專利名稱：電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法
技術領域：
本發明涉及一種電機速度測量方法，具體為一種電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法。
(二)技術背景脈沖編碼器是進行電機轉速測量常用裝置。安裝在電機軸上的脈沖編碼器在轉動一定角度時發出一個脈沖。對于高速測量，由于脈沖頻率較高，通常采用定周期計脈沖數的方法測量速度，但對于電機低速測量，脈沖頻率較低，在固定的測量周期內能記錄到的脈沖數量很少，甚至某些周期內脈沖數為零，這樣測量誤差較大。因此在測量低速時，通常采用測量兩個脈沖之間時間間隔的方法測量速度。但是在很低的速度下，脈沖間隔時間長，計算得到速度值的時間間隔也長，在前一個脈沖過去但第二個脈沖還沒有到達時，由于無法預期下一個脈沖到達的時間，速度測量的結果只能仍舊維持上一次脈沖時更新的數值。測量周期長而且測得的速度值過多地偏離了實際速度在速度逐漸變慢甚至趨于零時，這種測量方法的誤差更大。這樣的速度測量方法不能滿足現代高精度控制的要求。
為解決低速測量的問題有許多方案。
日本株式會社明電舍92年申請的中國專利CN1067341“在極低速度范圍內使用轉動脈沖編碼器控制電機速度的系統與方法”，除了在電機轉動軸上安裝可以根據檢測到的電機軸的轉動速度發出脈沖的速度檢測器，還安裝了電機速度估計觀測器，該觀測器使用一負載估計值上的最低階擾動觀測器，其被轉換為一個速度控制周期系統與速度檢測周期系統的離荼系統模型，用于估計在一個由速度檢測器產生的脈沖間隔內電機的速度。或者在最低速成范圍內，使脈沖編碼器輸出脈沖的脈沖間隔比系統的速度控制周期長。然后根據一個轉矩期望值和一個負載轉矩估計值來計算電機模型速度的估計值。其裝置復雜，計算也復雜。
《吉林建筑工程學院學報》2003年1期吉林建筑工程學院電氣與電子信息工程系文章“機輪低轉速高精度測量系統研究與設計”，對機輪啟動初和制動末兩階段的轉速測量方案進行了改進，用光電編碼器作為轉速傳感器，CPU用于信號處理及算法控制器。硬件電路中加入高頻時鐘及鎖存器電路，在T時間結束后計數器記錄下此時間內的N個整脈沖，鎖存器里則記下N個整脈沖內高頻時鐘的脈沖數，經計算得到轉速。克服了在T時間內不完整的零脈沖造成的測速誤差。此種測速方法還是不能適用于速度下降到一定的周期內無法測得編碼器脈沖的情況。
發明內容本發明的目的是設計一種電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法，根據脈沖到達的預期時間采用外延計算方法估算實際速度，避免電機低速運行時產生過大的測速誤差。
本發明電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法具體如下在電機轉動軸上安裝脈沖編碼器，當電機軸轉動一定角度時編碼器發出一個脈沖系列，該編碼器與計算機相連接，編碼器發出的脈沖信號送入計算機檢測電路。第一、第二個編碼器脈沖到達時，計算機測量出兩個脈沖之間的時間間隔T，則可計算得到這段時間的電機軸的平均轉動速度C/T，C為根據編碼器每轉動一圈發出的脈沖數確定的常數。此時假設旋轉速度不變，即第三個脈沖的將在2T時刻到達，計算機以2T時刻作為第三個脈沖的預期到達時間，即計算機預估的速度為第一、第二個脈沖之間的平均速度。如果編碼器旋轉速度加快，則第三個脈沖將在2T之前到達，計算機根據第三和第二個脈沖的時間間隔T’計算得到新的速度C/T’，并以新的時間間隔預期下一個脈沖的到來。如果電機的轉速變慢，則在2T時刻，第三個脈沖不能到達。當第三個脈沖在2T+Δt時刻還未到達，計算機估算當前速度可能的最高值為Ni＝C/(T+Δti)，隨著Δti增大，計算機估算的當前速度可能的最高值不斷降低。最終第三個脈沖在2T+Δt到達時，計算機得到第三和第二個脈沖之間的平均速度N2-3＝C/(T+Δt)。
顯然，當速度減慢時，在第三個脈沖預期到達時刻2T之后，計算機估算的當前速度最高值是在逐漸逼近實際速度。
本發明解決了電機低速運行時，使用脈沖編碼器的測速由于相鄰脈沖時間間隔的不可預知性帶來較大速度測量誤差的問題，根據本外延計算方法計算的最高可能速度外延曲線和經驗的估計方法結合，可以得到較為準確的速度估測值，以對電機進行較準確的控制。
(四)
