曹玲芝，姜素霞，張順龍，鄭 苗，馬躍軍

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南鄭州 450002)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量是常見(jiàn)問(wèn)題。轉(zhuǎn)速是電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，精確測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)電機(jī)矢量控制具有重要意義。光電編碼器是一種測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的傳感器，因其噪聲低、分辨率高以及精度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用［1］。傳統(tǒng)的基于單片機(jī)或DSP的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)雖然能保證測(cè)量精度，但在試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理，尤其是人機(jī)界面等方面有待提高［2］。虛擬儀器技術(shù)是通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)和功能化硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集、分析處理等的一種技術(shù)，其儀器驅(qū)動(dòng)程序使開(kāi)發(fā)人員不必了解硬件內(nèi)部操作過(guò)程就可以開(kāi)發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)［3］。隨著虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)性能測(cè)試逐漸由傳統(tǒng)的手動(dòng)操作被計(jì)算機(jī)所取代，并向著網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展［4］。基于此，本文在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)采集卡PXI－6733的永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。

1 頻率測(cè)量方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在LabVIEW中，頻率測(cè)量方法主要有T法、M法、分頻法。這三種方法都是通過(guò)使用數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部已知頻率的時(shí)基信號(hào)和計(jì)數(shù)器對(duì)未知信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。PXI－6733是NI公司基于PXI總線的M系列數(shù)據(jù)采集卡，具有8路模擬輸出、8路雙向數(shù)字I/O、兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。PXI－6733內(nèi)部有頻率為80 MHz、20 MHz和100 kHz的三個(gè)時(shí)基信號(hào)，驅(qū)動(dòng)底層會(huì)根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)選擇合適的時(shí)基信號(hào)進(jìn)行更為精確的測(cè)量。計(jì)數(shù)器由計(jì)數(shù)寄存器、Source、Gate和Output四部分組成，當(dāng)前的計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)于計(jì)數(shù)寄存器。存儲(chǔ)范圍取決于計(jì)數(shù)器的分辨率。數(shù)據(jù)采集卡PXI－6733的計(jì)數(shù)器分辨率32 bits，因此寄存器計(jì)數(shù)范圍為0～232－1;Source接入被計(jì)數(shù)的信號(hào);Gate用來(lái)確定計(jì)數(shù)是否啟動(dòng);Output輸出單個(gè)脈沖或脈沖序列。

1.1 T 法測(cè)頻

T法的Source端接內(nèi)部時(shí)基信號(hào)或已知頻率的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，Gate端接被測(cè)信號(hào)，被測(cè)信號(hào)的周期等于計(jì)數(shù)值與Source端信號(hào)周期的積，頻率為周期倒數(shù)，如圖1所示。T法測(cè)量程序框圖如圖2所示。“DAQmx創(chuàng)建通道”多態(tài)VI選擇“計(jì)數(shù)器輸入－頻率”，因?yàn)橹挥靡粋€(gè)計(jì)數(shù)器，所以“測(cè)量方法”接線端選擇“帶1個(gè)計(jì)數(shù)器的低頻”。設(shè)置待測(cè)頻率的范圍，以便DAQmx選擇合適的時(shí)基信號(hào)。當(dāng)由錯(cuò)誤發(fā)生或者要停止程序運(yùn)行時(shí)，While循環(huán)會(huì)介紹并退出，同時(shí)“DAQmx清除任務(wù)”會(huì)清除創(chuàng)建的任務(wù)并釋放資源，“簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器”返回程序運(yùn)行中的錯(cuò)誤。圖2程序框圖中并無(wú)這兩個(gè)VI，主要為了節(jié)省空間方便分欄，下文程序框圖情況與此相同。

