[发明专利]一种用于精密机电设备中的电机转速测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种转速测量方法，特别是关于一种用于高精度数控机床、精密离心机等精密机电设备的转速测量方法。

背景技术

高精度数控机床、精密离心机等精密机电设备，需要采用闭环系统来实现高精度的控制要求，因此需要对转速进行精密测量结果作为闭环控制的反馈输入。在这些精密机电设备中对转速的测量具有很高的要求，测量装置要求具有高分辨率、高精度、高稳定性及检测时间短，光栅编码器能够较好的满足上述要求，利用光栅编码器进行转速的测量，通过提高光栅编码器的光栅刻线数，可以达到很高的测量精度。光栅编码器能够将变化的角度信号或者位移信号转换为周期变化的电信号，对电信号进行放大整形、计数或者频率电压转换后可用于进行转速的计算。利用光栅编码器进行转速测量时，首先对光栅编码器输出的正弦信号进行放大后整形，将信号变为方波信号，然后对方波信号进行测量，常用的测量方法有数字计数法、频率电压转换法，或者直接对正弦信号进行AD转换后进行频谱分析法。其中，频率电压转换法需要通过频率电压转换电路及AD转换器才能将转速信号变换为数字信号，变换需要的环节多，各个环节也都存在线性误差。频谱分析法则需要转换速度比较快的AD转换器对正弦信号进行采样，在一定时间间隔内获得较多的采样数据，然后利用单片机或计算机对采样序列进行FFT计算获得转速数据，这种方法虽然具有较高的精度，但对AD转换器的转换速度和处理器的处理速度具有较高的要求，处理器需要消耗很多时间来进行FFT计算，因此这种测量方法较少采用。实际转速测量中使用比较多的是计数法，该方法又分为测频法（M法）和测周法（T法），以及将测频法及测周法相结合的方法（M/T法）。测频法是在一定的时间间隔T内，测量编码器输出的脉冲数来获得被测速度值，该方法在转速较低时误差较大。测周法是在编码器输出的一个脉冲周期内对高频的基准时钟进行计数来获得被测速度值，该方法在高转速时具有较大误差，在低转速时又受转速的影响，测量时间较长。测频及测周结合法则是在一定的时间间隔内测量转速脉冲的个数的同时，该方法同样在转速较低时存在较大的截断误差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种精密机电设备的转速测量方法，该方法在高转速和低转速时都具有较高的测量精度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于精密机电设备中的电机转速测量方法，其采用光栅编码器对所述精密机电设备的电机转速进行测量，步骤如下：（1）首先对光栅编码器输出的两路相位差为90°的正弦信号进行放大、整形，使其变为两路方波信号输出；（2）将两路方波信号输入FPGA模块内进行异或运算，得到两倍频信号；（3）在FPGA模块内采用恒温晶振作为基准时钟，对两倍频信号进行计数，其计数值为N1，对基准时钟进行计数的个数为N2；其中，该恒温晶振频率为10MHz、稳定度为±5×10^-10；（4）FPGA模块将得到的两个计数值N1、N2传输至外部单片机或DSP芯片，根据所选恒温晶振的频率、两个计数值N1和N2以及转速与频率的关系式，可以得到所要测量的电机转速。

所述步骤（3）中，所述两倍频信号及基准时钟的计数方法如下：①采用两倍频信号的上升沿为触发信号，对基准时钟信号计数，产生1个上升沿，当计数达到10000000次时产生1个下降沿，此时，输出一个高电平宽度为1S的时钟信号D；②在所述步骤①计数开始的同时，采用产生的时钟信号D上升沿为触发信号，对两倍频信号进行计数，当时钟信号D的下降沿结束时，结束对两倍频信号的计数，此时计数值为N1；③在结束对两倍频信号计数的同时，即以时钟信号D的下降沿结束时作为触发信号，开始对基准时钟信号计数，以两倍频信号的上升沿作为计数结束信号，停止对基准时钟信号计数，此时的计数值为N2。

所述步骤（4）中，电机转速Z_s求解方法如下：由于N1个两倍频信号的周期与两倍频信号最后被截断信号的时间和等于1秒，则得到等式：