電機轉速測量系統的設計和改進

耿　鵬，劉夢覺，王　勁

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

電機轉速測量系統的設計和改進

耿鵬，劉夢覺，王勁

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

電機轉速測量系統是電力推進控制系統中的重要組成部分，目前采用的轉速測量系統普遍存在測量精度和抗干擾性差的問題。本文研究了基于1784板卡和增量式光電編碼器的精確轉速測量系統，通過硬件和軟件上的改進有效提高了測量系統的精度和抗干擾能力，實現了轉速和轉子角的精確測量，為之后電機轉速測量系統的設計提供了借鑒。

轉速測量增量式編碼器QNX系統PCI-1784板卡

0引言

船舶電力推進系統以其體積小、重量輕、配置靈活、高可靠性和低噪聲、高效率等優點日益受到關注，并將逐步取代傳統的機械推進方式，成為未來船舶的主要推進方式。

如圖1所示，典型船舶電力推進系統主要由船舶運動控制系統、電力系統和電力推進系統構成。船舶控制系統由駕控臺和通信線路組成，發送船舶控制指令到執行系統；電力系統由發電機組和配電板組成，提供電源和輸送電力；電力推進控制系統由推進變壓器、變頻器、推進電機和控制系統組成，它接收船舶運動控制系統發出的指令，通過控制電機轉速以控制船速。由此可見，對船舶運動的控制最終歸結為對電機轉速的控制，而電機轉速的測量在整個控制系統中有重要地位。

1轉速測量系統結構和原理

目前大多數船舶推進控制系統采用增量式光電編碼器完成對電機轉速的測量。增量式光電編碼器主要由與電機轉軸同軸旋轉的碼盤和靜止的光電元件構成，碼盤上設計了不同的齒、槽結構。電機轉子帶動碼盤轉動，當齒部擋住光電元件的光路時，光電開關輸出高電平，反之輸出低電平，控制器通過檢測光電開關發出的電平信號來計算電機的轉速和轉子位置。其結構和原理如圖2所示［1］。

對于分辨率為5000的增量式光電編碼器，編碼器每旋轉一周，輸出5000個A脈沖信號，5000 個B脈沖信號和一個Z脈沖信號。A、B信號用來計數和判斷電機旋轉方向，Z信號則為校正信號。

對于轉速測量系統，由于控制器不能直接采集高頻的A、B信號，所以需要一個專用計數器對A、B信號進行計數，并利用Z信號作計算的校正。在工控機平臺上搭建的轉速測量系統結構如下圖，其中PCI-1784板卡是編碼器專用計數器板卡。

2基于1784板卡和增量式編碼器的轉速測量系統

Advantech公司生產的PCI-1784板卡是基于PCI總線的正交編碼器計數器板卡。該板卡采樣率最高可以達到8MHz，可支持4路32位正交AB相編碼器加減同步計數，支持包括Z信號中斷在內的多種中斷方式。通過對PCI-1784板卡內部寄存器進行配置，完成外部信號的輸入方式和計數模式、中斷源選擇等設定；通過對PCI-1784板卡內部寄存器進行訪問，可以得到當前計數器的計數值和中斷標志等信息。

增量式編碼器的原理決定了若A、B信號受到干擾，會導致位置計數不準，角度計算產生偏差并累積，最終導致控制紊亂。為了消除這個偏差，需要通過Z信號的中斷服務函數對計算進行定期校正。

2.1QNX系統下PCI-1784板卡的功能實現

本系統工控機中使用的QNX操作系統是遵從POSIX規范的類Unix實時操作系統。在QNX系統中，所有外設都被視為特定的寄存器并有唯一的中斷向量號。通過對應寄存器的讀寫完成外設的操作，而中斷向量被用來作中斷標志。

PCI-1784板卡在系統中的配置和操作包括以下幾個步驟［2］：

1）通過Pci_attach_device函數獲取PCI-1784板卡的基地址和中斷向量號；

2）配置PCI-1784板卡，設定輸入方式為兩相輸入、計數模式為增量式、計數器初始值為0、中斷選擇為Z信號上升沿中斷；

3）通過InterrutAttachEvent函數對PCI-1784對應的中斷向量設定CPU監聽；

4）通過InterrpuUnmask函數開放中斷響應；

5）在中斷執行函數中，通過InterruptWait函數監聽中斷，等待中斷發生；

6）中斷到來后，讀取PCI-1784中斷標志寄存器判斷中斷是否是PCI-1784板卡產生，并執行相應操作；

7）中斷函數完成后，需要讀取一次特定寄存器以清除中斷標志并執行InterrpuUnmask重新開放中斷；

總結PCI-1784板卡中斷服務進程流程圖如下。

2.2轉速計算程序實現與改進

轉速測量采用固定周期的一次差計算方法［3，4］，用相鄰兩個測量周期上的編碼器計數值的差值除以時間間隔得到轉速。在QNX程序中給轉速測量程序分配一個時鐘，每個時鐘周期內讀取一次1784板卡的計數值，并計算當前的轉子位置角，而轉速計算是在轉子轉動一周后（即每一個Z信號產生中斷之后）完成的。這樣做即保證了轉子位置角和轉速測量的精度，也有效的節省了系統計算資源。

實際中由于AB信號脈沖計數的丟失會造成一定的測量誤差。在電機矢量控制過程中，前饋解耦計算對轉速的精度要求較高，誤差要求在1%以內，因此，需要對一次差方法做一些改進。本文采用最小二乘法計算轉速，最小二乘法的公式為：

