基于脈沖序列識別法的轉速轉向測量新方法

王新浩，潘立巍，王 勇，劉嗣萃

(國網冀北承德供電公司，河北 承德 067000)

基于脈沖序列識別法的轉速轉向測量新方法

王新浩，潘立巍，王 勇，劉嗣萃

(國網冀北承德供電公司，河北 承德 067000)

針對傳統非接觸式轉速、轉向測量方法存在的操作難度大、使用易出錯等問題，提出了脈沖序列識別新方法。利用感應器件的不均勻排布，使傳感器輸出脈寬不等的脈沖序列，再利用微控制器對脈沖序列進行識別，從而測量出待測系統的轉速、轉向。利用霍爾傳感器配合單片機搭建硬件電路系統進行實物測試，驗證了該方法的準確性和可靠性。脈沖序列識別法解決了傳統非接觸式測量法存在的問題，并且具有結構精簡、成本低廉等優點。

脈沖序列識別法；轉速轉向測量；霍爾傳感器；光電傳感器；微控制器

轉速、轉向測量在工程實踐和科研實驗中應用非常廣泛，根據傳感器安裝方式可以分為接觸式測量法和非接觸式測量法[1]。接觸式測量法主要使用測速發電機[2]，測速發電機又分為直流測速發電機和交流測速發電機，測速發電機的輸出電動勢具有斜率高、特性成線性、無信號區小或剩余電壓小、正轉和反轉時輸出電壓不對稱度小、對溫度敏感低等特點。非接觸式測量法可分為光電式和電磁式[3,4]，光電式測速傳感器一般是基于光電變換原理，可分為透光式測速傳感器和反射式測速傳感器，光電式測速傳感器輸出信號的波形比較規整，接近標準方波，幾乎無干擾信號產生；電磁式測速傳感器一般是基于電磁感應原理，具有較強的抗干擾能力。

1 非接觸式測量法存在的問題

非接觸式測量法的基本原理如圖1所示[4]，在待測系統均勻地安裝感應器件，使用兩組傳感器探頭。待測系統轉動,傳感器輸出兩列均勻的脈沖信號，測量任意一列可以測量轉速。由于兩個傳感器探頭相對于感應器件有90°相位差，因此后級電路輸出的脈沖信號也有90°相位差。轉向改變，兩列脈沖超前滯后的相位關系也會改變，通過識別相位關系可以測量轉向[5]。

非接觸式測量法基于上述原理測量轉向時具有如下問題：1)要求傳感器輸出脈沖的占空比盡可能接近50%，否則會影響測量可靠性，要求感應器件的尺寸和相互間隙盡可能相等；2)對兩個傳感器探頭的相對位置嚴格要求，即相對于感應器件的相位差嚴格為90°，增加了實際操作難度；3)如果感應器件自身的尺寸很小并且排布緊密，安裝操作難度更大，更容易出錯；4)在后續使用過程中，如果由于外力作用，傳感器探頭位置發生微小的變化就可能測量錯誤。

針對傳統的非接觸式測量法測量轉向存在的問題，提出了脈沖序列識別新方法，可以有效地解決傳統非接觸式測量法存在的問題。

2 脈沖序列識別法的基本原理

脈沖序列識別法的基本思想如下：在待測系統不均勻地安裝感應器件，只使用一組傳感器探頭，待測系統轉動時，傳感器輸出脈寬不等的脈沖序列，利用微控制器對脈沖序列進行識別，測量待測系統轉向，同時測量轉速。

如圖2所示為例來說明脈沖序列識別法的基本原理，在待測系統不對稱地安裝三個感應器件，相鄰感應器件的角度差分別為60°、120°、180°；相鄰感應器件的角度有明顯大小差別即可，不必嚴格地按照這些角度差安裝，實際操作更加簡單。

待測系統轉動時，傳感器后級電路會輸出脈沖信號。由于感應器件排布不均勻，輸出脈沖寬度也不均等。由于有三個感應器件，每個周期有三個脈寬不等的脈沖信號。測量每兩個脈沖的下降沿或上升沿之間的時間間隔，連續測量三組時間數據，對三組數據進行大小比較，可以判斷出脈沖序列的排列方式。改變轉向時，脈沖序列的排列方式也會改變，測量并識別出不同的脈沖序列，可以判斷待測系統的轉向。

