精密離心機轉速測量系統設計

賈鑫浩1，谷玉海1，高錦宏2

(1．北京信息科技大學，北京100192;2．北京石油化工學院，北京102600)

摘要:為了提高精密離心機的轉速控制精度，需要有高精度的轉速測量裝置。文中利用光柵傳感器把轉速信號轉換成脈沖信號，使用數字邏輯實現對光柵信號的頻率細分，并采用FPGA對電機轉速進行測量。通過SPI接口實現與外部設備間的通信，從而提高對轉速的測控精度。
    關鍵詞:光柵編碼器;頻率細分;FPGA
    中圖分類號:TP27文獻標識碼:A文章編號:1002－1841(2012)08－0081－03
    0·引言
    慣性儀表是慣性技術的基礎，是飛機、航天飛行器、導彈、艦船慣性控制系統的核心部分。慣性儀表的精度決定著慣性導航和制導系統的導航及制導精度。精密離心機是用于標定和測試高精度慣性儀表的主要設備。精密離心機控制的關鍵是實現他勵直流電機的高精度控制，而轉速測量精度直接關系到其控制精度。
    1·精密離心機轉速測量方法和原理
    直流電動機轉速測量方法主要有［1］:用反電勢系數測速、換向脈沖測速和瞬時轉速測量。這些測速方法多依賴于電動機自身的電氣特性和電氣參數，影響測速準確度的因素很多，是一些在沒有專門測速裝置的條件下所使用的一些低精度的測速方法。測速發電機、轉矩測速傳感儀等專門的測速裝置，其測量精度仍不能滿足高精度測速的要求。采用光柵為核心的測速方法被廣泛應用于高精度轉速測量領域。對于精密離心機的測量精度要求來說，光靠光柵傳感器還是不夠的，往往需要采用頻率細分法進一步提高其測量精度要求。系統設計的離心機轉速測控系統精度約為10－6，光柵編碼器的刻線數為32 400，即電機旋轉一周出現32 400個脈沖信號，而進行4倍頻頻率細分后達到129 600，結合FPGA對電機轉速的測量，則電機轉速控制精度可達到10－7數量級，從而明顯提高了對轉速的控制精度。
    常用的數字測量方法有:“M”法(測頻法);“T”法(測周法);“M/T”法(頻率/周期法)。
    1.1“M”法
    “M”法是用單位時間內測得物體的旋轉角度來計算速度。“M”法中定時時間和脈沖不能保證嚴格同步，其誤差隨轉速的增大而減小，但在轉速較快的情況下，所計的脈沖數增大，這樣會限制轉速測量的量程。
    1.2“T”法
    “T”法是在給定的角位移距離內，通過測量這一角位移的時間來進行測速。“T”法中要求脈沖的上升沿(或下降沿)與計數和定時同步，否則會因為兩脈沖的上升沿觸發時間不一致或計數和定時起始、關閉不一致而造成測量誤差，且隨轉速的減小而減小。因此“T”法在低轉速時精度較高，但隨著轉速的增加，精度會變差，存在小于1個脈沖的誤差。
    1.3“M/T”法
    “M/T”法綜合了“T”法和“M”法的優點，它是同時測量檢測時間和在此檢測時間內光電脈沖發生器所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數，因此只要“同時性”處理得當，M/T法在高速和低速時都具有較高的測速精度。但測量方法較繁瑣。
    2·轉速測量系統總體框圖
    針對離心機轉速低、轉速范圍小的特點(12～95 r/min)，利用頻率細分電路和FPGA測量計算，從而實現高精度轉速的測量，總體框圖如圖1所示。

            
    3·光柵測量系統及信號處理
    光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副(主光柵和指示光柵)和光電接收元件組成［2－3］，結構圖如圖2所示。

