转速测算方法及优化选择

张风波等

摘 要 分析机械设备研制中转速测算的3种方法，进行比对验证试验，并分析其应用特点，为根据不同使用场合选择合适的测速方法提供借鉴。

关键词 测算方法 传感器 脉冲 M法 T法 M/T法

引 言

防化洗消装备中，为提高洗消效率与效果，需要对洗消药剂的流量与压力进行仪表监测与控制，实现这一目标的关键首先就是对水泵、空压机等洗消设备的转速进行实时检测。转速检测方法与选用的传感器类型息息相关[1]，目前其测算方法主要有3种。一般而言，测算方法的选取，需要根据不同的使用场合、控制精度要求、控制器性能与成本核算等因素进行全面衡量。因此，对转速的3种测算方法及其特点进行讨论分析，了解它们的适用场合与使用要求，对指导装备研制过程具有实际的指导意义。

1 转速测算方法与原理

转速传感器的种类很多，如光电脉冲编码器、直线光栅尺、感应同步器、旋转变压器、直线磁栅尺、电磁式脉冲测速机等。转速测量系统的结构基本类似，主要由转速传感器、测速齿轮、定时/计数器等组成，系统结构与测速原理分别如图1（a）、（b）所示。实际转速的测算方法可分为：脉冲数法（M法）、脉冲周期法（T法）与M/T法3种[2，3]。

1.1 脉冲数法测速原理

在额定时间间隔Tg内，测得转速传感器输出的脉冲数Mp，若每转一圈转速传感器输出的脉冲数为P，则进行时间单位转化后得到转轴的转速：

1.2 脉冲周期法测速原理

测速原理：通过测量转速传感器输出一个脉冲的周期时间来确定被测速度。若在被测信号周期内测得已知频率为fc的时钟脉冲数为mc个，每转一圈转速传感器输出的脉冲数为P，则进行时间单位转化后得到转轴的转速：

1.3 M/T法测速原理

测速原理：用被测脉冲的下降沿启动对时间间隔Tg计时和对时间脉冲fc计数，在达到时间Tg后第一个被测脉冲的下降沿终止时间脉冲计数，每转一圈转速传感器输出的脉冲数为P，则转轴的转速：

2 验证试验方法

2.1 系统组成

试验系统由变频器、变频电机、s7 200 PLC、工控机、测速齿轮、霍尔传感器等组成，其中：霍尔传感器输出转速脉冲；s7 200 PLC既输出额定信号控制变频器频率，驱动变频电机按设定转速运转，又检测霍尔传感器输入的脉冲信号，通过内部计数器、定时器等模块计算获得实际转速[4，5]；工控机处理并显示实际转速。

2.2 M法

取模数21（P=21）的测速齿轮，s7 200 PLC模拟量输出模块设定变频电机转速分别为300、600、900、1200rpm，定时器设定额定时间间隔Tg分别为10、20、50、100、200、500ms，计数器记录Tg内的转速脉冲数MP，由公式：

计算得到实际转速n；取模数14、32的测速齿轮，重复上述过程，比对验证测速齿轮模数对M法精度的影响。

2.3 T法

取模数分别为14、21、32的测速齿轮，s7 200 PLC模拟量输出模块设定变频电机转速分别为300、600、900、1200rpm，开关量输入模块采集任一转速脉冲的上升沿与下降沿，作为时间脉冲计数器的启停信号，测得转速脉冲周期内的时间脉冲数mc（已知fc），由公式：

计算得到实际转速n。

2.4 M/T法

取模数21的测速齿轮，s7 200 PLC模拟量输出模块设定变频电机转速分别为300、600、900、1200rpm，设定时间间隔Tg分别为20、40ms，记录MP个转速脉冲内的时间脉冲数mc（已知fc），由公式：

计算得到实际转速n；取模数14、32的测速齿轮，重复上述过程，比对验证测速齿轮模数对M/T法精度的影响。

3 实验结果与分析

3.1 M法

在设定转速（300、600、900、1200rpm）下，取额定时间间隔Tg分别为10、20、50、100、200、500ms，测算转轴转速（见图5）。

可以看出：转速n越高、时间间隔Tg越长，则M法的精度越高。原因在于：M法在相同的时间间隔Tg内，测得的脉冲数Mp不同，则转速不同，但是在脉冲量测量的过程中，总会有1个脉冲的检测误差，相对误差为1/Mp；若Tg不变，随着转速增加，Mp增大，测速的相对误差减小，从而说明M法适合于高速测量。

当转速较低时，要提高测量精度，可以延长测量时间Tg，或选用每圈脉冲数更高的测速装置（增大P值，如图6所示），或进行细分等方法。

3.2 T法

在设定转速（300、600、900、1200rpm）下，采用脉冲周期法测算转轴转速（见图7）。

可以看出：转速n越低，P值越小，T法测速的精度越高。原因在于：T法在脉冲量测量过程中也会有1个脉冲的检测误差，相对误差为1/mc；随着转速减小，mc增大，相对误差减小，说明T法适合于低速测量。

3.3 M/T法

在设定转速（300、600、900、1200rpm）下，取额定时间间隔Tg分别为20、40ms，测算转轴转速（见图8）。

可以看出：M/T法测速的精度不受转速高低的影响，当被测对象转速变化范围大，而且要求测量精度高时，可采用M/T法；为进一步提高测速精度，可以延长时间间隔Tg，或适当减小P值（如图9）。

4 小结

转速的3种测算方法各有优缺点，M法测速的误差在于测量时间Tg是固定的，总会产生一个被测脉冲的测量误差，而且测量的不是完整的脉冲周期；T法测速误差在于只测一个周期，高速时测速时间太短；M/ T法克服M法和T法的缺点，既保证一定测量时间，同时又保证测量完整的被测脉冲周期：与M法相比较，测量完整的被测脉冲周期；与T法相比较；测量时间不再是一个脉冲周期，而是Tg+ΔT。

当被测转速较低时，适宜采取T法；当被测转速较高时，适宜采取M法；当被测转速变化范围较大时，适宜采取M/ T法。

同时，转速测算方法的选取还需综合考虑精度需求、控制器性能、经济性等因素。比如，M/ T法较M法、T法的控制算法更复杂，对控制器的性能要求与成本也更高。

参考文献

[1] 周润景，赫晓霞.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2009：289-303.

[2] 蒋浩，孔飘红.电机转速检测方法与误差分析[J].中国测试技术，2003，（2）：59.

[3] 肖本贤，陈荣保.电机的几种测速方法[J].机电工程，1998，（1）：54-55.

[4] 韩亮.PLC在电机转速测量中的应用[J].常州工学院学报，2012，25（3）：36-38.

[5] 王鹏，闫健.基于PLC的电机转速测量[J].PLC&FA，2008， （3）：60-61.