CN101478285B - 电机速度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机速度检测方法，以在极低速以及高速下检测电机速度。该电机速度检测方法，在不改变脉冲采样间隔和速度控制周期的情况下，采用自定义脉冲采样间隔替代脉冲采样间隔，进行电机速度的计算。本发明使得检测精确的电机平均速度成为可能，而且利用快速的速度调整特性能够实现在极低速范围内和电机高速时的稳定速度控制，同时因为采用了低分辨率的低成本脉冲编码器，有效地降低了速度控制***的成本。

Description

电机速度检测方法

技术领域

本发明涉及电机检测技术，具体地说，涉及一种电机速度检测方法，仅使用低分辨率的脉冲编码器进行电机速度检测，即可得到较准确的电机速度用于电机控制。

背景技术

在一个电机速度控制***中，如果仅使用一个具有相当低分辨率的脉冲编码器，当电机以非常低的速度转动时，从脉冲编码器得到的脉冲的相邻时间间隔(每个脉冲上升沿周期或下降沿周期)通常会大于电机速度控制周期和脉冲采样间隔，从而在一个速度控制周期内没有一个脉冲信号，以至于无法获得准确的电机速度反馈信息。

测速分辨率表征测量装置对转速变化的敏感度，在低分辨率脉冲编码器测速下，测速分辨率为 $Q=\frac{60}{P\·T_p}\left(\mathrm{rpm}\right),$ P为编码器线数，T_p为脉冲采样间隔。在接近零的电机低速范围内，如图1所示，设速度控制周期为T_s＝T，脉冲采样间隔T_p＝T_s，0/T/2T/....../nT时间点为各速度控制周期的开始：

t＝T时，t＝0～T之间没有脉冲，计算得到的电机速度n＝0；

t＝2T时，t＝T～2T之间检测到一个脉冲，计算得到的电机速度n＝n1＝Q。

由图易知电机实际速度n＝n1/2，于是在进行速度控制时，始终得不到实际的电机速度进行闭环控制。产生这个的原因就是测速分辨率不够，存在相邻脉冲时间间隔大于脉冲采样间隔T_p的低速情况，即跟脉冲编码器的分辨率P和脉冲采样间隔T_p有关，改善测速分辨率Q有以下两种方式：

1)提高脉冲编码器的分辨率P，即线数，从而每转过一圈得到的脉冲数变多，低速下不改变脉冲采样间隔T_p时，可以使得相邻脉冲时间间隔小于脉冲采样间隔。

2)增大脉冲采样间隔T_p，低速下不改变脉冲编码器分辨率P时，可以使得相邻脉冲时间间隔小于脉冲采样间隔。

但是这两种方式都有一定的限制，脉冲编码器的分辨率不能无限提升，而且高分辨率的脉冲编码器必然使得成本加大；脉冲采样间隔T_p会影响到速度控制周期T_s，通常的速度控制下速度控制周期T_s≥T_p，脉冲采样间隔T_p增大将使得T_s变大，而速度控制周期过大将使得速度控制的***响应变慢，无法实现高性能的控制。

在不改变合适的脉冲编码器分辨率和脉冲采样间隔的情况下，可以通过对得到的脉动的速度反馈进行平滑滤波处理，从而提高电机速度分辨率，平滑速度响应。但是，添加滤波器会产生相位滞后，没有特殊要求且非低速下的话，还可以满足要求，在极低速下，得到的电机速度不平稳。而且从实现上考虑，滤波器阶数也存在一定的限制，阶数过高将使实现变得复杂，相位滞后更大，而阶数不够，有些情况下又不能有效地平滑速度波动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电机速度检测方法，它可以在极低速以及高速下，不改变脉冲采样间隔和速度控制周期的情况下，采用自定义脉冲采样间隔替代脉冲采样间隔，使得测速分辨率得到提高，速度反馈更精确，速度控制更稳定。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

本发明的第一方面在于提供一种在低速情况下的电机速度检测方法，该电机速度检测方法，电机速度检测过程中，存在零脉冲的速度控制周期，其特征在于：对于每个速度控制周期，采用原始速度采样间隔的自然数倍作为新的速度采样间隔，计算新的速度采样间隔内的脉冲数，并根据新的速度采样间隔和新的速度采样间隔内的脉冲数计算该速度控制周期的电机速度。