             
    主光柵固定，另一個光柵(指示光柵)隨電機主軸一起轉動。當主光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產生亮暗交替變化，莫爾條紋明暗變化1次與指示光柵一起固定的光電元件發出1個正弦波信號。指示光柵裂相刻劃時，中間2個區域相位相差180°，邊緣2個區域相位相差180°，在整個莫爾條紋視場照度不可能非常均勻的情況下，每組相差180°的兩路信號的直流電平相近、信號幅值接近(利用電阻匹配實現)。為了消除信號中的直流電平和偶次諧波，提高信號的幅度，將0°和180°、90°和270°的信號進行差接放大(5～8倍)，這樣就得到相差90°和一定幅值的正弦和余弦兩路信號。
    為了使信號滿足系統的要求，使用OP37構成信號的跟隨電路，±12 V電源供電對信號進行幅值和波形的調理。利用LM339構成過零比較電路，5 V電源供電，采用10:1電阻分壓輸出與正余弦信號同頻同相方波信號(低電平約為0.5 V)。
    4·頻率細分實現方案
    利用光柵傳感器，離心機每旋轉1周，可得到A、B兩相TTL電平方波信號，兩項之間相差90°。如果有效利用光柵輸出的A、B兩相信號，使其在輸出信號的每個周期內再插入3個有效的計數脈沖。利用簡單的邏輯和雙可重觸發單穩態觸發器74LS123實現頻率細分，其工作原理如表1所示。
    表1中，H為高電平，L為低電平，X為任意情況。

            
            
    5·基于FPGA轉速測量
    5.1 FPGA轉速測量
    經過頻率細分電路處理，A、B兩相相差信號送入FPGA數字電路進行測量［4］，測量原理如圖5所示。

            
    圖5中，m1反映轉角(離心機光柵脈沖個數)，m2反映測速的準確時間(基準脈沖個數)，通過計算可得轉速值n．該法在高速及低速時都具有相對較高的精度。測速時間Td由離心機光柵脈沖來同步，即Td等于m1個脈沖周期。從a點開始，計數器對光柵脈沖和基準脈沖計數，到達b點，預定的測速時間到，因為Tc不一定正好等于整數個光柵脈沖周期，所以計數器仍對基準脈沖繼續計數，到達c點時，光柵脈沖的上升沿使計數器停止，這樣m2就代表了m1個脈沖周期的時間。
    設高頻脈沖的頻率為fc，可得轉速計算公式為：

            
    式中:p為旋轉一周所產生的脈沖數;m1為光柵脈沖個數;m2為基準脈沖個數;fc為基準脈沖頻率。其測量原理框圖如圖6所示。

            
    當檢測到光柵信號的上升沿，計數模塊開始計數(每隔上升沿到來，計數單元加1計數)，每隔指定時間把計數值送入FPGA的存貯單元中，用式(1)測算轉速值并送給外部設備。
    5.2 SPI接口設計
    SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設接口)總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息［5－6］。該接口一般使用三條線:串行時鐘線(SCK)、主機輸入從機輸出數據線MISO、主機輸出從機輸入數據線MOST．由于SPI系統總線一共只需3～4位數據線和控制線，即可實現與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進行接口，而擴展并行總線則需要8根數據線、8～16位地址線、2～3位控制線。因此，采用SPI總線接口可以簡化電路設計，節省很多常規電路中的接口器件和I/O口線，提高設計的可靠性。
    串行信號時鐘用于傳輸數據時與外設同步。在SPI模塊中設計1個數據寄存器，用于放置測量的速度相應值(數據位數根據外設選定)，當每個串行時鐘的上升沿來臨時，控制寄存器移位，并把這位數據從MOSI發送，當串行時鐘的下一個上升沿到來時，外部設備接受從MOSI傳來的數據并做后續處理，其原理框圖如圖7所示。
 

             
    6·結束語
    系統設計可行性較高，經試驗驗證實現了信號倍頻的功能，提高了電子轉速的測量精度，達到了電子轉速的測控要求，且具有很好的可靠性。在實驗過程中需注意以下幾點:
    (1)為了盡量減少輸出波形的尖峰干擾，應對74LS123器件的CEST端接地，REST端經電容接地，使波形完整平滑。
    (2)頻率細分電路對兩路輸入信號的相對相位要求較高，若有相位的變化，則易出現頻率的信號干擾。
    (3)輸出倍頻信號的脈沖寬度可由外接電路(CEST和REST端)的電阻和電容調節。
    (4)頻率細分信號輸入FPGA為核心的計數系統，其可靠性高，計量誤差小，從而達到了通過提高電機轉速測量精度，提高控制精度的目的。
參考文獻:
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    作者簡介:賈鑫浩(1984—)，碩士學位，研究方向為機械電子工程、現代測控技術。E-mail:myfreeing@126．com