北京石油化工学院学报 第２０卷第３期 Ｖｏ１．２０ ＮＯ．３ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ２０１２年９月 Ｓｅｐ．２０１２ Ｐｅｔｒｏ—ｃｈｅｍｉｃａ１ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 改进的Ｍ法转速测量 张吉月 于 静 （北京石油化工学院信息工程学院，北京１０２６１７） 摘 要针对电机低速时Ｍ法转速测量在检测周期内所记录的脉冲数较少导致相对误差 较大以致无法保证测量精度的问题，采用一种改进的Ｍ法进行测速。分析Ｍ法的测速原理，总结出Ｍ 法不适合高速以外的范围，并且速度越低，其测量精度越低。所采用的基于速度预估的Ｍ法测速能在 电机高速转动时不失Ｍ法的实时性，同时在高速以外的速度范围能够保持与高速相同的测量精度。电 机转速测量实验中，改进的Ｍ法具有很好的应用，测量精度能够达到Ｍ法测量精度的１ｏ倍。 关 键 词 Ｍ法；光电编码器；速度测量 中图法分类号ＴＰ２７３ 在实时控制中，转速的检测是其他参数检 表明，在宽速度范围内都能达到较高的测速 测的基础。如果不能高精度、实时的测量，直接 精度。 会影响系统的性能。常用的速度测量方法主要 有Ｍ法、Ｔ法和Ｍ／Ｔ法。Ｍ法只适用于高速 １ 数字测速方法 范围，Ｔ法只适用于低速范围，在其他速度范围 数字测速元件由光电脉冲发生器及检测装 精度不高。Ｍ／Ｔ法即频率周期法是前２种方 置组成。脉冲发生器的关键部件光电编码器 法的结合，其精度较高。但低速时，该方法需要 （俗称码盘）连接在被测轴上，随着被测轴的转 很长的检测时间才能保证其结果的准确性，检 动产生一系列的脉冲，然后通过检测装置对脉 测的实时性变差，无法满足转速检测系统的快 冲进行计数，再通过脉冲的计数来计算角速度。 速动态响应指标要求 ］。 １．１ Ｍ法测速 文献［１—２］中，将Ｔ法进行改进，随着速度 Ｍ法测速是利用机械：自位移的差商作为 增大，不断增大检测时间来提高测量精度。文 转速的测量值： 献［３—４］中，使用倍频计数电路或者分频器提高 ∞ 一 ∞ 一——— －—— （１）ｌ 测速信号源的分辨率，从而提高测量精度，但其 方法硬件复杂。文献Ｅｓ］中，设定切换点来切换 式中： 是ｎ时刻转速的测量值； ， 分别 使用Ｍ法和Ｔ法来实现宽范围的高精度测 为 —ｌ， 时刻机械角位置的反馈值；Ｔ（ｓ）是 量。文献［６—７］中，将Ｍ法进行改进，随着速度 相邻２次角位置采样的时间间隔，即检测时间。 减小，不断增大检测时间来提高测量精度。 在数字测速中，采样时间内用编码器增量 在改进的Ｍ法测速方法的基础上，建立速 来记录角位移变化值。其速度测量公式为 度预估值和检测时间的对应表，利用速度预估 ＂ 一６０× （２） 来选择检测时间，并利用ＰＬＣ的硬件高速计数 器来接收光电编码器的脉冲信号，利用时间中 其中： Ｍ为每分钟的转数，ｒ／ｍｉｎ；Ｎ为检测时 断对接收脉冲时间计时来计算电机转速。在电 间内所记录的脉冲数；Ｐ为脉冲发生装置旋转 一机转速测量系统中应用速度预估的Ｍ法，结果 圈发出的脉冲数，即码盘的线数。 测量分辨率Ｑ为 收稿日期：２０１２—０１－２４ Ｑ一 一 一 ㈤ １４ 北京石油化工学院学报 ２０１２年第２Ｏ卷 在Ｐ值固定的脉冲发生装置中，只有增大 单位检测时问Ｔ才能提高分辨率。在测量极 端情况下会产生±１个脉冲的检测误差。测量 相对误差￡为 ６０×Ｎ ６０×（Ｎ±１） Ｐ・Ｔ Ｐ・Ｔ １（４） 一 ６Ｏ×Ｎ Ｐ・Ｊ『 当被检测转速较高或电机转动一圈发出的 转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量 精度。 １．２ 改进的Ｍ法测速一基于速度预估的Ｍ法 由式（４）得到，Ｍ法测速的相对误差ｅ只决 定于检测时间所记录的脉冲数Ｎ。再由式 （２）得： Ｎ一 （５） 脉冲数Ｎ正比于转速 Ｍ、检测时间Ｔ、码 盘的线数Ｐ。因此，在检测时问不变的情况下， 相同的转速，码盘的线数越大，测量的精度越 高，但是由于硬件条件，不可能一味的增大 码盘的线数。因此，在宽转速范围内得到高精 度的办法只有增大检测时间。但是增大检测时 间的同时会导致检测的实时性变差。特别是在 高速阶段，较大的时延不利于对系统的控制，严 重的影响系统性能。 