本发明中，对零脉冲速度控制周期，以该速度控制周期之前邻近该速度控制周期包括该速度控制周期在内的连续零脉冲速度控制周期数+1倍原始速度采样间隔作为新的速度采样间隔。

对非零脉冲速度控制周期，以该速度控制周期之前邻近该速度控制周期的连续零脉冲速度控制周期数+1倍原始速度采样间隔作为新的速度采样间隔。

本发明的第二方面在于提供一种在高速情况下的电机速度检测方法，该电机速度检测方法，电机速度检测过程中，每个速度控制周期中具有至少一个脉冲，其特征在于：以某一速度控制周期中的脉冲数作为基准脉冲数，根据原始速度采样间隔和基准脉冲数计算基准电机速度，每个速度控制周期的脉冲数减去基准脉冲数得到调整脉冲数，由此产生零调整脉冲的速度控制周期，对于每个速度控制周期采用原始速度采样间隔的自然数倍作为新的速度采样间隔，计算新的速度采样间隔内的调整脉冲数，并根据新的速度采样间隔和新的速度采样间隔内的调整脉冲数计算该速度控制周期的调整电机速度，基准电机速度和调整电机速度之和即为电机速度反馈。

本发明中，对零调整脉冲的速度控制周期，以该速度控制周期之前邻近该速度控制周期包括该速度控制周期在内的连续零调整脉冲的速度控制周期数+1倍原始速度采样间隔作为新的速度采样间隔。

对非零调整脉冲的速度控制周期，以该速度控制周期之前邻近该速度控制周期的连续零调整脉冲的速度控制周期数+1倍原始速度采样间隔作为新的速度采样间隔。

为了在电机高速时检测的电机速度有较高的精度，以速度控制周期的最大脉冲数和最小脉冲数进行平均再取整作为基准脉冲数，本发明最适宜于速度控制周期的最大脉冲数差不大于2的情形。

本发明在不改变速度控制周期的基础上，使得检测精确的电机平均速度成为可能，而且利用快速的速度调整特性能够实现在极低速范围内和电机高速时的稳定速度控制，同时因为采用了低分辨率的低成本脉冲编码器，有效地降低了速度控制***的成本。

附图说明

图1为电机低速情况下，现有的电机速度检测方法示意图。

图2为本发明在电机低速情况下，电机速度检测方法示意图。

图3为本发明在电机高速情况下，电机速度检测方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施例1

现有的速度检测方法中，对脉冲为零的速度控制周期，其周期内的电机速度为零；对于脉冲不为零的速度控制周期，其周期内的电机速度 $n=\frac{60\·M}{P\·T_p}\mathrm{rpm},$ 其中M为该速度控制周期中检测到的脉冲数，P为编码器线数，T_p为脉冲采样间隔。

在电机高速时，每个速度控制周期(脉冲采样间隔T_p与速度控制周期是相等的)内都可以检测到脉冲，但是在电机低速时，速度控制周期内可能检测到脉冲，也可能没有。

如图2所示，电机的速度控制周期和原始的脉冲采样间隔T_p均为T，在前7个速度控制周期中，仅在速度控制周期0-T、2T-3T、5T-6T、6T-7T检测到脉冲。如图2d所示，按照现有的速度检测方法，速度控制周期0-T、2T-3T、5T-6T、6T-7T的电机速度为n0，其他速度控制周期的电机速度为零，具体计算过程不是本发明的主要部分，本领域技术人员了解此过程在此不再累述。这是由于此时电机处于低速状态，脉冲编码器的分辨率不够，不足以在每个速度控制周期(脉冲采样间隔)中检测到脉冲，于是在进行速度控制时，始终得不到实际的电机速度进行闭环控制。

为了在低速下没有检测到脉冲的速度控制周期也能反馈一个符合实际的电机速度，在原始脉冲采样间隔T_p和速度控制周期不变的情况下，可以将脉冲采样间隔虚拟放大，即将原始脉冲采样间隔T_p放大到新的脉冲采样间隔T′_P＝L·T_P，(L为自然数)。从而在新的脉冲采样间隔T′_P时间内检测到M个脉冲，则该速度控制周期内的电机速度 $n=\frac{60\·M}{P\·T_P^{\′}}\mathrm{rpm},$ 其中，M为新的脉冲采样间隔T′_P内检测到的脉冲数。

