基于FPGA的電機轉速測量儀實時校準方法

高運，李軼灝

（上海航天控制技術研究所，上海，200000）

0 引言

測量儀實時校準的最終目的是為了確定計量儀器或測量系統的示值與實際值之間誤差，并予以校正的一種方法。然而實踐發現，上述傳統的測量儀校正方法存在矯枉過正、校正值不足等現象，導致出現電機轉速測量儀校準效果不佳的問題，利用該測量儀得出的電機轉速測量結果與實際轉速之間的誤差較大，因此不具有參考價值。為解決上述問題，利用FPGA實現對測量儀校準方法的優化設計。FPGA就是現場可編程門陣列，該設備以并行運算為主，以硬件描述語言來實現。通過FPGA的應用實現對電機轉速測量儀實時校準方法的優化設計，以期降低測量儀的校準誤差。

1 電機轉速測量儀實時校準方法設計

1.1 實時收集電機轉速信號

通過分析電機的基本運行原理，實現對電機轉速信號的監測，并以此作為電機轉速信息的實際值。以直流電機為例，該電機結構由定子和轉子兩部分組成，其中定子就是固定不動，主要用來產生磁場的部分，而轉子就是隨電機的運行不斷轉動，主要用來產生電磁轉矩[2]。結合電機在實際工作中的工作特性，其指示扭矩處于周期性波動變化，因此即使電機的負荷恒定，其轉速也存在周期性波動。假設電機轉速的表達式為：

式中，n0和?n分別表示的是電機的平均轉速和電機的轉速波動量，而參數z表示電機的缸數，t為電機運行時間，變量fr為電機的平均轉頻。那么電機內的瞬時角速度及其內部的輪齒角速度可以通過公式2來計算。

式中，zn代表電機設備中測速齒輪的數量。以任意一個齒輪為基準，經過一定的時間后可以得出該齒輪轉過的角度，記為?[3]。借助A相電機轉速信號的放大和有效值轉換電路，實現對電機轉速信號的實時收集與監測，在監測電路中需要嵌入濾波電路，濾除掉電源電壓線上的波動干擾，確保實時收集的電機轉速信號的穩定與準確。

1.2 統計轉速測量儀的測量數據

電機轉速測量儀的測量原理是檢測光電編碼器的脈沖信號，從而計算電機的轉速，其測頻方法采用等精度的測頻方法。電機轉速信號在測量過程中，測量儀的閘門時間為被測信號周期的整數倍，而不是一個固定的測量值。測量儀在工作過程中，其內部的計數器可以同時計數被測信號和標準時鐘，被測信號上升沿到來時，計數器開始計數。

從監測電路得出的電機轉速實時收集結果可知，電機的真實轉速為n，由于測量儀中的計數器是由電機轉速信號的上升沿觸發計數，下降沿停止計數，因此在計數時間內得出的脈沖個數為真實值，無理論誤差，得出的轉速測量結果也為真實的轉速結果。

1.3 計算電機轉速測量儀的校準值

綜合實時收集電機轉速信號值，轉速測量儀的測量數據的統計結果以及測量儀誤差的分析結果，即可得出電機轉速測量儀的計算結果，也就是校準值的計算結果。校準值的計算方法就是將測量儀顯示的測量數據與實時信號數據相減，并與固定誤差值相減，若得出的結果為0，則該測量儀設備無其他誤差，可以將固定誤差作為校準值，導入到校準裝置中。若計算結果不為0，則表示除了測量儀的固定誤差之外，還存在其他誤差項，固定誤差與計算結果的和即為電機轉速測量儀的校準值。

1.4 利用FPGA技術設計校準濾波設備

由于在不同的電機轉速下，對測量儀施加的測量負載壓力不同，因此對應的測量誤差也存在些許差異。為了實現對測量儀的實時校準，利用FPGA技術設計并安裝校準濾波設備。

FPGA芯片內部共使用了三個頻率時鐘，分別為速度檢測和校正量發出頻率，該頻率值為1KHz，另外PWM波頻率為16KHz，而數字濾波器使用的控制頻率定義為1.5MHz。通過分頻器與DCM的協同工作實現對測量儀校正設備的分頻處理。另外控制器也就是校準程序的實現部分，以輸入的校準數據為依據，實現對電機轉速測量儀的校準，最終的校準結果通過PWM輸出。

將計算得出的電機轉速測量儀的校準值作為輸入項代入到FPGA技術設計校準濾波設備中，分別得出校準前的輸出結果和校準后測量儀的輸出結果。在FPGA芯片準則下，測量儀的校準值都收斂于最優解，那么當校準濾波設備收斂到穩態即最優解后，便實現了對電機轉速測量儀的實時校準處理。

2 校準效果測試實驗分析

為測試本文方法的校準效果，設計校準效果的測試實驗，并在實驗中設置傳統方法1和傳統方法2作為實驗的兩種對比方法，將三種校準方法應用到相同的實驗環境中，對比研究電機對象的設置轉速值與測量儀測量結果之間的誤差，從而驗證校準效果。

2.1 構建實驗環境

此次實驗環境分為兩個部分，一個是電機的運行環境，選擇的是某工業加工廠的生產部門，該部門具有完整的一套生產線監測系統，可以保證實驗的安全性和有效性。另外一個就是電機轉速測量儀校正結果的測試環境，分別準備三臺相同型號的測量儀，并保證測量儀的初始誤差和固定誤差值相同，確保實驗變量的唯一性。

2.2 準備FPGA芯片

由于此次優化設計的校準方法應用了FPGA技術，因此需要在實驗環境中安裝FPGA芯片，保證校準方法的正常運行。此次實驗中準備的FPGA芯片信號為Altera Cyclone IV E ,EP4CE15F23C8，該設備要求輸出電壓范圍從1.2V到5V，為保證FPGA芯片設備的正確上電，內核電壓VCCINT的緩升時間必須在規定的范圍內。

2.3 設置電機轉速數據

實驗環境中研究對象，即實驗電機的轉速范圍為500r/min-6000r/min，設定和實際轉速的調節分度值分別為100r/min和1r/min，實際轉速的示值誤差為±0.2%。測量儀測量的轉速脈沖信號的高電平與低電平幅值范圍分別為[9V,12V]和[0V,1V]。

2.4 校準效果測試對比結果分析

在實際的測試過程中，首先利用測量儀測量電機轉速，并以此作為實驗的對比數據。接著利用三種校準方法分別對測量儀進行校準處理，在相同的電機使用工況下，得出新的一組測量數據，經過數據的前后對比從而得出測量儀的校準值以及校準效果。

通過數據對比得出實驗的測試對比結果，如表1所示。

表1 測試實驗對比結果

經過對比可以看出，相比于傳統方法1和傳統方法2，應用設計方法實施測量儀的校準處理，得出的電機轉速數據更加接近電機轉速實際設置數據，因此設計基于FPGA的電機轉速測量儀實時校準方法的效果更優。

3 結束語

將FPGA芯片及其相關運行技術應用到測量儀的校正工作中，可以有效地實現對測量儀的精準校正，測量出的電機轉速測量結果更加精準，對于工業生產而言具有較大的應用價值。然而從實踐結果中可以看出應用設計的校正方法后，測量儀得出的電機轉速測量結果還存在一定程度的誤差，因此需要在未來的研究工作中進一步優化。