圖5（a），（b）分別為一次差計算和最小二乘法計算出的轉速。

轉速測量程序的程序流程圖如圖6。其中，計算使能在PCI-1784板卡的Z信號中斷中置位，在轉速計算后清零。計算校正量是為了校正每次計數器清零后第一次讀取編碼器的計數值偏差，同時對AB信號的丟失也有校正作用。程序執行過程中，計數值的變化如下圖所示。

3信號干擾的處理

如前文所述，作為轉子位置角度計算值的校正信號，Z信號的正確捕捉非常重要。然而，實際中可能出現Z信號丟失或誤捕捉的情況。主要原因有二：其一是由于Z信號為短脈沖，若捕捉單元靈敏度不夠，易造成Z信號丟失；其二是由于線路干擾，特別是長距離傳輸的應用中，Z信號上會耦合出干擾脈沖，由于捕捉單元的靈敏度高，有可能將一些干擾脈沖也當做Z信號造成識別錯誤。

如圖8、9所示，當Z信號到來時PCI-1784的計數器清零，轉子位置角的計算值跳變為初始值，若觸發正常，跳變的差值會是2PI的倍數，對坐標變換無影響；若是誤觸發，則會造成角度上的跳變，坐標變換發生錯誤，直接影響之后的矢量運算和反饋，導致控制紊亂。從圖8中可以看到控制器發送給變頻器的指令值Ua上出現的畸變，圖9是由此造成的電機轉子電流畸變的結果。

圖8 Z軸信號與角度計算的關系

圖9角度計算錯誤引起的轉子電流畸變

為解決Z信號干擾問題，提出三種解決方案［5，6］：

1）軟件處理方案。通過上圖可知，計數器的值通常在20000左右清零，這是由于電機轉動一圈編碼器輸出的A、B信號數量是固定的。所以，可以在Z信號中斷處理函數中加入條件判斷，只在計數器的值在20000附近時做處理。這種方法操作性強且可以有效地減少Z信號的誤采率，但是依賴AB信號的計數精度，若AB計數丟失較多，這種方法將使得計數器不能正常清零；

2）硬件處理方案。造成Z信號易受干擾的重要原因之一是由于它是一個短時脈沖，占空比不到1%，所以，可以在編碼器輸出后級將Z脈沖拉長再傳輸。下面是分別利用74HC123振蕩芯片和DQ鎖存器搭建的信號處理電路，可以將Z信號調理為長脈沖或方波。

Z信號脈沖寬度拉長之后，在接收端可以降低濾波電路的截止頻率以提高濾波效果。若濾波后Z信號上升沿變緩，可以在濾波之后加上一級施密特觸發器以改善Z信號的波形。

3）信號傳輸改進。對于長距離傳輸，或者現場空間電磁干擾較大的情況可以將編碼器的電信號轉換成光信號進行傳輸。這樣做在增強抗干擾性和拉長傳輸距離的同時，也將編碼器和采集卡隔離，以免系統有電氣上的耦合。光電轉換模塊可以用1414和2412配合邏輯芯片構成。

在本系統中，同時使用了以上方法對系統加以改進，得到了準確的Z信號。經計數器板卡和控制器處理后，得到的轉子角度比較準確，指令值沒有發生畸變或者跳變，轉子電流波形良好，效果如圖。

4總結

本文通過一個基于工控機、PCI-1784板卡和增量式旋轉編碼器的電機轉速測量系統實例，說明了典型轉速測量系統的原理，并通過硬件和軟件的改進，提高了轉速的測量精度，提高了系統的抗干擾能力，最終實現了電機轉速和位置角的精確測量。

［1]T Senjyu， Y Kuwae， N Urasaki， K Uezato. Accurate parameter measurement for high speed permanent magnet synchronous motors［J］. Pesc Record-ieee Power Electronics Specialists Conference， 2001， 2:772-777.

［2]何王勇， 唐小琦， 曹毅. 基于 Linux 實時平臺的PCIl784 精密測量技術［J］. 控制與檢測， 2008， 7: 55-58.

［3]王麗梅， 郭慶鼎. 基于轉子凸極跟蹤的永磁同步電機轉子位置的自檢測方法［J］. 電工技術學報，2001，（02）: 28-31.

［4]貴獻國， 徐殿國， 王宗培. 電機轉子位置檢測方案評述［J］. 微電機（伺服技術）， 1999.

［5]徐磊， 程明， 趙文祥. 一種增量式光電編碼器 Z信號處理方法研究. 微電機， 2010，43（7）: 85-87.

Design and Improvement of Motor Speed Measurement System

Geng Peng，Liu Mengjue，Wang Jin
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

The motor speed measurement system presented is one of the most important components of electric propulsion control system and the measurement accuracy and anti-jamming capability are the most common problems of the speed measurement system currently used.This paper studies an accurate speed measurement system based on PCI-1784 board and incremental optical-electrical encoder.By improving the hardware and software of the system，high accuracy and anti-jamming capability are increased.The system can be referenced in the designs of motor speed measurement system in the future.

motor speed measurement；incremental optical-electrical encoder；QNX system；PCI-1784

TM301.2

A

1003-4862（2016）07-0028-04

2015-12-09

耿鵬（1988-），男，碩士。研究方向：船舶電力推進系統。