精密离心机转速测量系统设计

精密离心机转速测量系统设计

贾鑫浩1，谷玉海1，高锦宏2

(1．北京信息科技大学，北京100192;2．北京石油化工学院，北京102600)

摘要:为了提高精密离心机的转速控制精度，需要有高精度的转速测量装置。文中利用光栅传感器把转速信号转换成脉冲信号，使用数字逻辑实现对光栅信号的频率细分，并采用FPGA对电机转速进行测量。通过SPI接口实现与外部设备间的通信，从而提高对转速的测控精度。
    关键词:光栅编码器;频率细分;FPGA
    中图分类号:TP27文献标识码:A文章编号:1002－1841(2012)08－0081－03
    0·引言
    惯性仪表是惯性技术的基础，是飞机、航天飞行器、导弹、舰船惯性控制系统的核心部分。惯性仪表的精度决定着惯性导航和制导系统的导航及制导精度。精密离心机是用于标定和测试高精度惯性仪表的主要设备。精密离心机控制的关键是实现他励直流电机的高精度控制，而转速测量精度直接关系到其控制精度。
    1·精密离心机转速测量方法和原理
    直流电动机转速测量方法主要有［1］:用反电势系数测速、换向脉冲测速和瞬时转速测量。这些测速方法多依赖于电动机自身的电气特性和电气参数，影响测速准确度的因素很多，是一些在没有专门测速装置的条件下所使用的一些低精度的测速方法。测速发电机、转矩测速传感仪等专门的测速装置，其测量精度仍不能满足高精度测速的要求。采用光栅为核心的测速方法被广泛应用于高精度转速测量领域。对于精密离心机的测量精度要求来说，光靠光栅传感器还是不够的，往往需要采用频率细分法进一步提高其测量精度要求。系统设计的离心机转速测控系统精度约为10－6，光栅编码器的刻线数为32 400，即电机旋转一周出现32 400个脉冲信号，而进行4倍频频率细分后达到129 600，结合FPGA对电机转速的测量，则电机转速控制精度可达到10－7数量级，从而明显提高了对转速的控制精度。
    常用的数字测量方法有:“M”法(测频法);“T”法(测周法);“M/T”法(频率/周期法)。
    1.1“M”法
    “M”法是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度。“M”法中定时时间和脉冲不能保证严格同步，其误差随转速的增大而减小，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大，这样会限制转速测量的量程。
    1.2“T”法
    “T”法是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速。“T”法中要求脉冲的上升沿(或下降沿)与计数和定时同步，否则会因为两脉冲的上升沿触发时间不一致或计数和定时起始、关闭不一致而造成测量误差，且随转速的减小而减小。因此“T”法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度会变差，存在小于1个脉冲的误差。
    1.3“M/T”法
    “M/T”法综合了“T”法和“M”法的优点，它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当，M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度。但测量方法较繁琐。
    2·转速测量系统总体框图
    针对离心机转速低、转速范围小的特点(12～95 r/min)，利用频率细分电路和FPGA测量计算，从而实现高精度转速的测量，总体框图如图1所示。

            
    3·光栅测量系统及信号处理
    光栅传感器由光源、透镜、光栅副(主光栅和指示光栅)和光电接收元件组成［2－3］，结构图如图2所示。

             
    主光栅固定，另一个光栅(指示光栅)随电机主轴一起转动。当主光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，莫尔条纹明暗变化1次与指示光栅一起固定的光电元件发出1个正弦波信号。指示光栅裂相刻划时，中间2个区域相位相差180°，边缘2个区域相位相差180°，在整个莫尔条纹视场照度不可能非常均匀的情况下，每组相差180°的两路信号的直流电平相近、信号幅值接近(利用电阻匹配实现)。为了消除信号中的直流电平和偶次谐波，提高信号的幅度，将0°和180°、90°和270°的信号进行差接放大(5～8倍)，这样就得到相差90°和一定幅值的正弦和余弦两路信号。
    为了使信号满足系统的要求，使用OP37构成信号的跟随电路，±12 V电源供电对信号进行幅值和波形的调理。利用LM339构成过零比较电路，5 V电源供电，采用10:1电阻分压输出与正余弦信号同频同相方波信号(低电平约为0.5 V)。
    4·频率细分实现方案
    利用光栅传感器，离心机每旋转1周，可得到A、B两相TTL电平方波信号，两项之间相差90°。如果有效利用光栅输出的A、B两相信号，使其在输出信号的每个周期内再插入3个有效的计数脉冲。利用简单的逻辑和双可重触发单稳态触发器74LS123实现频率细分，其工作原理如表1所示。
    表1中，H为高电平，L为低电平，X为任意情况。