基于速度预估的Ｍ法测速能弥补Ｍ法只 适合在高速场合测量的不足。在高速以外的速 度范围能够保持与高速相同的测量精度，同时 在电机高速转动时也不会失去Ｍ法的实时性。 基于速度预估的Ｍ法的精髓就是预先建立转 速预估值和检测时间关系的对应表，即将所要 测量的转速分段并且不同转速段对应的检测时 间不同。 转速预估值和检测时间关系对应表的建立 依据是在保证Ｍ法测速相对误差小于一定限 制的前提下，选择尽量小的检测时间。在转速 测量的起始阶段，先使用一个较短的采样时问 预估其转速。再根据转速预估值和检测时间关 系的对应表，选择检测时问进行转速测量。例 如，编码器的线数为２００线，角速度的测量范围 是９～１ ５００ ｒ／ｍｉｎ，脉冲速度范围是３Ｏ～ ５ ０００ ｐ／ｓ。保持同样的相对误差，图１为改进 Ｍ在低速范围的相对误差曲线，其最大的相对 误差不超过５ ；转速越小，检测时间越长。建 立角速度预估值与检测时间的对应关系如图２ 所示，根据角速度预估值，切换采样周期的取 值，转速很大时，不能选择过小的检测时间，避 免ＰＬＣ的时间中断所带来的误差过大。 ，ｆｒ・ｒａｉｎ一‘１ 图１改进的Ｍ法的误差曲线 ｎ／（ｒ・ｒａｉｎ一’１ 图２ 转速预估值与检测时间的对应关系 ２ 实验 ２．１ 改进Ｍ法测速的实现 使用ＰＬＣ的硬件高速计数器来接收光电 编码器的脉冲信号，先选择一个较短采样时间， 用一个采样时间内脉冲的计数来预估转速值， 选择适当的检测时间，记录检测时问内脉冲数， 再根据式（２）计算转速，如图３所示。其中采样 时间、检测时间都使用ＰＩ ｃ的时间中断来 实现。 图３转速测量程序的流程 第３期 张吉月等．改进的Ｍ法转速测量 １５ ２．２ Ｍ法和改进的Ｍ法对比实验 在相同的２００线码盘的分辨率下，不同转 速的测量，Ｍ法和改进的Ｍ法测得的曲线分 别如图４和图５所示。 采样时￣］／ｎＴ 图４ Ｍ法测得的曲线 采样时刻／ｎＴ 图５改进的Ｍ法测得的曲线 从图４、图５可以看出，在低速时改进的Ｍ 法测得的转速比Ｍ法更接近真实值。 ３ 实验分析 Ｍ法和改进的Ｍ法在２００线码盘上测量 电机转速的误差曲线如图６所示。误差出现明 显差距体现在转速在２００ ｒ／ｒａｉｎ以下，见表ｌ。 靛 ｎ ・ｍｉｎ ） 图６测量转速的误差对比曲线 由表１可以看出，转速在１２ ｒ／ｒａｉｎ时，Ｍ 法和改进的Ｍ法的相对误差最大，Ｍ法的相 对误差为０．５，改进的Ｍ法的相对误差为 ０．０５。在低速时，改进Ｍ法的精度为Ｍ法的 １Ｏ倍。 表１ Ｍ法和改进的Ｍ法测得的转速的误差 转速／ 相对误差 转速／ 相对误差 、Ｊ ， ～１’ ． ｍｉｎ １）改进Ｍ法 Ｍ法 ｍｉｎ １）改进Ｍ法 Ｍ法 ９ ｏ．００４ ９７５ ｏ．３３３ ３３３ ３６ ｏ．ｏ１９ ６０８ ｏ．１６６ ６６７ ｌ２ ０．０５０ ００ｏ ０．５ ３９ ｏ．０３８ ４６Ｚ ０．ｏ７６ ９￣３ １５ ０．０５０ ０００ ０．２ ４２ ０．０４７ ６１９ ０．１４２ ８５７ １８ ０．０１９ ６０８ ｏ．３３３ ３３３ ４５ ｏ．０４７ ６１９ ｏ．０６６ ６６７ ２１ ０．０１４ ７７８ ０．１４２ ８５７ ４８ ０．０３８ ４６２ ｏ．１２５ ００ｏ ２４ ０．０５０ ｏｏ０ ｏ．２５ ５１ ｏ．ｏ１９ ６０８ ｏ．０５８ ８２４ ２７ ｏ．０３３ ８１６ ｏ．１１１ １１１ ５４ ｏ．Ｏ２７ ７７８ ０．１１１ １１１ ３０ ｏ．ｏ５０ ｏｏｏ ０．２ ５７ ｏ．０４３ ０６２ ０．０５２ ６３２ ３３ ｏ．０４３ ｏ６２ ｏ．ｏ９０ ９０９ 在２．２实验的基础上，提高改进Ｍ法的码 盘的分辨率，得到测量误差曲线，如图７所示。 由图７可以看出，随着分辨率的提高，精度明显 提高。 苦｝靛罂 ｎ／（ｒ・ｒａｉｎ ） 图７ 不同分辨率下的改进Ｍ法的误差曲线 ４ 结论 速度预估的Ｍ法测速的精髓就是预先建 立转速预估值和检测时间关系的对应表，即将 所要测量的转速分段并且不同转速段对应的检 测时间不同。转速预估值和检测时间关系对应 表的建立依据是在保证Ｍ法测速相对误差小 于一定的前提下，选择其尽量小的检测 时间。 参考文献 ［１］ 高伟．一种基于ＴＭＳ３２０￣’２８１２的电机转速测量 方法［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（６）：９４—９５． ［２］鲁进军．