电机转速测量系统的设计和改进

耿　鹏，刘梦觉，王　劲

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

电机转速测量系统的设计和改进

耿鹏，刘梦觉，王劲

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）

电机转速测量系统是电力推进控制系统中的重要组成部分，目前采用的转速测量系统普遍存在测量精度和抗干扰性差的问题。本文研究了基于1784板卡和增量式光电编码器的精确转速测量系统，通过硬件和软件上的改进有效提高了测量系统的精度和抗干扰能力，实现了转速和转子角的精确测量，为之后电机转速测量系统的设计提供了借鉴。

转速测量增量式编码器QNX系统PCI-1784板卡

0引言

船舶电力推进系统以其体积小、重量轻、配置灵活、高可靠性和低噪声、高效率等优点日益受到关注，并将逐步取代传统的机械推进方式，成为未来船舶的主要推进方式。

如图1所示，典型船舶电力推进系统主要由船舶运动控制系统、电力系统和电力推进系统构成。船舶控制系统由驾控台和通信线路组成，发送船舶控制指令到执行系统；电力系统由发电机组和配电板组成，提供电源和输送电力；电力推进控制系统由推进变压器、变频器、推进电机和控制系统组成，它接收船舶运动控制系统发出的指令，通过控制电机转速以控制船速。由此可见，对船舶运动的控制最终归结为对电机转速的控制，而电机转速的测量在整个控制系统中有重要地位。

1转速测量系统结构和原理

目前大多数船舶推进控制系统采用增量式光电编码器完成对电机转速的测量。增量式光电编码器主要由与电机转轴同轴旋转的码盘和静止的光电元件构成，码盘上设计了不同的齿、槽结构。电机转子带动码盘转动，当齿部挡住光电元件的光路时，光电开关输出高电平，反之输出低电平，控制器通过检测光电开关发出的电平信号来计算电机的转速和转子位置。其结构和原理如图2所示［1］。

对于分辨率为5000的增量式光电编码器，编码器每旋转一周，输出5000个A脉冲信号，5000 个B脉冲信号和一个Z脉冲信号。A、B信号用来计数和判断电机旋转方向，Z信号则为校正信号。

对于转速测量系统，由于控制器不能直接采集高频的A、B信号，所以需要一个专用计数器对A、B信号进行计数，并利用Z信号作计算的校正。在工控机平台上搭建的转速测量系统结构如下图，其中PCI-1784板卡是编码器专用计数器板卡。

2基于1784板卡和增量式编码器的转速测量系统

Advantech公司生产的PCI-1784板卡是基于PCI总线的正交编码器计数器板卡。该板卡采样率最高可以达到8MHz，可支持4路32位正交AB相编码器加减同步计数，支持包括Z信号中断在内的多种中断方式。通过对PCI-1784板卡内部寄存器进行配置，完成外部信号的输入方式和计数模式、中断源选择等设定；通过对PCI-1784板卡内部寄存器进行访问，可以得到当前计数器的计数值和中断标志等信息。

增量式编码器的原理决定了若A、B信号受到干扰，会导致位置计数不准，角度计算产生偏差并累积，最终导致控制紊乱。为了消除这个偏差，需要通过Z信号的中断服务函数对计算进行定期校正。

2.1QNX系统下PCI-1784板卡的功能实现

本系统工控机中使用的QNX操作系统是遵从POSIX规范的类Unix实时操作系统。在QNX系统中，所有外设都被视为特定的寄存器并有唯一的中断向量号。通过对应寄存器的读写完成外设的操作，而中断向量被用来作中断标志。

PCI-1784板卡在系统中的配置和操作包括以下几个步骤［2］：

1）通过Pci_attach_device函数获取PCI-1784板卡的基地址和中断向量号；

2）配置PCI-1784板卡，设定输入方式为两相输入、计数模式为增量式、计数器初始值为0、中断选择为Z信号上升沿中断；

3）通过InterrutAttachEvent函数对PCI-1784对应的中断向量设定CPU监听；

4）通过InterrpuUnmask函数开放中断响应；

5）在中断执行函数中，通过InterruptWait函数监听中断，等待中断发生；

6）中断到来后，读取PCI-1784中断标志寄存器判断中断是否是PCI-1784板卡产生，并执行相应操作；

7）中断函数完成后，需要读取一次特定寄存器以清除中断标志并执行InterrpuUnmask重新开放中断；

总结PCI-1784板卡中断服务进程流程图如下。

2.2转速计算程序实现与改进

转速测量采用固定周期的一次差计算方法［3，4］，用相邻两个测量周期上的编码器计数值的差值除以时间间隔得到转速。在QNX程序中给转速测量程序分配一个时钟，每个时钟周期内读取一次1784板卡的计数值，并计算当前的转子位置角，而转速计算是在转子转动一周后（即每一个Z信号产生中断之后）完成的。这样做即保证了转子位置角和转速测量的精度，也有效的节省了系统计算资源。