参见图2b、2c，以下详细描述各速度控制周期是如何将原始脉冲采样间隔T_p进行放大处理并得到电机速度的。速度控制周期0-T检测到脉冲(即非零脉冲速度控制周期)，由于该速度控制周期为第一个速度控制周期，在其之前无零脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(0+1)T_p，得到速度控制周期0-T的电机速度n＝n1＝n0。

速度控制周期T-2T未检测到脉冲(即零脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前，包括速度控制周期T-2T仅有速度控制周期T-2T自身为零脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(1+1)T_p，得到速度控制周期T-2T的电机速度n＝n2＝n0/2。

速度控制周期2T-3T检测到脉冲(即非零脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前仅有邻近的速度控制周期T-2T为零脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(1+1)T_p，得到速度控制周期2T-3T的电机速度n＝n2＝n0/2。

速度控制周期3T-4T未检测到脉冲(即零脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前，包括速度控制周期3T-4T仅有速度控制周期3T-4T自身为零脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(1+1)T_p，得到速度控制周期3T-4T的电机速度n＝n2＝n0/2。

速度控制周期4T-5T未检测到脉冲(即零脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前，包括速度控制周期4T-5T，邻近的速度控制周期3T-4T和速度控制周期4T-5T自身为连续零脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(2+1)T_p，得到速度控制周期4T-5T的电机速度n＝n3＝n0/3。

速度控制周期5T-6T检测到脉冲(即非零脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前邻近的速度控制周期3T-4T和速度控制周期4T-5T为连续零脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(2+1)T_p，得到速度控制周期5T-6T的电机速度n＝n3＝n0/3。

速度控制周期6T-7T检测到脉冲(即非零脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前无邻近的速度控制周期为零脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(0+1)T_p，得到速度控制周期6T-7T的电机速度n＝n1＝n0。后续的速度控制周期可以采用相同的方式进行计算，在此不再累述。

通过上述方法，可以得到连续的电机速度，并且对应电机速度n1、n2、n3，其速度检测分辨率分别提高到原来分辨率的1、1/2、1/3，本实施例在电机低速情况下，电机速度计算结果更为精确。

实施例2

当电机处于高速状态时，每个速度控制周期均可检测到脉冲，如图3a所示，每个速度控制周期都具有至少一个脉冲。在进行处理时，可采用某一速度控制周期的脉冲数作为基准脉冲数，较精确的处理方式是用速度控制周期的最大脉冲数和最小脉冲数进行平均再取整作为基准脉冲数，例如本实施例中速度控制周期的最大脉冲数为3，最小脉冲数为1，因此基准脉冲数应当选取2，如果速度控制周期的最大脉冲数和最小脉冲数进行平均后不为整数，则可在取整后确定基准脉冲数。

确定基准脉冲数后，即可根据基准脉冲数和原始脉冲采样间隔T_p计算基准电机速度N，计算方法在前文已经进行过描述，在此也不再累述。然后每个速度控制周期的脉冲数减去基准脉冲数得到调整脉冲数，如图3b所示，原来脉冲数为2的速度控制周期T-2T、3T-4T、4T-5T、6T-7T的调整脉冲数为零，原来脉冲数为3的速度控制周期0-T、5T-6T的调整脉冲数为1，原来脉冲数为1的速度控制周期2T-3T的调整脉冲为负脉冲，因此调整脉冲数以-1计算。

通过得到的调整脉冲数可以计算每个速度控制周期的调整电机速度，电机速度反馈即基准电机速度和调整电机速度之和。图3e显示了现有方法计算的调整电机速度，速度控制周期T-2T、3T-4T、4T-5T、6T-7T的调整电机速度为0，速度控制周期0-T、5T-6T的调整电机速度为n0，速度控制周期2T-3T的调整电机速度为-n0，每个速度控制周期的调整电机速度再加上基准电机速度即可得到电机速度反馈，但由于基准电机速度和调整电机速度均是在原始脉冲采样间隔T_p下进行计算的，因此电机速度反馈的精度并不是很高。

