精密離心機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)
賈鑫浩1,谷玉海1,高錦宏2
(1.北京信息科技大學(xué),北京100192;2.北京石油化工學(xué)院,北京102600)
摘要:為了提高精密離心機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度,需要有高精度的轉(zhuǎn)速測量裝置。文中利用光柵傳感器把轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),使用數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)對光柵信號(hào)的頻率細(xì)分,并采用FPGA對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。通過SPI接口實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備間的通信,從而提高對轉(zhuǎn)速的測控精度。
關(guān)鍵詞:光柵編碼器;頻率細(xì)分;FPGA
中圖分類號(hào):TP27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-1841(2012)08-0081-03
0·引言
慣性儀表是慣性技術(shù)的基礎(chǔ),是飛機(jī)、航天飛行器、導(dǎo)彈、艦船慣性控制系統(tǒng)的核心部分。慣性儀表的精度決定著慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航及制導(dǎo)精度。精密離心機(jī)是用于標(biāo)定和測試高精度慣性儀表的主要設(shè)備。精密離心機(jī)控制的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)他勵(lì)直流電機(jī)的高精度控制,而轉(zhuǎn)速測量精度直接關(guān)系到其控制精度。
1·精密離心機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法和原理
直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法主要有[1]:用反電勢系數(shù)測速、換向脈沖測速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測量。這些測速方法多依賴于電動(dòng)機(jī)自身的電氣特性和電氣參數(shù),影響測速準(zhǔn)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(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)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(yīng)用于高精度轉(zhuǎn)速測量領(lǐng)域。對于精密離心機(jī)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(xì)分法進(jìn)一步提高其測量精度要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的離心機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)精度約為10-6,光柵編碼器的刻線數(shù)為32 400,即電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周出現(xiàn)32 400個(gè)脈沖信號(hào),而進(jìn)行4倍頻頻率細(xì)分后達(dá)到129 600,結(jié)合FPGA對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量,則電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)到10-7數(shù)量級(jí),從而明顯提高了對轉(zhuǎn)速的控制精度。
常用的數(shù)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(shí)間內(nèi)測得物體的旋轉(zhuǎn)角度來計(jì)算速度。“M”法中定時(shí)時(shí)間和脈沖不能保證嚴(yán)格同步,其誤差隨轉(zhuǎn)速的增大而減小,但在轉(zhuǎn)速較快的情況下,所計(jì)的脈沖數(shù)增大,這樣會(huì)限制轉(zhuǎn)速測量的量程。
1.2“T”法
“T”法是在給定的角位移距離內(nèi),通過測量這一角位移的時(shí)間來進(jìn)行測速。“T”法中要求脈沖的上升沿(或下降沿)與計(jì)數(shù)和定時(shí)同步,否則會(huì)因?yàn)閮擅}沖的上升沿觸發(fā)時(shí)間不一致或計(jì)數(shù)和定時(shí)起始、關(guān)閉不一致而造成測量誤差,且隨轉(zhuǎn)速的減小而減小。因此“T”法在低轉(zhuǎn)速時(shí)精度較高,但隨著轉(zhuǎn)速的增加,精度會(huì)變差,存在小于1個(gè)脈沖的誤差。
1.3“M/T”法
“M/T”法綜合了“T”法和“M”法的優(yōu)點(diǎn),它是同時(shí)測量檢測時(shí)間和在此檢測時(shí)間內(nèi)光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時(shí)對兩種脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),因此只要“同時(shí)性”處理得當(dāng),M/T法在高速和低速時(shí)都具有較高的測速精度。但測量方法較繁瑣。
2·轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)總體框圖
針對離心機(jī)轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)速范圍小的特點(diǎn)(12~95 r/min),利用頻率細(xì)分電路和FPGA測量計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速的測量,總體框圖如圖1所示。
3·光柵測量系統(tǒng)及信號(hào)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(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
主光柵固定,另一個(gè)光柵(指示光柵)隨電機(jī)主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)主光柵相對于指示光柵移動(dòng)時(shí),形成的莫爾條紋產(chǎn)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(fā)出1個(gè)正弦波信號(hào)。指示光柵裂相刻劃時(shí),中間2個(gè)區(qū)域相位相差180°,邊緣2個(gè)區(qū)域相位相差180°,在整個(gè)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(hào)的直流電平相近、信號(hào)幅值接近(利用電阻匹配實(shí)現(xiàn))。為了消除信號(hào)中的直流電平和偶次諧波,提高信號(hào)的幅度,將0°和180°、90°和270°的信號(hào)進(jìn)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(hào)。
