CN102200541A - 一种对电机转速进行测量的方法及装置 - Google Patents

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CN102200541A CN 201010132088 CN201010132088A CN102200541A CN 102200541 A CN102200541 A CN 102200541A CN 201010132088 CN201010132088 CN 201010132088 CN 201010132088 A CN201010132088 A CN 201010132088A CN 102200541 A CN102200541 A CN 102200541A
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Abstract

本发明提供了一种对电机转速进行测量的方法及装置，所述测量装置由增量式光电码盘、可编程逻辑控制器、数字信号处理器和数据地址总线组成，利用数字信号处理器实现命令发送、状态查询、数据读取、速度计算等功能；可编程逻辑控制器与数字信号处理器之间通过数据地址总线连接。所述测量方法是对电机转速进行频率周期法(M/T法)测速，并将引入位置量化误差的正交编码脉冲信号定义为假脉冲，使用数字滤波方法和基于方向信号鉴别的方法剔除假脉冲；利用可编程逻辑控制器实现正交脉冲解码、脉冲计数、假脉冲剔除、计数值捕捉等功能。

Description

一种对电机转速进行测量的方法及装置
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，涉及旋转电机转速控制***中电机转速的检测方法和检测装置，具体涉及使用增量式光电码盘作为传感器的电机转速控制***。
背景技术
电机转速控制***中，转速的测量对于转速反馈控制是至关重要的。为了寻求测量精度与***成本之间的平衡，增量式光电码盘被广泛采用。在使用增量式光电码盘作为传感器的转速测量方法中，常用的有频率法、周期法和频率周期法。频率法通过计取固定测量周期内增量式光电码盘的输出脉冲来测量转速，它的特点是高速时测量精度较高，低速时测量精度随转速的降低迅速下降；周期法通过测量增量式光电码盘相邻输出脉冲的时间间隔来测量转速，它的特点是低速时测量精度较高，高速时测量精度随转速的上升迅速下降。频率周期法结合了频率法和周期法的优点，同时使用增量式光电码盘输出脉冲和计时脉冲进行测速，能够在较宽的转速范围内提供精度很高的转速值，是现在被广泛采用的转速测量方法。
频率周期法的关键是确保计时脉冲计数器的启停与增量式光电码盘输出脉冲信号同步，这势必要用到计数器、锁存器、数据计算等功能，通常采用逻辑功能强大的可编程逻辑控制器(CPLD)与运算功能强大的数字信号处理器(DSP)相结合的方式实现。图1、图2给出了现有技术中一种使用可编程逻辑控制器(CPLD)与数字信号处理器(DSP)相结合的方式实现频率周期法测量电机转速的技术方案。
图1表示现有技术使用可编程逻辑控制器2与数字信号处理器3相结合的方式实现频率周期法测量电机转速的硬件技术方案。图1中增量式光电码盘1输出反映电机转角信息的正交编码脉冲A、B信号；此正交编码脉冲信号作为可编程逻辑控制器2的输入，进入可编程逻辑控制器2中的正交编码脉冲整形逻辑单元13整形后输出形状规则的正交编码脉冲信号；整形后的正交编码脉冲信号作为输入进入正交编码脉冲解码逻辑单元12解码后输出脉冲信号和方向信号；解码后的脉冲信号和方向信号作为输入进入码盘脉冲计数器11进行计数；由命令解码逻辑单元7控制脉冲数锁存器9对码盘脉冲计数器11计数值的锁存。图1中固定频率的计时脉冲作为可编程逻辑控制器2的输入，进入可编程逻辑控制器2中的计时脉冲计数器10进行计数；由命令解码逻辑单元7控制计时值锁存器8对计时脉冲计数器10计数值的锁存。计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存状态输出作为输入进入命令与状态寄存器6进行存储。图1中数字信号处理器3与可编程逻辑控制器2之间通过数据地址总线4连接；可编程逻辑控制器2中的读写逻辑单元5对数据地址总线4进行控制，实现数字信号处理器3对可编程逻辑控制器2中的命令与状态寄存器6、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的读写；命令与状态寄存器6中的命令信号作为输入进入命令解码逻辑单元7输出命令解码后的控制信号；命令解码后的控制信号实现对计时值锁存器8、脉冲数锁存器9、计时脉冲计数器10和码盘脉冲计数器11的控制。图1中数字信号处理器根据频率周期法测速时序实现转速检测算法的控制逻辑。
