專利名稱：基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法
技術領域：
本發明涉及電機轉速測量技術，具體指一種基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法，它應用于各個領域的電機轉速測量，特別是航空領域高精度電機轉速測量。
背景技術：
在工程實踐中，經常會有各種需要測量轉速的場合，例如在電機的運轉和控制中，需要實時測量并反饋轉速，以完成電機的閉環控制算法。因航空的特殊環境，轉速測量方法要求環境適應性好，工作穩定性高。
傳統的轉速測量方法主要有三種分別是測速發電機測速，光電脈沖法測速，以及感應同步器差分測速。測速發電機是一種微特電機，其輸出電動勢和轉速成線性關系，檢測其輸出電動勢就能獲其轉速，其最大的缺點是低速測量時，要求測速發電機的體積和質量做的很大。光電脈沖測速采用反射原理，經由來自儀器的紅外線光束，再被對象上的反射貼反射到儀器，對反射波進行處理即可得到轉速，這種方法受到接收裝置和接收距離范圍的限制。感應同步器差分測速是利用感應同步器測得角位置量，將角位置量差分得到轉速，這種方法的缺點在于感應同步器在動態時測得的角位置存在動態誤差，且在高轉速情況下無法使用。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于多普勒效應的電機轉速測量方法，來解決現有測速技術存在的技術不足。
本發明實現框圖如圖1所示。整個測量系統由安裝在電機上的感應同步器，前置放大器，濾波模塊，整形模塊，FPGA硬件平臺構成。感應同步器采用360對極，定子分段繞組，轉子連續繞組的旋轉式感應同步器，精度為1個角秒。前置放大器采用儀表放大器，共模抑制比要求80dB以上；濾波電路采用有源帶通濾波器，Q值最小要求為15；整形模塊采用比較器，電壓擺率要求3V/us以上。
感應同步器選擇分段繞組激磁鑒相工作方式，對感應同步器輸入兩路幅度相等，相位嚴格正交的一定頻率的激磁信號。兩路激磁信號的幅度誤差和相位誤差直接影響最后的測速精度，必須控制在0.01％以內；激磁信號的頻率大小受感應同步器工作頻率限制，一般為1kHz-10kHz。
在激磁信號的作用下，感應同步器輸出信號中除了頻率與激磁信號頻率相關的基波，還有噪聲和諧波分量。為了達到高測速精度對信號質量的要求，必須對感應后的信號進行放大，濾波以及整形，將信號中的噪聲以及諧波濾掉，最后經比較器整形成方波后送入FPGA。在FPGA中選取合適的算法測得輸出信號基波頻率。
設感應同步器輸出信號頻率為foutput，由于感應同步器輸出信號頻率foutput不高，為103Hz量級，因此采取測周期法。用高頻率時鐘脈沖fT來填充信號，這種方法在周期測量誤差為 其中 當foutput為低頻，fT很高時頻率測量精度高。
在動態的境況下，感應同步器輸入激磁信號與輸出信號之間會發生多普勒效應。如圖2所示，以參考波形上升沿為觀察點，設感應同步器輸入信號頻率為finput。在靜態情況下，輸入波形與輸出波形之間相對位置不變，感應同步器輸入信號頻率finput與輸出信號頻率foutput相等；在感應同步器以一定轉速轉動時，輸出信號波形以一定的速度遠離或靠近輸入信號波形。
設輸入信號波形周期為T＝1/finput，波長λ，則其傳輸速度為c＝λ/T＝finputλ/s 假設感應同步器輸出信號波形每隔時間T對觀察點發出一個波列。當靜止狀態時，兩個波列時間距離為T，距離間隔為λ＝cT。當電機以x°/s的速度順時針旋轉，對于360對級感應同步器，感應同步器輸出波以V＝xλ/s的速度遠離參考點。
在每兩個相鄰的波列之間的時間里波形移動的距離為VT＝xTλ/s，于是下一個波峰到達觀察點所需的時間便增加了所以，相鄰的兩個波峰到達觀察者那里所需的時間就為T′＝T+xT/finput。
輸出信號的頻率為 而 因此轉速計算公式為 根據以上分析，可得到電機轉向判斷方法為，當輸出信號基波頻率小于輸入激磁信號頻率，電機正方向轉動；當輸出信號基波頻率大于激磁信號頻率，電機反方向轉動。
當測量電機以角速度為轉動時，參考徐鳳霞，曾鳴，蘇寶庫在<<哈爾濱理工大學學報>>第8卷第1期發表的“鑒相型感應同步器動態測角系統研究”，感應同步器輸出為 其中k為電壓傳遞系數，Em為輸出電勢幅值，ω為激磁信號頻率，ωD為機械軸轉速。由以上公式可知，當感應同步器轉速太大，可能導致輸出信號幅度太小影響到轉速測量。由于激磁信號頻率可控制，因此可通過調整激磁信號頻率自適應調整測量范圍。存儲電機當前轉速值，當轉速值偏大時，增加感應同步器輸入激磁信號頻率，使測量方法的測量范圍變大；當轉速值偏小時，減小感應同步器輸入信號頻率，縮小測量方法的測量范圍。
本發明的測量操作步驟如圖3所示，包括 1，感應同步器激磁信號的發生。選擇一定對極的旋轉式感應同步器，對感應同步器輸入幅度相等，相位嚴格正交的一定頻率的激磁信號。
2，感應同步器輸出信號基波頻率的測量。在電機以一定轉速轉動時，對感應同步器輸出信號做放大濾波處理，測量輸出信號基波頻率。
3，轉速的獲取以及轉動方向的判斷。利用輸入輸出信號頻率差值，求得電機轉速值；比較輸入激磁信號頻率和輸出信號基波信號頻率大小判斷電機轉向。
