轉(zhuǎn)速測算方法及優(yōu)化選擇

張風(fēng)波等

摘 要 分析機(jī)械設(shè)備研制中轉(zhuǎn)速測算的3種方法，進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證試驗(yàn)，并分析其應(yīng)用特點(diǎn)，為根據(jù)不同使用場合選擇合適的測速方法提供借鑒。

關(guān)鍵詞 測算方法 傳感器 脈沖 M法 T法 M/T法

引 言

防化洗消裝備中，為提高洗消效率與效果，需要對(duì)洗消藥劑的流量與壓力進(jìn)行儀表監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵首先就是對(duì)水泵、空壓機(jī)等洗消設(shè)備的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。轉(zhuǎn)速檢測方法與選用的傳感器類型息息相關(guān)[1]，目前其測算方法主要有3種。一般而言，測算方法的選取，需要根據(jù)不同的使用場合、控制精度要求、控制器性能與成本核算等因素進(jìn)行全面衡量。因此，對(duì)轉(zhuǎn)速的3種測算方法及其特點(diǎn)進(jìn)行討論分析，了解它們的適用場合與使用要求，對(duì)指導(dǎo)裝備研制過程具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

1 轉(zhuǎn)速測算方法與原理

轉(zhuǎn)速傳感器的種類很多，如光電脈沖編碼器、直線光柵尺、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器、直線磁柵尺、電磁式脈沖測速機(jī)等。轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本類似，主要由轉(zhuǎn)速傳感器、測速齒輪、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與測速原理分別如圖1（a）、（b）所示。實(shí)際轉(zhuǎn)速的測算方法可分為：脈沖數(shù)法（M法）、脈沖周期法（T法）與M/T法3種[2，3]。

1.1 脈沖數(shù)法測速原理

在額定時(shí)間間隔Tg內(nèi)，測得轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖數(shù)Mp，若每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖數(shù)為P，則進(jìn)行時(shí)間單位轉(zhuǎn)化后得到轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速：

1.2 脈沖周期法測速原理

測速原理：通過測量轉(zhuǎn)速傳感器輸出一個(gè)脈沖的周期時(shí)間來確定被測速度。若在被測信號(hào)周期內(nèi)測得已知頻率為fc的時(shí)鐘脈沖數(shù)為mc個(gè)，每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖數(shù)為P，則進(jìn)行時(shí)間單位轉(zhuǎn)化后得到轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速：

1.3 M/T法測速原理

測速原理：用被測脈沖的下降沿啟動(dòng)對(duì)時(shí)間間隔Tg計(jì)時(shí)和對(duì)時(shí)間脈沖fc計(jì)數(shù)，在達(dá)到時(shí)間Tg后第一個(gè)被測脈沖的下降沿終止時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)，每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖數(shù)為P，則轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速：

2 驗(yàn)證試驗(yàn)方法

2.1 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由變頻器、變頻電機(jī)、s7 200 PLC、工控機(jī)、測速齒輪、霍爾傳感器等組成，其中：霍爾傳感器輸出轉(zhuǎn)速脈沖；s7 200 PLC既輸出額定信號(hào)控制變頻器頻率，驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，又檢測霍爾傳感器輸入的脈沖信號(hào)，通過內(nèi)部計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等模塊計(jì)算獲得實(shí)際轉(zhuǎn)速[4，5]；工控機(jī)處理并顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速。

2.2 M法

取模數(shù)21（P=21）的測速齒輪，s7 200 PLC模擬量輸出模塊設(shè)定變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為300、600、900、1200rpm，定時(shí)器設(shè)定額定時(shí)間間隔Tg分別為10、20、50、100、200、500ms，計(jì)數(shù)器記錄Tg內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)MP，由公式：

計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)速n；取模數(shù)14、32的測速齒輪，重復(fù)上述過程，比對(duì)驗(yàn)證測速齒輪模數(shù)對(duì)M法精度的影響。