实际中由于AB信号脉冲计数的丢失会造成一定的测量误差。在电机矢量控制过程中，前馈解耦计算对转速的精度要求较高，误差要求在1%以内，因此，需要对一次差方法做一些改进。本文采用最小二乘法计算转速，最小二乘法的公式为：

图5（a），（b）分别为一次差计算和最小二乘法计算出的转速。

转速测量程序的程序流程图如图6。其中，计算使能在PCI-1784板卡的Z信号中断中置位，在转速计算后清零。计算校正量是为了校正每次计数器清零后第一次读取编码器的计数值偏差，同时对AB信号的丢失也有校正作用。程序执行过程中，计数值的变化如下图所示。

3信号干扰的处理

如前文所述，作为转子位置角度计算值的校正信号，Z信号的正确捕捉非常重要。然而，实际中可能出现Z信号丢失或误捕捉的情况。主要原因有二：其一是由于Z信号为短脉冲，若捕捉单元灵敏度不够，易造成Z信号丢失；其二是由于线路干扰，特别是长距离传输的应用中，Z信号上会耦合出干扰脉冲，由于捕捉单元的灵敏度高，有可能将一些干扰脉冲也当做Z信号造成识别错误。

如图8、9所示，当Z信号到来时PCI-1784的计数器清零，转子位置角的计算值跳变为初始值，若触发正常，跳变的差值会是2PI的倍数，对坐标变换无影响；若是误触发，则会造成角度上的跳变，坐标变换发生错误，直接影响之后的矢量运算和反馈，导致控制紊乱。从图8中可以看到控制器发送给变频器的指令值Ua上出现的畸变，图9是由此造成的电机转子电流畸变的结果。

图8 Z轴信号与角度计算的关系

图9角度计算错误引起的转子电流畸变

为解决Z信号干扰问题，提出三种解决方案［5，6］：

1）软件处理方案。通过上图可知，计数器的值通常在20000左右清零，这是由于电机转动一圈编码器输出的A、B信号数量是固定的。所以，可以在Z信号中断处理函数中加入条件判断，只在计数器的值在20000附近时做处理。这种方法操作性强且可以有效地减少Z信号的误采率，但是依赖AB信号的计数精度，若AB计数丢失较多，这种方法将使得计数器不能正常清零；

2）硬件处理方案。造成Z信号易受干扰的重要原因之一是由于它是一个短时脉冲，占空比不到1%，所以，可以在编码器输出后级将Z脉冲拉长再传输。下面是分别利用74HC123振荡芯片和DQ锁存器搭建的信号处理电路，可以将Z信号调理为长脉冲或方波。

Z信号脉冲宽度拉长之后，在接收端可以降低滤波电路的截止频率以提高滤波效果。若滤波后Z信号上升沿变缓，可以在滤波之后加上一级施密特触发器以改善Z信号的波形。

3）信号传输改进。对于长距离传输，或者现场空间电磁干扰较大的情况可以将编码器的电信号转换成光信号进行传输。这样做在增强抗干扰性和拉长传输距离的同时，也将编码器和采集卡隔离，以免系统有电气上的耦合。光电转换模块可以用1414和2412配合逻辑芯片构成。

在本系统中，同时使用了以上方法对系统加以改进，得到了准确的Z信号。经计数器板卡和控制器处理后，得到的转子角度比较准确，指令值没有发生畸变或者跳变，转子电流波形良好，效果如图。

4总结

本文通过一个基于工控机、PCI-1784板卡和增量式旋转编码器的电机转速测量系统实例，说明了典型转速测量系统的原理，并通过硬件和软件的改进，提高了转速的测量精度，提高了系统的抗干扰能力，最终实现了电机转速和位置角的精确测量。

［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 实时平台的PCIl784 精密测量技术［J］. 控制与检测， 2008， 7: 55-58.

［3]王丽梅， 郭庆鼎. 基于转子凸极跟踪的永磁同步电机转子位置的自检测方法［J］. 电工技术学报，2001，（02）: 28-31.

［4]贵献国， 徐殿国， 王宗培. 电机转子位置检测方案评述［J］. 微电机（伺服技术）， 1999.

［5]徐磊， 程明， 赵文祥. 一种增量式光电编码器 Z信号处理方法研究. 微电机， 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

耿鹏（1988-），男，硕士。研究方向：船舶电力推进系统。