基于脈沖序列識別法的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向測量新方法

王新浩，潘立巍，王 勇，劉嗣萃

(國網(wǎng)冀北承德供電公司，河北 承德 067000)

基于脈沖序列識別法的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向測量新方法

王新浩，潘立巍，王 勇，劉嗣萃

(國網(wǎng)冀北承德供電公司，河北 承德 067000)

針對傳統(tǒng)非接觸式轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向測量方法存在的操作難度大、使用易出錯等問題，提出了脈沖序列識別新方法。利用感應(yīng)器件的不均勻排布，使傳感器輸出脈寬不等的脈沖序列，再利用微控制器對脈沖序列進(jìn)行識別，從而測量出待測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。利用霍爾傳感器配合單片機(jī)搭建硬件電路系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物測試，驗證了該方法的準(zhǔn)確性和可靠性。脈沖序列識別法解決了傳統(tǒng)非接觸式測量法存在的問題，并且具有結(jié)構(gòu)精簡、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

脈沖序列識別法；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向測量；霍爾傳感器；光電傳感器；微控制器

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向測量在工程實(shí)踐和科研實(shí)驗中應(yīng)用非常廣泛，根據(jù)傳感器安裝方式可以分為接觸式測量法和非接觸式測量法[1]。接觸式測量法主要使用測速發(fā)電機(jī)[2]，測速發(fā)電機(jī)又分為直流測速發(fā)電機(jī)和交流測速發(fā)電機(jī)，測速發(fā)電機(jī)的輸出電動勢具有斜率高、特性成線性、無信號區(qū)小或剩余電壓小、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時輸出電壓不對稱度小、對溫度敏感低等特點(diǎn)。非接觸式測量法可分為光電式和電磁式[3,4]，光電式測速傳感器一般是基于光電變換原理，可分為透光式測速傳感器和反射式測速傳感器，光電式測速傳感器輸出信號的波形比較規(guī)整，接近標(biāo)準(zhǔn)方波，幾乎無干擾信號產(chǎn)生；電磁式測速傳感器一般是基于電磁感應(yīng)原理，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

1 非接觸式測量法存在的問題

非接觸式測量法的基本原理如圖1所示[4]，在待測系統(tǒng)均勻地安裝感應(yīng)器件，使用兩組傳感器探頭。待測系統(tǒng)轉(zhuǎn)動,傳感器輸出兩列均勻的脈沖信號，測量任意一列可以測量轉(zhuǎn)速。由于兩個傳感器探頭相對于感應(yīng)器件有90°相位差，因此后級電路輸出的脈沖信號也有90°相位差。轉(zhuǎn)向改變，兩列脈沖超前滯后的相位關(guān)系也會改變，通過識別相位關(guān)系可以測量轉(zhuǎn)向[5]。

非接觸式測量法基于上述原理測量轉(zhuǎn)向時具有如下問題：1)要求傳感器輸出脈沖的占空比盡可能接近50%，否則會影響測量可靠性，要求感應(yīng)器件的尺寸和相互間隙盡可能相等；2)對兩個傳感器探頭的相對位置嚴(yán)格要求，即相對于感應(yīng)器件的相位差嚴(yán)格為90°，增加了實(shí)際操作難度；3)如果感應(yīng)器件自身的尺寸很小并且排布緊密，安裝操作難度更大，更容易出錯；4)在后續(xù)使用過程中，如果由于外力作用，傳感器探頭位置發(fā)生微小的變化就可能測量錯誤。

針對傳統(tǒng)的非接觸式測量法測量轉(zhuǎn)向存在的問題，提出了脈沖序列識別新方法，可以有效地解決傳統(tǒng)非接觸式測量法存在的問題。

2 脈沖序列識別法的基本原理

脈沖序列識別法的基本思想如下：在待測系統(tǒng)不均勻地安裝感應(yīng)器件，只使用一組傳感器探頭，待測系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時，傳感器輸出脈寬不等的脈沖序列，利用微控制器對脈沖序列進(jìn)行識別，測量待測系統(tǒng)轉(zhuǎn)向，同時測量轉(zhuǎn)速。

如圖2所示為例來說明脈沖序列識別法的基本原理，在待測系統(tǒng)不對稱地安裝三個感應(yīng)器件，相鄰感應(yīng)器件的角度差分別為60°、120°、180°；相鄰感應(yīng)器件的角度有明顯大小差別即可，不必嚴(yán)格地按照這些角度差安裝，實(shí)際操作更加簡單。

待測系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時，傳感器后級電路會輸出脈沖信號。由于感應(yīng)器件排布不均勻，輸出脈沖寬度也不均等。由于有三個感應(yīng)器件，每個周期有三個脈寬不等的脈沖信號。測量每兩個脈沖的下降沿或上升沿之間的時間間隔，連續(xù)測量三組時間數(shù)據(jù)，對三組數(shù)據(jù)進(jìn)行大小比較，可以判斷出脈沖序列的排列方式。改變轉(zhuǎn)向時，脈沖序列的排列方式也會改變，測量并識別出不同的脈沖序列，可以判斷待測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向。

