基于FPGA的電機轉(zhuǎn)速測量儀實時校準方法

高運，李軼灝

（上海航天控制技術(shù)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)，上述傳統(tǒng)的測量儀校正方法存在矯枉過正、校正值不足等現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速測量結(jié)果與實際轉(zhuǎn)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(xiàn)對測量儀校準方法的優(yōu)化設(shè)計。FPGA就是現(xiàn)場可編程門陣列，該設(shè)備以并行運算為主，以硬件描述語言來實現(xiàn)。通過FPGA的應(yīng)用實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速測量儀實時校準方法的優(yōu)化設(shè)計，以期降低測量儀的校準誤差。

1 電機轉(zhuǎn)速測量儀實時校準方法設(shè)計

1.1 實時收集電機轉(zhuǎn)速信號

通過分析電機的基本運行原理，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速信號的監(jiān)測，并以此作為電機轉(zhuǎn)速信息的實際值。以直流電機為例，該電機結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其中定子就是固定不動，主要用來產(chǎn)生磁場的部分，而轉(zhuǎn)子就是隨電機的運行不斷轉(zhuǎn)動，主要用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩[2]。結(jié)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(zhuǎn)速也存在周期性波動。假設(shè)電機轉(zhuǎn)速的表達式為：

式中，n0和?n分別表示的是電機的平均轉(zhuǎn)速和電機的轉(zhuǎn)速波動量，而參數(shù)z表示電機的缸數(shù)，t為電機運行時間，變量fr為電機的平均轉(zhuǎn)頻。那么電機內(nèi)的瞬時角速度及其內(nèi)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(shè)備中測速齒輪的數(shù)量。以任意一個齒輪為基準，經(jīng)過一定的時間后可以得出該齒輪轉(zhuǎn)過的角度，記為?[3]。借助A相電機轉(zhuǎn)速信號的放大和有效值轉(zhuǎn)換電路，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速信號的實時收集與監(jiān)測，在監(jiān)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(zhuǎn)速信號的穩(wěn)定與準確。

1.2 統(tǒng)計轉(zhuǎn)速測量儀的測量數(shù)據(jù)

電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，其測頻方法采用等精度的測頻方法。電機轉(zhuǎn)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(shù)倍，而不是一個固定的測量值。測量儀在工作過程中，其內(nèi)部的計數(shù)器可以同時計數(shù)被測信號和標準時鐘，被測信號上升沿到來時，計數(shù)器開始計數(shù)。

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

1.3 計算電機轉(zhuǎn)速測量儀的校準值

綜合實時收集電機轉(zhuǎn)速信號值，轉(zhuǎn)速測量儀的測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果以及測量儀誤差的分析結(jié)果，即可得出電機轉(zhuǎn)速測量儀的計算結(jié)果，也就是校準值的計算結(jié)果。校準值的計算方法就是將測量儀顯示的測量數(shù)據(jù)與實時信號數(shù)據(jù)相減，并與固定誤差值相減，若得出的結(jié)果為0，則該測量儀設(shè)備無其他誤差，可以將固定誤差作為校準值，導(dǎo)入到校準裝置中。若計算結(jié)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(jié)果的和即為電機轉(zhuǎn)速測量儀的校準值。

1.4 利用FPGA技術(shù)設(shè)計校準濾波設(shè)備

由于在不同的電機轉(zhuǎn)速下，對測量儀施加的測量負載壓力不同，因此對應(yīng)的測量誤差也存在些許差異。為了實現(xiàn)對測量儀的實時校準，利用FPGA技術(shù)設(shè)計并安裝校準濾波設(shè)備。

FPGA芯片內(nèi)部共使用了三個頻率時鐘，分別為速度檢測和校正量發(fā)出頻率，該頻率值為1KHz，另外PWM波頻率為16KHz，而數(shù)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(xié)同工作實現(xiàn)對測量儀校正設(shè)備的分頻處理。另外控制器也就是校準程序的實現(xiàn)部分，以輸入的校準數(shù)據(jù)為依據(jù)，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速測量儀的校準，最終的校準結(jié)果通過PWM輸出。

將計算得出的電機轉(zhuǎn)速測量儀的校準值作為輸入項代入到FPGA技術(shù)設(shè)計校準濾波設(shè)備中，分別得出校準前的輸出結(jié)果和校準后測量儀的輸出結(jié)果。在FPGA芯片準則下，測量儀的校準值都收斂于最優(yōu)解，那么當校準濾波設(shè)備收斂到穩(wěn)態(tài)即最優(yōu)解后，便實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)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(shè)計校準效果的測試實驗，并在實驗中設(shè)置傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2作為實驗的兩種對比方法，將三種校準方法應(yīng)用到相同的實驗環(huán)境中，對比研究電機對象的設(shè)置轉(zhuǎn)速值與測量儀測量結(jié)果之間的誤差，從而驗證校準效果。

2.1 構(gòu)建實驗環(huán)境

此次實驗環(huán)境分為兩個部分，一個是電機的運行環(huán)境，選擇的是某工業(yè)加工廠的生產(chǎn)部門，該部門具有完整的一套生產(chǎn)線監(jiān)測系統(tǒng)，可以保證實驗的安全性和有效性。另外一個就是電機轉(zhuǎn)速測量儀校正結(jié)果的測試環(huán)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(yōu)化設(shè)計的校準方法應(yīng)用了FPGA技術(shù)，因此需要在實驗環(huán)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(shè)備要求輸出電壓范圍從1.2V到5V，為保證FPGA芯片設(shè)備的正確上電，內(nèi)核電壓VCCINT的緩升時間必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。

2.3 設(shè)置電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

實驗環(huán)境中研究對象，即實驗電機的轉(zhuǎn)速范圍為500r/min-6000r/min，設(shè)定和實際轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)分度值分別為100r/min和1r/min，實際轉(zhuǎn)速的示值誤差為±0.2%。測量儀測量的轉(zhuǎn)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(jié)果分析

在實際的測試過程中，首先利用測量儀測量電機轉(zhuǎn)速，并以此作為實驗的對比數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對比得出實驗的測試對比結(jié)果，如表1所示。

表1 測試實驗對比結(jié)果

經(jīng)過對比可以看出，相比于傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2，應(yīng)用設(shè)計方法實施測量儀的校準處理，得出的電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)更加接近電機轉(zhuǎn)速實際設(shè)置數(shù)據(jù)，因此設(shè)計基于FPGA的電機轉(zhuǎn)速測量儀實時校準方法的效果更優(yōu)。

3 結(jié)束語

將FPGA芯片及其相關(guān)運行技術(shù)應(yīng)用到測量儀的校正工作中，可以有效地實現(xiàn)對測量儀的精準校正，測量出的電機轉(zhuǎn)速測量結(jié)果更加精準，對于工業(yè)生產(chǎn)而言具有較大的應(yīng)用價值。然而從實踐結(jié)果中可以看出應(yīng)用設(shè)計的校正方法后，測量儀得出的電機轉(zhuǎn)速測量結(jié)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(yōu)化。