扭力有關(guān)，如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，阻力和驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小，則N值接近1，反之，N值較大。
權(quán)利要求
1一種電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上安裝脈沖編碼器，當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)編碼器發(fā)出一個(gè)脈沖系列，該編碼器與計(jì)算機(jī)相連接，編碼器發(fā)出的脈沖信號(hào)送入計(jì)算機(jī)檢測(cè)電路；第一、第二個(gè)編碼器脈沖到達(dá)時(shí)，計(jì)算機(jī)測(cè)量出兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔T，計(jì)算得到這段時(shí)間的電機(jī)軸的平均轉(zhuǎn)動(dòng)速度C/T，C為根據(jù)編碼器每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)確定的常數(shù)；其特征為電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖在2T+Δti時(shí)刻未到達(dá)時(shí)，計(jì)算機(jī)估算當(dāng)前速度可能的最高值為Vimax＝C/(T+Δti)；當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖在t2＝2T+Δt時(shí)刻到達(dá)時(shí)，計(jì)算出實(shí)測(cè)得到的第三和第二個(gè)脈沖之間的平均速度V2-3＝C/(T+Δt)。
2如權(quán)利要求1所述的電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法，其特征為根據(jù)速度變化的經(jīng)驗(yàn)選取一個(gè)值N，N≥1，以V＝Vimax/N作為測(cè)量結(jié)果估計(jì)值送出，用以對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。
3如權(quán)利要求2所述的電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法，其特征為經(jīng)驗(yàn)值N的選取，與電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的阻力狀況以及驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的扭力有關(guān)，如果轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，阻力和驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較小，則N值接近1，反之，N值較大。
全文摘要
本電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)使用脈沖編碼器的測(cè)速方法，按一、二個(gè)編碼器脈沖間的時(shí)間間隔T，計(jì)算得這段時(shí)間的電機(jī)軸的平均速度C/T，C為常數(shù)。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變慢，第三個(gè)脈沖在2T+Δt時(shí)刻未到達(dá)時(shí)，計(jì)算機(jī)估算當(dāng)前速度可能的最高值為V
文檔編號(hào)H02P5/00GK1580784SQ200410022609
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月18日
發(fā)明者呂虹 申請(qǐng)人:桂林星辰電力電子有限公司