圖1 T法測(cè)頻原理

圖2 T法程序框圖

T法只用一個(gè)計(jì)數(shù)器，適用于低頻信號(hào)的測(cè)量。待測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)將產(chǎn)生較大的同步誤差。圖3中Gate端信號(hào)高電平時(shí)間大約是Source端的4個(gè)周期。但由于Gate信號(hào)的上升沿與Source信號(hào)第1個(gè)脈沖的上升沿不能完全同步，會(huì)出現(xiàn)Source端脈沖第1個(gè)上升沿被漏計(jì)，而脈沖第5個(gè)上升沿被誤計(jì)的情況。因此Gate端被測(cè)信號(hào)周期可能有±1個(gè)Source周期的誤差存在，此誤差稱(chēng)作同步誤差。時(shí)基信號(hào)一定時(shí)，待測(cè)信號(hào)越接近時(shí)基信號(hào)，測(cè)量誤差越大。如當(dāng)時(shí)基信號(hào)頻率為100 kHz，待測(cè)信號(hào)頻率為1 kHz時(shí)，在一個(gè)周期的Gate信號(hào)內(nèi)計(jì)數(shù)值應(yīng)為100。但是會(huì)存在±1的計(jì)數(shù)偏差，所以實(shí)際得到的測(cè)量值為0.99 kHz或1.01 kHz，誤差相對(duì)比較小。當(dāng)待測(cè)信號(hào)頻率為50 kHz時(shí)，在一個(gè)周期的Gate信號(hào)內(nèi)計(jì)數(shù)值應(yīng)為2，此時(shí)±1的計(jì)數(shù)偏差會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，實(shí)際測(cè)量的頻率值將為33.3 kHz或100 kHz。所以這種情況下需要考慮使用其它方法來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量。

圖3 同步誤差產(chǎn)生原理

1.2 M 法測(cè)頻

根據(jù)同步誤差產(chǎn)生的原理，在Gate信號(hào)有效的時(shí)間內(nèi)，Source信號(hào)的脈沖數(shù)量越多，同步誤差就越小。如圖4所示，M法是Source端信號(hào)頻率一定時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)Gate端的測(cè)量時(shí)間來(lái)提高測(cè)量精度。不同于T法，M法使用兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)計(jì)數(shù)器的Source端接入頻率較高的被測(cè)信號(hào)，另一個(gè)計(jì)數(shù)器生成指定時(shí)間長(zhǎng)度的Gate信號(hào)，計(jì)數(shù)值除以計(jì)數(shù)時(shí)間即為待測(cè)信號(hào)的頻率。物理連接上只需將待測(cè)信號(hào)接入其中一個(gè)計(jì)數(shù)器的Source端，程序中的計(jì)數(shù)器通道對(duì)應(yīng)這個(gè)計(jì)數(shù)器。DAQmx驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)完成其它配置和物理連接。

圖4 M法測(cè)頻原理

M法測(cè)頻程序框圖如圖5所示，由于使用了兩個(gè)計(jì)數(shù)器，所以“測(cè)量方法”接線端選擇“帶2個(gè)計(jì)數(shù)器的高頻”。但在“計(jì)數(shù)器”通道接線端，只需選擇Source端與待測(cè)信號(hào)相連的那一個(gè)計(jì)數(shù)器，另一個(gè)計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)選擇。同時(shí)應(yīng)該給定具體測(cè)量時(shí)間。DAQmx定時(shí)多態(tài)VI選擇隱式，即采樣率取決于被測(cè)信號(hào)頻率。

圖5 M法程序框圖

1.3 分頻法測(cè)頻

在T法中，當(dāng)待測(cè)信號(hào)即Gate端信號(hào)頻率接近Source端的時(shí)基信號(hào)頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的同步誤差。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，分頻法將被測(cè)信號(hào)通過(guò)分頻處理降低頻率，實(shí)際信號(hào)的頻率即為測(cè)得頻率與分頻系數(shù)的積。所以分頻法也需要使用2個(gè)計(jì)數(shù)器才能實(shí)現(xiàn)。物理連接上，同樣只需將待測(cè)信號(hào)接入一個(gè)計(jì)數(shù)器的Source端即可，其它的連接驅(qū)動(dòng)會(huì)自動(dòng)完成。分頻法測(cè)頻程序框圖如圖6所示，“測(cè)量方法”接線端選擇“帶2個(gè)計(jì)數(shù)器的大范圍”。設(shè)置待測(cè)頻率的范圍，以便DAQmx選擇合適的時(shí)基信號(hào)。設(shè)置分頻系數(shù)使得待測(cè)信號(hào)分頻后的頻率盡量低于時(shí)基信號(hào)頻率。