為了使信號(hào)滿足系統(tǒng)的要求,使用OP37構(gòu)成信號(hào)的跟隨電路,±12 V電源供電對信號(hào)進(jìn)行幅值和波形的調(diào)理。利用LM339構(gòu)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(hào)同頻同相方波信號(hào)(低電平約為0.5 V)。
4·頻率細(xì)分實(shí)現(xiàn)方案
利用光柵傳感器,離心機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周,可得到A、B兩相TTL電平方波信號(hào),兩項(xiàng)之間相差90°。如果有效利用光柵輸出的A、B兩相信號(hào),使其在輸出信號(hào)的每個(gè)周期內(nèi)再插入3個(gè)有效的計(jì)數(shù)脈沖。利用簡單的邏輯和雙可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS123實(shí)現(xiàn)頻率細(xì)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(zhuǎn)速測量
5.1 FPGA轉(zhuǎn)速測量
經(jīng)過頻率細(xì)分電路處理,A、B兩相相差信號(hào)送入FPGA數(shù)字電路進(jìn)行測量[4],測量原理如圖5所示。
圖5中,m1反映轉(zhuǎn)角(離心機(jī)光柵脈沖個(gè)數(shù)),m2反映測速的準(zhǔn)確時(shí)間(基準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)),通過計(jì)算可得轉(zhuǎn)速值n.該法在高速及低速時(shí)都具有相對較高的精度。測速時(shí)間Td由離心機(jī)光柵脈沖來同步,即Td等于m1個(gè)脈沖周期。從a點(diǎn)開始,計(jì)數(shù)器對光柵脈沖和基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù),到達(dá)b點(diǎn),預(yù)定的測速時(shí)間到,因?yàn)門c不一定正好等于整數(shù)個(gè)光柵脈沖周期,所以計(jì)數(shù)器仍對基準(zhǔn)脈沖繼續(xù)計(jì)數(shù),到達(dá)c點(diǎn)時(shí),光柵脈沖的上升沿使計(jì)數(shù)器停止,這樣m2就代表了m1個(gè)脈沖周期的時(shí)間。
設(shè)高頻脈沖的頻率為fc,可得轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為:
式中:p為旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù);m1為光柵脈沖個(gè)數(shù);m2為基準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù);fc為基準(zhǔn)脈沖頻率。其測量原理框圖如圖6所示。
當(dāng)檢測到光柵信號(hào)的上升沿,計(jì)數(shù)模塊開始計(jì)數(shù)(每隔上升沿到來,計(jì)數(shù)單元加1計(jì)數(shù)),每隔指定時(shí)間把計(jì)數(shù)值送入FPGA的存貯單元中,用式(1)測算轉(zhuǎn)速值并送給外部設(shè)備。
5.2 SPI接口設(shè)計(jì)
SPI(Serial Peripheral Interface,串行外設(shè)接口)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口,它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息[5-6]。該接口一般使用三條線:串行時(shí)鐘線(SCK)、主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOST.由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3~4位數(shù)據(jù)線和控制線,即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進(jìn)行接口,而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)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(shè)計(jì),節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線,提高設(shè)計(jì)的可靠性。
串行信號(hào)時(shí)鐘用于傳輸數(shù)據(jù)時(shí)與外設(shè)同步。在SPI模塊中設(shè)計(jì)1個(gè)數(shù)據(jù)寄存器,用于放置測量的速度相應(yīng)值(數(shù)據(jù)位數(shù)根據(jù)外設(shè)選定),當(dāng)每個(gè)串行時(shí)鐘的上升沿來臨時(shí),控制寄存器移位,并把這位數(shù)據(jù)從MOSI發(fā)送,當(dāng)串行時(shí)鐘的下一個(gè)上升沿到來時(shí),外部設(shè)備接受從MOSI傳來的數(shù)據(jù)并做后續(xù)處理,其原理框圖如圖7所示。
6·結(jié)束語
系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性較高,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)了信號(hào)倍頻的功能,提高了電子轉(zhuǎn)速的測量精度,達(dá)到了電子轉(zhuǎn)速的測控要求,且具有很好的可靠性。在實(shí)驗(yàn)過程中需注意以下幾點(diǎn):
(1)為了盡量減少輸出波形的尖峰干擾,應(yīng)對74LS123器件的CEST端接地,REST端經(jīng)電容接地,使波形完整平滑。
(2)頻率細(xì)分電路對兩路輸入信號(hào)的相對相位要求較高,若有相位的變化,則易出現(xiàn)頻率的信號(hào)干擾。
(3)輸出倍頻信號(hào)的脈沖寬度可由外接電路(CEST和REST端)的電阻和電容調(diào)節(jié)。
(4)頻率細(xì)分信號(hào)輸入FPGA為核心的計(jì)數(shù)系統(tǒng),其可靠性高,計(jì)量誤差小,從而達(dá)到了通過提高電機(jī)轉(zhuǎn)速測量精度,提高控制精度的目的。
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作者簡介:賈鑫浩(1984—),碩士學(xué)位,研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程、現(xiàn)代測控技術(shù)。E-mail:myfreeing@126.com
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