[发明专利]一种基于单片机的电机实时转速宽范围精确测速方法

说明书

技术领域

本发明属于机电控制领域，涉及一种基于单片机的电机实时转速宽范围精确测速方法，适用于各类以测速发电机和线性霍尔元件作为测速装置的闭环调速控制系统。

背景技术

测速发电机和线性霍尔元件作为常用的两种模拟测速装置，都能够将被测电机的机械转速转换为电气信号，广泛地应用于各种速度或位置控制系统。测速发电机和线性霍尔元件的测速原理分别为：（1）测速发电机的绕组和磁路经精确设计，在被测电机与测速发电机同轴联接时，被测电机的转速与测速发电机输出正弦波的幅值成线性关系，与相位角无关；（2）根据霍尔效应原理，当线性霍尔元件在被测电机外壳的安装位置确定的情况下，被测电机的转速与线性霍尔元件输出正弦波的角速度成线性关系，而与幅值无关。

传统测速模拟电路的实现方法是：（1）测速发电机输出的正弦电压波经单相桥式可控整流电路以及滤波电路转换为反映被测电机转速的平均模拟电平信号；（2）线性霍尔元件输出的正弦电压波经无源低通滤波电路、比较整形电路转换为同频率的脉冲方波信号。从上述两种传统测速方法的描述可看出，其转速测量值与一个或几个半波特性相关，不能准确反映在半波内某一点的实时转速值。此外，在被测电机处于低速运行情况下，测速发电机的输出电压受整流电路中晶体二级管和滤波电路参数的影响较大。因此，上述传统模拟测速方法一般只适用于电机高转速测量和控制。

由上面的分析可知，使用测速发电机或线性霍尔元件采用传统模拟测速方法测量被测电机低速运行状态时，将出现转速反馈盲区，闭环调速系统中的电机会出现抖动甚至失控现象，严重时会使得整个控制系统失稳。因此，在设计以测速发电机或线性霍尔元件作为反馈传感器的电机控制系统时，需要一种宽范围的电机实时转速精确测速方法，从而保证控制系统的性能和稳定性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于单片机的电机实时转速宽范围精确测速方法，提高测速精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于单片机的电机实时转速宽范围精确测速方法，其特征在于：包括如下步骤，

（1-1）提供一基于单片机的电机测速装置，该电机测速装置包括依次连接的测速模块、信号放大模块、A/D转换模块、单片机处理模块和速度输出显示模块；

（1-2）通过测速模块测量被测电机的转速，并通过信号放大、A/D转换及单片机处理模块处理获得测速模块的输出电压正弦波形的变化规律；

（1-3）结合测速模块的输出感应电动势的特征，采用离散形式的测速模型，精确计算被测电机的实时转速。

在本发明实施例中，所述测速模块为测速发电机，所述步骤（1-2）的具体实现过程如下，

（2-1）设A/D转换模块的采样周期为                                                ，令离散步长，则时刻，，可得测速发电机输出感应电动势实时正弦离散时间序列为

式中：为相对输出离散感应电动势的圆周频率，是相对离散信号的频率变量；为第步相对于连续信号的连续频率变量；为电动势的幅值；

（2-2）根据测速发电机绕组和磁路之间的关系，在被测电机与测速发电机同轴联接时，被测电机的实时转速与测速发电机输出正弦波的幅值成线性关系；通过实时测量值，估计得到，进而估计出，其中为常数。

在本发明实施例中，所述测速模块为线性霍尔元件，所述步骤（1-2）的具体实现过程如下，

（3-1）设A/D转换模块的采样周期为，令离散步长，则时刻，，可得线性霍尔元件输出感应电动势实时正弦离散时间序列为

式中：为相对输出离散感应电动势的圆周频率，是相对离散信号的频率变量；为第步相对于连续信号的连续频率变量；为电动势的幅值；

（3-2）当线性霍尔元件在被测电机外壳的安装位置确定的情况下，不变，为常数；被测电机的实时转速与线性霍尔元件输出正弦波的角速度成线性关系；通过实时测量值，估计得到，进而估计出，其中为常数。

在本发明实施例中，所述测速模块为测速发电机，所述步骤（1-3）的具体实现过程如下，

（4-1）所述测速发电机输出感应电动势离散差分方程为

（4-2）由上述差分方程式，可导出初值以及的递推计算表达式如下

（4-3）重复上式的递推计算过程，根据测量值，在各个采样时刻可得的值，从而计算出被测电机的实时转速。