表1 不同轉向對應的脈沖序列

轉向脈沖序列正轉“1”“3”“2”“3”“2”“1”“2”“1”“3”反轉“1”“2”“3”“2”“3”“1”“3”“1”“2”

如圖2所示，根據脈沖時間長短，分別將接收到的三個脈沖定義為“1”、“2”、“3”。不同轉向和脈沖序列的對應關系如表1所示。

測量的三組時間數據分別為t1、t2、t3，待測系統轉動的周期為：

T=t1+t2+t3

(1)

待測系統的轉速f為：

f=1/T

(2)

與傳統的非接觸式測量法相比，脈沖序列識別法能夠同時測量轉速和轉向，還具有如下優點：1)只對脈沖信號進行序列識別，對脈沖占空比要求不嚴格，感應器件安裝更加簡單；2)只需要一個傳感器探頭，能夠感應出信號即可，不必過分考慮傳感器精準的安裝位置，實際操作更加簡單；3)只使用傳統方法一半數量的傳感器和后級電路，更加節約成本；4)只占用控制器一個引腳，增加了控制器可接入外部設備的數量，增強了系統的控制能力。

3 實物測試

待測系統為一個轉速可調的小型直流電機，在電機軸上固定一個圓盤，在圓盤上如圖2所示固定好三個小磁鋼。調節電機輸入電壓的大小和極性，可以調節電機的轉速和轉向。電機帶動圓盤旋轉，霍爾傳感器感應小磁鋼，后級電路輸出不均勻的脈沖序列。單片機電路輸入脈沖序列信號，進行分析計算，通過液晶顯示器顯示測量結果。

3.1霍爾傳感器脈沖輸出電路設計

實際測量使用的霍爾傳感器后級電路如圖3所示，開關型霍爾傳感器[3,4]輸出端是NPN型集電極開路輸出，R1為上拉電阻；R2為三極管VT1基極限流電阻，同時由R1、C1、R2、C2組成濾波電路；R3和發光二極管LED1可以作為安裝調試指示燈；R4和R5配合下面的光耦[4]實現電平轉換和光電隔離；Vo端接單片機輸入引腳；V1和V2是兩個完全獨立的電源，光耦兩側的地也是分開的，從而可以隔絕干擾通過電源正極和地在前后級電路之間相互影響，增強系統抗干擾能力。

由圖3可知，當小磁鋼靠近霍爾傳感器時，由于檢測到磁場，霍爾傳感器輸出端內部三極管飽和導通，a點電壓被拉低到接近地電壓，b點電壓約為(V1-0.7)V，b、a點之間存在電位差，R2和三極管VT1基極有電流流過，VT1飽和導通[6]，LED1發光，光耦輸入端有電流流過，光耦輸出端等效三極管VT2飽和導通，Vo端電壓被拉低接近地電壓，為低電平。反之，Vo端為高電平。當電機勻速轉動時，通過示波器可以看到Vo端輸出的波形如圖4所示。

3.2單片機程序設計

單片機作為分析計算的核心，起著非常重要的作用，是脈沖序列識別法的不可缺少組成部分。程序流程圖如圖5所示。

3.3測試結果

實際測試時，電機的轉速從1 rad/s到300 rad/s，改變電機的轉向，都可以準確可靠地測量轉速和轉向。轉速實測數據如表2所示，理論上轉速測量范圍可以更大。在軟件和硬件上進行改進，還可以繼續擴大該系統的測量范圍，提高測量精度，更好地滿足實際工程和科研實驗對轉速轉向測量的要求。

表2 轉速實測數據

4 脈沖序列識別法的一般實現方法

脈沖序列識別法采用新的設計思想，一般性的設計方法，可以有多種實現方式，并不拘泥于文中提到的具體的軟、硬件實現方式。設計脈沖序列識別法要注意的三點：1)感應器件的排布和選擇；2)傳感器電路的設計；3)微控制器程序的設計。