表1 不同轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)的脈沖序列

轉(zhuǎn)向脈沖序列正轉(zhuǎn)“1”“3”“2”“3”“2”“1”“2”“1”“3”反轉(zhuǎn)“1”“2”“3”“2”“3”“1”“3”“1”“2”

如圖2所示，根據(jù)脈沖時間長短，分別將接收到的三個脈沖定義為“1”、“2”、“3”。不同轉(zhuǎn)向和脈沖序列的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

測量的三組時間數(shù)據(jù)分別為t1、t2、t3，待測系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的周期為：

T=t1+t2+t3

(1)

待測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速f為：

f=1/T

(2)

與傳統(tǒng)的非接觸式測量法相比，脈沖序列識別法能夠同時測量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)只對脈沖信號進(jìn)行序列識別，對脈沖占空比要求不嚴(yán)格，感應(yīng)器件安裝更加簡單；2)只需要一個傳感器探頭，能夠感應(yīng)出信號即可，不必過分考慮傳感器精準(zhǔn)的安裝位置，實(shí)際操作更加簡單；3)只使用傳統(tǒng)方法一半數(shù)量的傳感器和后級電路，更加節(jié)約成本；4)只占用控制器一個引腳，增加了控制器可接入外部設(shè)備的數(shù)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)的控制能力。

3 實(shí)物測試

待測系統(tǒng)為一個轉(zhuǎn)速可調(diào)的小型直流電機(jī)，在電機(jī)軸上固定一個圓盤，在圓盤上如圖2所示固定好三個小磁鋼。調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓的大小和極性，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。電機(jī)帶動圓盤旋轉(zhuǎn)，霍爾傳感器感應(yīng)小磁鋼，后級電路輸出不均勻的脈沖序列。單片機(jī)電路輸入脈沖序列信號，進(jìn)行分析計算，通過液晶顯示器顯示測量結(jié)果。

3.1霍爾傳感器脈沖輸出電路設(shè)計

實(shí)際測量使用的霍爾傳感器后級電路如圖3所示，開關(guān)型霍爾傳感器[3,4]輸出端是NPN型集電極開路輸出，R1為上拉電阻；R2為三極管VT1基極限流電阻，同時由R1、C1、R2、C2組成濾波電路；R3和發(fā)光二極管LED1可以作為安裝調(diào)試指示燈；R4和R5配合下面的光耦[4]實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和光電隔離；Vo端接單片機(jī)輸入引腳；V1和V2是兩個完全獨(dú)立的電源，光耦兩側(cè)的地也是分開的，從而可以隔絕干擾通過電源正極和地在前后級電路之間相互影響，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。

由圖3可知，當(dāng)小磁鋼靠近霍爾傳感器時，由于檢測到磁場，霍爾傳感器輸出端內(nèi)部三極管飽和導(dǎo)通，a點(diǎn)電壓被拉低到接近地電壓，b點(diǎn)電壓約為(V1-0.7)V，b、a點(diǎn)之間存在電位差，R2和三極管VT1基極有電流流過，VT1飽和導(dǎo)通[6]，LED1發(fā)光，光耦輸入端有電流流過，光耦輸出端等效三極管VT2飽和導(dǎo)通，Vo端電壓被拉低接近地電壓，為低電平。反之，Vo端為高電平。當(dāng)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動時，通過示波器可以看到Vo端輸出的波形如圖4所示。

3.2單片機(jī)程序設(shè)計

單片機(jī)作為分析計算的核心，起著非常重要的作用，是脈沖序列識別法的不可缺少組成部分。程序流程圖如圖5所示。

3.3測試結(jié)果

實(shí)際測試時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速從1 rad/s到300 rad/s，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，都可以準(zhǔn)確可靠地測量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)速實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示，理論上轉(zhuǎn)速測量范圍可以更大。在軟件和硬件上進(jìn)行改進(jìn)，還可以繼續(xù)擴(kuò)大該系統(tǒng)的測量范圍，提高測量精度，更好地滿足實(shí)際工程和科研實(shí)驗對轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向測量的要求。

表2 轉(zhuǎn)速實(shí)測數(shù)據(jù)

4 脈沖序列識別法的一般實(shí)現(xiàn)方法

脈沖序列識別法采用新的設(shè)計思想，一般性的設(shè)計方法，可以有多種實(shí)現(xiàn)方式，并不拘泥于文中提到的具體的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方式。設(shè)計脈沖序列識別法要注意的三點(diǎn)：1)感應(yīng)器件的排布和選擇；2)傳感器電路的設(shè)計；3)微控制器程序的設(shè)計。