所以，本实施例中，调整电机速度也与实施例1相同，在原始脉冲采样间隔T_p和速度控制周期不变的情况下，将脉冲采样间隔虚拟放大，即将原始脉冲采样间隔T_p放大到新的脉冲采样间隔T′_P＝L·T_P，(L为自然数)，从而在新的脉冲采样间隔T′_P时间内检测到M个脉冲，以此计算调整电机速度。

参见图3c、3d，速度控制周期0-T的调整脉冲数为1(即非零调整脉冲速度控制周期)，在其之前无零调整脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(0+1)T_p，得到速度控制周期0-T的调整电机速度n＝n1＝n0，速度控制周期0-T的电机速度反馈即为N+n0。

速度控制周期T-2T的调整脉冲数为0(即零调整脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前，包括速度控制周期T-2T仅有速度控制周期T-2T自身为零调整脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(1+1)T_p，得到速度控制周期T-2T的调整电机速度n＝n2＝n0/2，速度控制周期T-2T的电机速度反馈即为N+n0/2。

速度控制周期2T-3T的调整脉冲数为-1(即非零调整脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前仅有邻近的速度控制周期T-2T为零调整脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(1+1)T_p，得到速度控制周期2T-3T的调整电机速度n＝-n2＝-n0/2，速度控制周期2T-3T的电机速度反馈即为N-n0/2。

速度控制周期3T-4T调整脉冲数为0(即零调整脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前，包括速度控制周期3T-4T仅有速度控制周期3T-4T自身为零调整脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(1+1)T_p，得到速度控制周期3T-4T的电机速度n＝-n2＝-n0/2，速度控制周期3T-4T的电机速度反馈即为N-n0/2。

速度控制周期4T-5T调整脉冲数为0(即零调整脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前，包括速度控制周期4T-5T，邻近的速度控制周期3T-4T和速度控制周期4T-5T自身为连续零调整脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(2+1)T_p，得到速度控制周期4T-5T的调整电机速度n＝-n3＝-n0/3，速度控制周期4T-5T的电机速度反馈即为N-n0/3。

速度控制周期5T-6T调整脉冲数为1(即非零调整脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前邻近的速度控制周期3T-4T和速度控制周期4T-5T为连续零调整脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(2+1)T_p，得到速度控制周期5T-6T的调整电机速度n＝n3＝n0/3，速度控制周期5T-6T的电机速度反馈即为N+n0/3。

速度控制周期6T-7T调整脉冲数为0(即零调整脉冲速度控制周期)，在该速度控制周期之前，包括速度控制周期6T-7T仅有速度控制周期6T-7T自身为零调整脉冲速度控制周期，因此该速度控制周期新的脉冲采样间隔T′_P为(1+1)T_p，得到速度控制周期6T-7T的调整电机速度n＝n2＝n0/2，速度控制周期6T-7T的电机速度反馈即为N+n0/2。后续的速度控制周期可以采用相同的方式进行计算调整电机速度，在此不再累述。与实施例1相似，电机在高速情况下，速度计算结果也更加精确了。

实际上，对于本实施例的方法，最适宜于速度控制周期的最大脉冲数差不大于2的情形，因为当最大脉冲数差大于2时，必定会有一个速度控制周期调整脉冲数的绝对值大于1，使得计算的调整脉冲速度不够精确，最终降低了检测到的电机速度反馈的精度。因此，本实施例的方法更适宜于电机高速时速度波动较小的情况，从而可以反馈更精确的电机速度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.电机速度检测方法，电机速度检测过程中，存在零脉冲速度控制周期，其特征在于：对于每个速度控制周期，采用原始速度采样间隔的自然数倍作为新的速度采样间隔，计算新的速度采样间隔内的脉冲数，并根据新的速度采样间隔和新的速度采样间隔内的脉冲数计算该速度控制周期的电机速度，对零脉冲速度控制周期，以该零脉冲速度控制周期之前邻近该零脉冲速度控制周期包括该零脉冲速度控制周期在内的连续零脉冲速度控制周期数+1倍原始速度采样间隔作为新的速度采样间隔。

2.如权利要求1所述的电机速度检测方法，其特征在于：对非零脉冲速度控制周期，以该非零脉冲速度控制周期之前邻近该非零脉冲速度控制周期的连续零脉冲速度控制周期数+1倍原始速度采样间隔作为新的速度采样间隔。

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