1)感應器件的排布和選擇。感應器件的不均勻分布是脈沖序列識別法的重要特征。前文說明采用三個不均勻排布的小磁鋼作為一組感應器件的方法，也可以采用更多數量的小磁鋼作為一組感應器件，但是三個作為一組既可以實現功能又簡單方便。在一個轉盤上可以均勻放置多組感應器件，這樣可以增加轉速測量的靈敏度而不影響轉向的判斷。感應器件還可以是反射式光電編碼盤或遮斷式圓光柵[7]，令反射式光電編碼盤黑白相間的條紋不均勻分布，黑白三個一組，白條紋寬度不變， 逐個加寬黑條紋的寬度，如圖6所示。令遮斷式圓光柵的孔隙不均勻分布，三個孔隙一組，每組內逐個增大孔隙之間的距離。這樣就可以使傳感器感應出脈寬不等的脈沖序列。

2)傳感器電路的設計。非接觸式測量轉速轉向法的傳感器種類繁多，性能各異。有的傳感器輸出信號很小，需要設計放大、濾波、整形電路[6]；有的傳感器為開關型器件，可以直接輸出TTL信號[6]。不同的傳感器有不同的后級電路設計方法，但要注意電路隔離設計以增強抗干擾能力，這直接關系到系統的準確性和可靠性。

3)微控制器程序的設計。微控制程序設計是脈沖序列識別法的關鍵。脈沖序列識別法正是利用了微處理器強大的處理功能，選擇更好、更快、資源更豐富的微處理器，優化程序結構，可以增強系統的準確性和可靠性。

脈沖序列識別法具有良好的發展前景：傳感器和后級電路體積可以做得很小，如果將整個電路集成，可以作為一個轉速轉向測量的專用傳感器模塊[4]；如果再集成小體積的微控制器，將測量程序固化，可以作數字傳感器[4]，和其他系統的連接更加方便；如果再進一步優化硬件和軟件，可以研制成智能傳感器[4]，功能更強，可靠性更高，應用更廣泛。

5 結論

1)傳統的非接觸式測量法測量轉向時需要使用兩組傳感器探頭，并且對兩組傳感器探頭的相對安裝位置要求嚴格，存在操作難度大、使用易出錯的問題。

2)脈沖序列識別法，只需使用一組傳感器探頭，利用感應器件的不均勻排布，使傳感器輸出脈寬不等的脈沖序列，再利用微控制器對脈沖序列進行識別和測量來獲得待測系統的轉速和轉向，解決了傳統非接觸式測量法存在的問題。

3)脈沖序列識別法使用更少的傳感器和后級電路，占用更少的控制器端口，更加節約成本，實物測試結果證明脈沖序列識別法具有準確性和可靠性，并提出了脈沖序列識別法的一般實現方法。

[1] 王陽恩，肖靖.基于單片機的光電無接觸轉速測量儀的設計[J].電子測量技術，2012，35(9):83-86.

[2] 戴文進，徐龍權.電機學[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3] 徐科軍.電氣測試技術[M].北京：電子工業出版社，2008.

[4] 王雪文，張志勇.傳感器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[5] 蔣晶，蔣東方，高航.高可靠性增量式光電編碼器接口電路設計[J].測控技術，2009，28(2):1-4.

[6] 康華光，陳大欽，張林.電子技術基礎(模擬部分)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[7] 鄧建，林樺.基于DSP的絕對式光電編碼器的電機轉速測量[J].電機與控制應用，2010，37(1):50-55.

NewMethodtoMeasureRotatingVelocityandDirectionBasedonPulseSequenceIdentification

WANG Xin-hao， PAN Li-wei， WANG Yong， LIU Si-cui

(State Grid Jibei Chengde Power Company, Chengde 067000, Hebei, China)

To overcome the shortcomings such as difficult to operate and easy to make mistakes of the traditional non-contact rotating direction measurement, a new method called pulse sequence identification is proposed. This method uses the uneven arrangement of sensing devices, makes the sensors output pulse sequence with different pulse width, uses a microcontroller to identify the pulse sequence to measure the rotating direction of the system under test, at the same time measures rotating velocity. Hardware circuit system using Hall sensor assorting with microcontroller was built to physical test, demonstrated the correctness and reliability of this method. The new method overcomes the shortcomings of the traditional non-contact rotating direction measurement, and it also has the advantages of simple structure, low cost and so on.

the method of pulse sequence identification; rotating velocity and direction measurement; Hall sensors; optoelectronic sensors; microcontroller

TP212

A

1008-9446(2017)04-0059-05

2016-11-21

王新浩(1989-)，男，遼寧朝陽人，碩士，從事電力調度工作，E-mail:981658135@qq.com。