图2是表示现有技术图1中数字信号处理器3的控制时序。图2中TS是转速测量周期，0时刻是每一个转速测量周期的起始时刻，P时刻是每一个转速测量周期的中点时刻，Cp1是0时刻后第一个增量式光电码盘输出脉冲到来瞬间的码盘脉冲计数器的计数值，Cg1是0时刻后第一个增量式光电码盘输出脉冲到来瞬间的计时脉冲计数器的计数值，Cp2是P时刻后第一个增量式光电码盘输出脉冲到来瞬间的码盘脉冲计数器的计数值，Cg2是P时刻后第一个增量式光电码盘输出脉冲到来瞬间的计时脉冲计数器的计数值。此现有技术方案通过锁存0时刻与P时刻后，第一个增量式光电码盘输出脉冲到来瞬间的码盘脉冲计数器的计数值与计时脉冲计数器的计数值来实现计时脉冲计数器的启停与增量式光电码盘输出脉冲的同步。
但现有频率周期法及图1、图2所示的技术方案没有考虑机械振动对转速测量的影响，具体分析如下：
图3是增量式光电码盘结构示意图以及由于机械振动引起增量式光电码盘在脉冲沿位置附近的位置a和位置b之间摆动时的输出脉冲。由图3可知，虽然此时增量式光电码盘的实际角度位置几乎没变，但增量式光电码盘的输出信号经正交编码脉冲解码后包含了可能引起角度位置测量量化误差14的假脉冲信号15。图3中i是脉冲沿位置的角度位置测量值。我们按假脉冲信号在转速测量周期TS内的发生时刻的不同，将假脉冲信号分为a、b、c、d、e五种类型如图4中15a、15b、15c、15d、15e所示。在频率周期法转速计算中，c、d、e类型假脉冲，由于正负脉冲相抵消的原因，不会引入角度位置捕捉值量化误差，从而也不会引起转速计算误差；a、b类型假脉冲，由于发生时刻的特殊性，引入了±1个脉冲的角度位置捕捉值误差，现有频率周期法及图1、图2所示的技术方案通过角度位置的数字微分得到转速，角度位置测量的误差必将导致转速计算值的误差。图4中j是没有机械振动的情况下0时刻后第一个增量式光电码盘输出脉冲到来瞬间的角度位置测量值，m是没有机械振动的情况下0时刻到P时刻之间的TS/2时间内增量式光电码盘输出的脉冲数。
发明内容
为了克服上述频率周期法及现有技术方案的缺点，本发明的目的是提供一种适用于使用增量式光电码盘的电机转速控制***，并且在有机械振动的条件下能够提供准确的电机转速值的测量方法和装置。
为达到上述目的，本发明第一方面是提供一种对电机转速进行测量的方法，该方法使用电机转速测量***含有的增量式光电码盘、可编程逻辑控制器和数字信号处理器，可编程逻辑控制器包括的读写逻辑单元、命令与状态寄存器、命令解码逻辑单元、计时值锁存器、脉冲数锁存器、计时脉冲计数器、码盘脉冲计数器、正交编码脉冲解码逻辑单元、正交编码脉冲整形逻辑单元、数字滤波器、方向信号鉴别器和锁存器使能控制逻辑单元，该方法包括如下：
步骤A1：利用增量式光电码盘输出脉冲信号只在脉冲沿瞬间反应电机真实角度位置信息的特点，通过增量式光电码盘将电机转角信息转换成正交编码脉冲信号；
步骤A2：通过正交编码脉冲整形逻辑单元对正交编码脉冲信号进行施密特整形，得到形状规则的正交编码脉冲信号；
步骤A3：通过数字滤波器对形状规则的正交编码脉冲信号进行低通滤波预处理，使形状规则的正交编码脉冲信号中包含的频率高于数字滤波器截止频率的信号不能通过，从而抑制频率高于数字滤波器截止频率的假脉冲；
步骤A4：通过正交编码脉冲解码逻辑单元对低通滤波之后的正交编码脉冲进行脉冲沿提取和相位关系判断，将低通滤波之后的正交编码脉冲信号解码成脉冲信号和方向信号；
步骤A5：利用码盘脉冲计数器对脉冲信号和方向信号进行计数，得到电机转角信息；利用计时脉冲计数器对计时脉冲进行计数，得到时间信息；
步骤A6：利用方向信号鉴别器对脉冲信号中相邻脉冲的方向进行实时比较，如果脉冲信号中相邻脉冲的方向相同，则是准确反映电机转角信息的正常脉冲信号；如果脉冲信号中相邻脉冲的方向不同，则是不能准确反映电机转角信息的假脉冲信号；