圖6 分頻法程序框圖

1.4 測(cè)頻實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

由數(shù)字合成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器YB1602H提供信號(hào)，該信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生1 mHz～2 MHz的信號(hào)。通過(guò)不同的測(cè)頻方法分別對(duì)頻率為1kHz、30kHz、2 MHz的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。觀察圖中波形可以發(fā)現(xiàn)，頻率較低時(shí)圖7(a)T法測(cè)得結(jié)果較為準(zhǔn)確;圖7(b)中測(cè)30 kHz信號(hào)頻率時(shí)T法測(cè)量結(jié)果誤差±20 Hz左右，分頻法測(cè)量結(jié)果誤差±5 Hz左右，而M法測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確;頻率較高時(shí)圖7(c)M法和分頻法較為準(zhǔn)確。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

增量式光電編碼器是頻率計(jì)數(shù)式數(shù)字傳感器，當(dāng)光電編碼器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)輸出相位相差90°的兩相脈沖，由此可測(cè)出光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向與脈沖頻率［5］。在數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中，光電編碼器安裝在電機(jī)軸上，永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)編碼器輸出A+/A－、B+/B－、Z+/Z－差分脈沖信號(hào)，此信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)才能被數(shù)據(jù)采集卡采集。信號(hào)濾波轉(zhuǎn)換電路如圖8所示，為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，信號(hào)轉(zhuǎn)換之前先經(jīng)過(guò)濾波電路濾除光電編碼器的干擾信號(hào)，然后經(jīng)四差分線接收器DS3486轉(zhuǎn)換得到單極性脈沖，通過(guò)PXI－6733計(jì)數(shù)器測(cè)量此脈沖信號(hào)頻率即可算出電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

本實(shí)驗(yàn)電機(jī)控制系統(tǒng)基于LabVIEW的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，該電機(jī)參數(shù):功率1.0 kW、額定電流 5.2 A、額定轉(zhuǎn)速 2000 r/min、轉(zhuǎn)矩4.8 N·m。電機(jī)內(nèi)部有增量式光電編碼器，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生2500個(gè)脈沖，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡PXI－6733的計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖頻率進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖8 差分信號(hào)與單極性信號(hào)的轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)速測(cè)量程序框圖如圖9所示。該程序是M法的另一種表現(xiàn)形式，與圖5程序不同之處是Gate端指定時(shí)間長(zhǎng)度的信號(hào)不是通過(guò)DAQmx驅(qū)動(dòng)由內(nèi)部時(shí)基自動(dòng)提供，而是通過(guò)編程由一個(gè)計(jì)數(shù)器提供，另一個(gè)計(jì)數(shù)器用來(lái)計(jì)脈沖數(shù)。通過(guò)測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)過(guò)角度以及轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)波形圖表顯示于前面板。轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下:

式中:N為t秒的脈沖數(shù)，轉(zhuǎn)速單位為r/min。

圖9 轉(zhuǎn)速測(cè)量

電機(jī)運(yùn)行時(shí)分別使用M法、T法、分頻法測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)量結(jié)果如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果

從圖中明顯發(fā)現(xiàn)，雖然電機(jī)轉(zhuǎn)速都在440 r/min左右，但是T法和分頻法的測(cè)量結(jié)果誤差都比較大而且不穩(wěn)定。圖10(a)是對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速采集程序框圖9的前面板，完成對(duì)PXI－6733兩個(gè)計(jì)數(shù)器的配置和電機(jī)轉(zhuǎn)速信息的實(shí)時(shí)顯示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確、靈活，針對(duì)不同范圍的頻率有合適的測(cè)量方法，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，而且適用于各種有計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)采集卡。虛擬儀器改變了人們對(duì)儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)，有廣闊的應(yīng)用前景。

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