1)感應(yīng)器件的排布和選擇。感應(yīng)器件的不均勻分布是脈沖序列識別法的重要特征。前文說明采用三個不均勻排布的小磁鋼作為一組感應(yīng)器件的方法，也可以采用更多數(shù)量的小磁鋼作為一組感應(yīng)器件，但是三個作為一組既可以實(shí)現(xiàn)功能又簡單方便。在一個轉(zhuǎn)盤上可以均勻放置多組感應(yīng)器件，這樣可以增加轉(zhuǎn)速測量的靈敏度而不影響轉(zhuǎn)向的判斷。感應(yīng)器件還可以是反射式光電編碼盤或遮斷式圓光柵[7]，令反射式光電編碼盤黑白相間的條紋不均勻分布，黑白三個一組，白條紋寬度不變， 逐個加寬黑條紋的寬度，如圖6所示。令遮斷式圓光柵的孔隙不均勻分布，三個孔隙一組，每組內(nèi)逐個增大孔隙之間的距離。這樣就可以使傳感器感應(yīng)出脈寬不等的脈沖序列。

2)傳感器電路的設(shè)計。非接觸式測量轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向法的傳感器種類繁多，性能各異。有的傳感器輸出信號很小，需要設(shè)計放大、濾波、整形電路[6]；有的傳感器為開關(guān)型器件，可以直接輸出TTL信號[6]。不同的傳感器有不同的后級電路設(shè)計方法，但要注意電路隔離設(shè)計以增強(qiáng)抗干擾能力，這直接關(guān)系到系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3)微控制器程序的設(shè)計。微控制程序設(shè)計是脈沖序列識別法的關(guān)鍵。脈沖序列識別法正是利用了微處理器強(qiáng)大的處理功能，選擇更好、更快、資源更豐富的微處理器，優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

脈沖序列識別法具有良好的發(fā)展前景：傳感器和后級電路體積可以做得很小，如果將整個電路集成，可以作為一個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向測量的專用傳感器模塊[4]；如果再集成小體積的微控制器，將測量程序固化，可以作數(shù)字傳感器[4]，和其他系統(tǒng)的連接更加方便；如果再進(jìn)一步優(yōu)化硬件和軟件，可以研制成智能傳感器[4]，功能更強(qiáng)，可靠性更高，應(yīng)用更廣泛。

5 結(jié)論

1)傳統(tǒng)的非接觸式測量法測量轉(zhuǎn)向時需要使用兩組傳感器探頭，并且對兩組傳感器探頭的相對安裝位置要求嚴(yán)格，存在操作難度大、使用易出錯的問題。

2)脈沖序列識別法，只需使用一組傳感器探頭，利用感應(yīng)器件的不均勻排布，使傳感器輸出脈寬不等的脈沖序列，再利用微控制器對脈沖序列進(jìn)行識別和測量來獲得待測系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，解決了傳統(tǒng)非接觸式測量法存在的問題。

3)脈沖序列識別法使用更少的傳感器和后級電路，占用更少的控制器端口，更加節(jié)約成本，實(shí)物測試結(jié)果證明脈沖序列識別法具有準(zhǔn)確性和可靠性，并提出了脈沖序列識別法的一般實(shí)現(xiàn)方法。

[1] 王陽恩，肖靖.基于單片機(jī)的光電無接觸轉(zhuǎn)速測量儀的設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2012，35(9):83-86.

[2] 戴文進(jìn)，徐龍權(quán).電機(jī)學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3] 徐科軍.電氣測試技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

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[7] 鄧建，林樺.基于DSP的絕對式光電編碼器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(1):50-55.

NewMethodtoMeasureRotatingVelocityandDirectionBasedonPulseSequenceIdentification

WANG Xin-hao， PAN Li-wei， WANG Yong， LIU Si-cui

(State Grid Jibei Chengde Power Company, Chengde 067000, Hebei, China)

To overcome the shortcomings such as difficult to operate and easy to make mistakes of the traditional non-contact rotating direction measurement, a new method called pulse sequence identification is proposed. This method uses the uneven arrangement of sensing devices, makes the sensors output pulse sequence with different pulse width, uses a microcontroller to identify the pulse sequence to measure the rotating direction of the system under test, at the same time measures rotating velocity. Hardware circuit system using Hall sensor assorting with microcontroller was built to physical test, demonstrated the correctness and reliability of this method. The new method overcomes the shortcomings of the traditional non-contact rotating direction measurement, and it also has the advantages of simple structure, low cost and so on.

the method of pulse sequence identification; rotating velocity and direction measurement; Hall sensors; optoelectronic sensors; microcontroller

TP212

A

1008-9446(2017)04-0059-05

2016-11-21

王新浩(1989-)，男，遼寧朝陽人，碩士，從事電力調(diào)度工作，E-mail:981658135@qq.com。