圖1為本發明電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法中，計算機估算的速度與脈沖關系示意圖。
具體實施方式
本發明電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法具體實施例如圖1所示，其橫坐標表示時間t，縱坐標表示電機轉動速度V。第一個編碼器脈沖到達時刻為0，第二個編碼器脈沖到達時刻為t1，計算機測量出兩個脈沖之間的時間間隔為T，則可計算得到0至t1這段時間內電機軸的平均轉動速度為V1-2＝C/T，C為根據編碼器每轉動一圈發出的脈沖數確定的常數。
t1之后若電機旋轉速度不變，第三個脈沖將在2T時刻到達，計算機以2T時刻作為第三個脈沖的預期到達時間，即計算機預估t1至2T時間段的最大可能速度為第一、第二個脈沖之間的平均速度V1-2。
t1之后若電機的轉速提高，則第三個脈沖在2T時刻之前到達。即根據第三個脈沖到達時刻t2與t1之間的時間差T’計算V2-3＝C/T’。并以此值作為實測值送出進行電機控制。顯然，電機速度越高，計算值的精度越高。
t1之后，若電機的轉速下降，2T時刻第三個脈沖不會到達。此時按本法進行外延計算，當第三個脈沖在2T+Δti時刻還未到達，計算機估算當前速度可能的最高值為Vimax＝C/(T+Δti)，隨著Δti增大，計算機估算的當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。當在t2＝2T+Δt時刻第三個脈沖到達時，就可以計算出實測得到的第三和第二個脈沖之間的平均速度V2-3＝C/(T+Δt)。
實際中的旋轉速度由于受轉動慣量的限制不會發生突變，實際速度只可能在零速與上述計算機估算的當前可能的最高速度值之間。根據速度變化的經驗選取一個值N，N≥1，并參照上述計算機估算的最大可能速度值對實際速度進行估計，即以V＝Vimax/N作為測量結果估計值送出，用以對電機速度進行控制。此估計值介于零值與估算的可能最高速度之間，如圖1中的實線。該估計值雖然與電機實際速度仍有偏差且稍滯后，但比直接使用計算機估算的當前可能的最高速度值精度高，更接近實際速度，用此進行電機控制精確度也大大提高。經驗值N的選取，與電機旋轉部件的轉動慣量、轉動系統的阻力狀況以及驅動旋轉的扭力有關，如果轉動慣量大，阻力和驅動力相對較小，則N值接近1，反之，N值較大。
權利要求
1一種電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法，在電機轉動軸上安裝脈沖編碼器，當電機軸轉動一定角度時編碼器發出一個脈沖系列，該編碼器與計算機相連接，編碼器發出的脈沖信號送入計算機檢測電路；第一、第二個編碼器脈沖到達時，計算機測量出兩個脈沖之間的時間間隔T，計算得到這段時間的電機軸的平均轉動速度C/T，C為根據編碼器每轉動一圈發出的脈沖數確定的常數；其特征為電機的轉速變慢，當第三個脈沖在2T+Δti時刻未到達時，計算機估算當前速度可能的最高值為Vimax＝C/(T+Δti)；當第三個脈沖在t2＝2T+Δt時刻到達時，計算出實測得到的第三和第二個脈沖之間的平均速度V2-3＝C/(T+Δt)。
2如權利要求1所述的電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法，其特征為根據速度變化的經驗選取一個值N，N≥1，以V＝Vimax/N作為測量結果估計值送出，用以對電機速度進行控制。
3如權利要求2所述的電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法，其特征為經驗值N的選取，與電機旋轉部件的轉動慣量、轉動系統的阻力狀況以及驅動旋轉的扭力有關，如果轉動慣量大，阻力和驅動力相對較小，則N值接近1，反之，N值較大。
全文摘要
本電機低速運行時使用脈沖編碼器的測速方法，按一、二個編碼器脈沖間的時間間隔T，計算得這段時間的電機軸的平均速度C/T，C為常數。當電機的轉速變慢，第三個脈沖在2T+Δt時刻未到達時，計算機估算當前速度可能的最高值為V
文檔編號H02P5/00GK1580784SQ200410022609
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月18日 優先權日2004年5月18日
發明者呂虹 申請人:桂林星辰電力電子有限公司