电动机的高精度宽范围转速测量方法 ［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１１，３１（２４）：１１８—１２３． ［３］马金权．一种高精度实时电机转速测量新方法 ［Ｊ］．齐齐哈尔大学学报，２００２，８（１）：４２—４４． ［４］李汉．一种宽范围测速系统的设计［Ｊ］．机电工 程，２Ｏ１Ｏ，２７（１０）：５２—５６． １６ 北京石油化工学院学报 ２０１２年第２Ｏ卷 ［５］ 毋建宏．基于增量编码器的超低速估算方法研究 ［Ｊ］．微机电，２０１１，４４（１）：１７—２０． Ｅ６］ 马文光．变Ｍ法在电机速度高精度测量中的应 用［Ｊ］．机械与电子，１９９９（４）：６４—６６． ［７］ 张吉月．系列运动参数数字检测技术的研究［Ｊ］ 北京石油化工学院学报，２００９，１７（２）：３６—３９． Ａ Ｎｏｖｅｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｒｏｔａｔｉｎｇ Ｓｐｅｅｄ Ｚｈａｎｇ Ｊｉｙｕｅ Ｙｕ Ｊｉｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏ－ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２６１７） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｏｖｅｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔＯ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃａｎｎｏｔ ｂｅ ｇｕａｒａｎｔｅｅｄ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌｅｓｓ ｒｅｃｏｒｄｅｄ ｎｕｍｂｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅｓ ｉｎ ａ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｉｍｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａｔ ａ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ．Ａｆｔｅｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｅｘｃｅｐｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ．Ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｉｓ，ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ．Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ，ｗｉｔｈｏｕｔ ｌｏｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ ａｔ ａ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ａｌｌ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔＯ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｒｅａｃｈ １０ ｔｉｍｅｓ ａｓ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｍ ｍｅｔｈｏｄ；ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｃｏｄｅｒ；ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