4，自適應調整測量范圍。存儲電機當前轉速值，當轉速值偏大時，增加感應同步器輸入激磁信號頻率，使測量方法的測量范圍變大；當轉速值偏小時，減小感應同步器輸入信號頻率，縮小測量方法的測量范圍。
本發明的優點在于 1，本發明環境適應性好，工作穩定性高，可以應用于航空等特殊速度測量場合，測速效果好。
2，本發明可自適應調整轉速測量范圍，魯棒性好。
圖1為轉速測量系統框圖。
圖2為感應同步器多普勒效應示意圖。
圖3為本發明操作步驟流程圖。
圖4為FPGA硬件實現算法流程圖。
具體實施例方式 根據說明書中所述的轉速測量方法，以下結合具體的實例和附圖對本發明的技術方案作進一步的詳細描述。
實例采用電子科技集團第21研究所生產的無刷直流電機的電機軸作為被測物體，額定轉速3000轉/分；轉速可調范圍3000±10％；轉速穩定度≤1％。轉速測量系統結構框圖如圖3所示。系統由感應同步器，信號處理電路，FPGA硬件平臺構成。
其中感應同步器采用中國船舶工業6354所生產的360對極，定子分段繞組，轉子連續繞組的旋轉式感應同步器，精度為0.5＂，質量1.2Kg。選擇雙相激磁單相輸出鑒相工作方式，控制FPGA對感應同步器輸入兩路幅度相等，相位嚴格正交的一定頻率的激磁信號，初始激磁頻率2.5KHz。激磁信號幅度誤差小于0.01％，相位誤差小于0.01％。
信號處理電路由前置放大器，濾波模塊，整形模塊三部分組成。前放電路采用儀表放大器AD620，共模抑制比100dB，放大倍數200倍。濾波電路采取8階連續有源濾波器Max274，Q值最大可到50，將信號中的噪聲，諧波干凈的濾掉。整形電路選用LM139，供電電壓5V時，其電壓擺率為3.84V/us，失調電壓2mV，將正弦波整形為方波送入FPGA。
FPGA算法如圖4所示。算法首先使用周期測量法測量感應同步器輸出信號基波頻率，計算得到當前轉速值并判斷電機轉向。根據當前速度值自適應調整轉速測量范圍，比較感應同步器輸出信號基波頻率與激磁信號頻率，當輸出信號基波頻率過低或接近兩倍激磁信號頻率大小，增加輸入激磁信號頻率，使測速范圍變大，在新的測量范圍內重新測得轉速。
權利要求
1.一種基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法，它由安裝在電機上的感應同步器、前置放大器、濾波模塊、整形模塊和FPGA硬件平臺構成，其特征在于測量按以下步驟進行
第一步，選擇一定對極的旋轉式感應同步器，將感應同步器與電機同軸安裝，以FPGA為硬件平臺，對感應同步器輸入幅度相等，相位嚴格正交的一定頻率的激磁信號；
第二步，在電機以一定轉速轉動時，對感應同步器輸出信號做放大濾波整形處理，測量輸出信號基波信號頻率；
第三步，利用輸入輸出信號基波信號頻率，求得電機轉速值；比較輸入激磁信號頻率和輸出信號基波信號頻率大小判斷電機轉向；
轉速計算公式為
其中，finput為感應同步器輸入激磁信號頻率，
finput為感應同步器輸出信號基波頻率，
V為待測電機轉速，
判斷電機轉向方法為當輸出信號基波頻率小于輸入激磁信號頻率，電機正方向轉動；當輸出信號基波頻率大于激磁信號頻率，電機反方向轉動；
第四步，存儲電機當前轉速值，當轉速值偏大時，增加感應同步器輸入激磁信號頻率，使測量方法的測量范圍變大；當轉速值偏小時，減小感應同步器輸入信號頻率，縮小測量方法的測量范圍。
2.根據權利要求1所述的一種基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法，其特征在于所述的感應同步器采用360對極，定子分段繞組，轉子連續繞組的旋轉式感應同步器，精度為1個角秒，以分段繞組激磁鑒相方式工作。
3.根據權利要求1所述的一種基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法，其特征在于所述的前置放大器為儀表放大器，其共模抑制比80dB以上。
4.根據權利要求1所述的一種基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法，其特征在于所述的濾波電路采用有源帶通濾波器，其Q值最小為15。
5.根據權利要求1所述的一種基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法，其特征在于所述的整形模塊采用比較器，電壓擺率3V/us以上。
全文摘要
本發明公開了一種基于感應同步器多普勒效應的電機轉速測量方法，通過利用感應同步器的電磁多普勒效應，以FPGA為硬件平臺，實現了電機轉速的精確測量。將被測電機與感應同步器同軸安裝，對感應同步器采用雙相激磁單相輸出鑒相使用方式，在電機以一定速度轉動時，感應同步器輸出信號頻率發生變化。測量輸出信號的頻率，取其與輸入信號頻率差值，經過信號處理，就可以精確獲得電機轉速。本方法優點在于測量轉速準確度高，自適應調整測量范圍，可在高轉速條件下正常工作。
文檔編號G01P3/48GK101545915SQ20091005031
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者俊 靖, 王躍明 申請人:中國科學院上海技術物理研究所
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