2.3 T法

取模數(shù)分別為14、21、32的測速齒輪，s7 200 PLC模擬量輸出模塊設(shè)定變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為300、600、900、1200rpm，開關(guān)量輸入模塊采集任一轉(zhuǎn)速脈沖的上升沿與下降沿，作為時(shí)間脈沖計(jì)數(shù)器的啟停信號(hào)，測得轉(zhuǎn)速脈沖周期內(nèi)的時(shí)間脈沖數(shù)mc（已知fc），由公式：

計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)速n。

2.4 M/T法

取模數(shù)21的測速齒輪，s7 200 PLC模擬量輸出模塊設(shè)定變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為300、600、900、1200rpm，設(shè)定時(shí)間間隔Tg分別為20、40ms，記錄MP個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖內(nèi)的時(shí)間脈沖數(shù)mc（已知fc），由公式：

計(jì)算得到實(shí)際轉(zhuǎn)速n；取模數(shù)14、32的測速齒輪，重復(fù)上述過程，比對(duì)驗(yàn)證測速齒輪模數(shù)對(duì)M/T法精度的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 M法

在設(shè)定轉(zhuǎn)速（300、600、900、1200rpm）下，取額定時(shí)間間隔Tg分別為10、20、50、100、200、500ms，測算轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速（見圖5）。

可以看出：轉(zhuǎn)速n越高、時(shí)間間隔Tg越長，則M法的精度越高。原因在于：M法在相同的時(shí)間間隔Tg內(nèi)，測得的脈沖數(shù)Mp不同，則轉(zhuǎn)速不同，但是在脈沖量測量的過程中，總會(huì)有1個(gè)脈沖的檢測誤差，相對(duì)誤差為1/Mp；若Tg不變，隨著轉(zhuǎn)速增加，Mp增大，測速的相對(duì)誤差減小，從而說明M法適合于高速測量。

當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，要提高測量精度，可以延長測量時(shí)間Tg，或選用每圈脈沖數(shù)更高的測速裝置（增大P值，如圖6所示），或進(jìn)行細(xì)分等方法。

3.2 T法

在設(shè)定轉(zhuǎn)速（300、600、900、1200rpm）下，采用脈沖周期法測算轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速（見圖7）。

可以看出：轉(zhuǎn)速n越低，P值越小，T法測速的精度越高。原因在于：T法在脈沖量測量過程中也會(huì)有1個(gè)脈沖的檢測誤差，相對(duì)誤差為1/mc；隨著轉(zhuǎn)速減小，mc增大，相對(duì)誤差減小，說明T法適合于低速測量。

3.3 M/T法

在設(shè)定轉(zhuǎn)速（300、600、900、1200rpm）下，取額定時(shí)間間隔Tg分別為20、40ms，測算轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速（見圖8）。

可以看出：M/T法測速的精度不受轉(zhuǎn)速高低的影響，當(dāng)被測對(duì)象轉(zhuǎn)速變化范圍大，而且要求測量精度高時(shí)，可采用M/T法；為進(jìn)一步提高測速精度，可以延長時(shí)間間隔Tg，或適當(dāng)減小P值（如圖9）。

4 小結(jié)

轉(zhuǎn)速的3種測算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，M法測速的誤差在于測量時(shí)間Tg是固定的，總會(huì)產(chǎn)生一個(gè)被測脈沖的測量誤差，而且測量的不是完整的脈沖周期；T法測速誤差在于只測一個(gè)周期，高速時(shí)測速時(shí)間太短；M/ T法克服M法和T法的缺點(diǎn)，既保證一定測量時(shí)間，同時(shí)又保證測量完整的被測脈沖周期：與M法相比較，測量完整的被測脈沖周期；與T法相比較；測量時(shí)間不再是一個(gè)脈沖周期，而是Tg+ΔT。

當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較低時(shí)，適宜采取T法；當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較高時(shí)，適宜采取M法；當(dāng)被測轉(zhuǎn)速變化范圍較大時(shí)，適宜采取M/ T法。

同時(shí)，轉(zhuǎn)速測算方法的選取還需綜合考慮精度需求、控制器性能、經(jīng)濟(jì)性等因素。比如，M/ T法較M法、T法的控制算法更復(fù)雜，對(duì)控制器的性能要求與成本也更高。

參考文獻(xiàn)

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