            
            
    5·基于FPGA转速测量
    5.1 FPGA转速测量
    经过频率细分电路处理，A、B两相相差信号送入FPGA数字电路进行测量［4］，测量原理如图5所示。

            
    图5中，m1反映转角(离心机光栅脉冲个数)，m2反映测速的准确时间(基准脉冲个数)，通过计算可得转速值n．该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间Td由离心机光栅脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。从a点开始，计数器对光栅脉冲和基准脉冲计数，到达b点，预定的测速时间到，因为Tc不一定正好等于整数个光栅脉冲周期，所以计数器仍对基准脉冲继续计数，到达c点时，光栅脉冲的上升沿使计数器停止，这样m2就代表了m1个脉冲周期的时间。
    设高频脉冲的频率为fc，可得转速计算公式为：

            
    式中:p为旋转一周所产生的脉冲数;m1为光栅脉冲个数;m2为基准脉冲个数;fc为基准脉冲频率。其测量原理框图如图6所示。

            
    当检测到光栅信号的上升沿，计数模块开始计数(每隔上升沿到来，计数单元加1计数)，每隔指定时间把计数值送入FPGA的存贮单元中，用式(1)测算转速值并送给外部设备。
    5.2 SPI接口设计
    SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息［5－6］。该接口一般使用三条线:串行时钟线(SCK)、主机输入从机输出数据线MISO、主机输出从机输入数据线MOST．由于SPI系统总线一共只需3～4位数据线和控制线，即可实现与具有SPI总线接口功能的各种I/O器件进行接口，而扩展并行总线则需要8根数据线、8～16位地址线、2～3位控制线。因此，采用SPI总线接口可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线，提高设计的可靠性。
    串行信号时钟用于传输数据时与外设同步。在SPI模块中设计1个数据寄存器，用于放置测量的速度相应值(数据位数根据外设选定)，当每个串行时钟的上升沿来临时，控制寄存器移位，并把这位数据从MOSI发送，当串行时钟的下一个上升沿到来时，外部设备接受从MOSI传来的数据并做后续处理，其原理框图如图7所示。
 

             
    6·结束语
    系统设计可行性较高，经试验验证实现了信号倍频的功能，提高了电子转速的测量精度，达到了电子转速的测控要求，且具有很好的可靠性。在实验过程中需注意以下几点:
    (1)为了尽量减少输出波形的尖峰干扰，应对74LS123器件的CEST端接地，REST端经电容接地，使波形完整平滑。
    (2)频率细分电路对两路输入信号的相对相位要求较高，若有相位的变化，则易出现频率的信号干扰。
    (3)输出倍频信号的脉冲宽度可由外接电路(CEST和REST端)的电阻和电容调节。
    (4)频率细分信号输入FPGA为核心的计数系统，其可靠性高，计量误差小，从而达到了通过提高电机转速测量精度，提高控制精度的目的。
参考文献:
［1］刘志远，裴润，张铨．精密离心机的实时控制系统设计．哈尔滨工业大学学报，1994(2):54－55．
［2］应仲阳，马修水，李光．基于DSP信号处理的光栅传感器位移测量及应用．安徽电子信息职业技术学院学报，2007(4):87－88．
［3］陈智超．基于双光栅尺的高速高精度跨尺度位移测量方法的研究:［学位论文］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006．
［4］刘婷婷．FPGA、CPLD及其硬件描述语言VHDL．广东白云职业技术学院广州白云工商高级技工学校学报，2002(4):50－55．
［5］韦燕．基于FPGA的SPI接口时序模拟．科技信息，2010(21):79－80．
［6］赵新雨，许忠仁，付贵增，等．基于FPGA与单片机的SPI接口的实现．工业仪表与自动化装置，2010(2):32－33;44．
［7］鄢华浩，王枚，赵利．一种新型频率合成器的实现．现代电子技术，2004(5):10－12;15．
    作者简介:贾鑫浩(1984—)，硕士学位，研究方向为机械电子工程、现代测控技术。E-mail:myfreeing@126．com