步骤A7：利用锁存器使能控制逻辑单元接收方向信号鉴别器的鉴别结果，如果鉴别结果为正常脉冲信号时，打开计时值锁存器和脉冲数锁存器锁存功能，并由命令解码逻辑单元控制码盘脉冲计数器的计数值与计时脉冲计数器的计数值锁存；如果鉴别结果为假脉冲信号时，锁存器使能控制逻辑单元关闭计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存功能，从而阻止了假脉冲信号进入计时值锁存器和脉冲数锁存器；
步骤A8：数字信号处理器按照频率周期法测速时序通过数据地址总线对可编程逻辑控制器中的命令与状态寄存器进行命令字发送和锁存状态字读取；对计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存值进行读取，过程如下：当命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器中的任一个被选址信号选中时，将被选中的命令与状态寄存器的寄存空间、或计时值锁存器的锁存空间、或脉冲数锁存器的锁存空间对数据地址总线开放，接受数字信号处理器的读写；
步骤A9：数字信号处理器利用读取到的锁存状态字、脉冲数锁存器的锁存值和计时值锁存器的锁存值，使用频率周期法计算电机转速。
其中：所述数字滤波器如下所述：
Figure GSA00000064854400051
Figure GSA00000064854400052
式中：k：离散信号序号；x：滤波器输入信号；y：滤波器输出信号；N：滤波器阶次；其中滤波器阶次N的选取应在遵循以下两个规则的前提下尽量得大：1)滤波引入的时间延迟不能大于转速测量周期；2)不能影响电机在最高速旋转时的正交编码脉冲解码。
其中：可编程逻辑控制器与数字信号处理器相结合的硬件结构和数字信号处理器中的频率周期法测速软件控制流程，通过在可编程逻辑控制器中添加数字滤波器、方向信号鉴别器以及锁存器使能控制逻辑，阻止假脉冲信号触发计时脉冲计数器与码盘脉冲计数器的计数值锁存，消除角度位置量化误差对频率周期法测速的影响，实现对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量。
为达到上述目的，本发明第二方面是提供一种对电机转速进行测量的装置，该装置包括：增量式光电码盘、可编程逻辑控制器和数字信号处理器；
增量式光电码盘的转轴与电机的转轴连接，增量式光电码盘将电机转角信号转变为正交编码脉冲A、B信号；
数字信号处理器的外部总线接口通过数据地址总线与可编程逻辑控制器的读写逻辑单元、命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器连接，数字信号处理器接收可编程逻辑控制器中命令与状态寄存器的状态值、计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存值，并按照频率周期法测速时序输出对可编程逻辑控制器的控制命令；
可编程逻辑控制器与增量式光电码盘连接，接收正交编码脉冲A、B信号，可编程逻辑控制器中的命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器输出状态值和锁存值；所述可编程逻辑控制器包括读写逻辑单元、命令与状态寄存器、命令解码逻辑单元、计时值锁存器、脉冲数锁存器、计时脉冲计数器、码盘脉冲计数器、正交编码脉冲解码逻辑单元、正交编码脉冲整形逻辑单元、数字滤波器、方向信号鉴别器和锁存器使能控制逻辑单元，其中：
正交编码脉冲整形逻辑单元与增量式光电码盘连接，接收正交编码脉冲A、B信号并对正交编码脉冲信号进行施密特整形后，得到形状规则的正交编码脉冲信号；
数字滤波器与正交编码脉冲整形逻辑单元连接，接收并对形状规则的正交编码脉冲信号进行低通滤波，使频率高于数字滤波器截止频率的形状规则正交编码脉冲信号不能通过，抑制频率高于数字滤波器截止频率的假脉冲的发生，获得低通滤波之后的正交编码脉冲；
正交编码脉冲解码逻辑单元与数字滤波器连接，接收并对低通滤波之后的正交编码脉冲进行脉冲沿提取和相位关系判断，将低通滤波之后的正交编码脉冲信号解码为脉冲信号和方向信号；
码盘脉冲计数器与正交编码脉冲解码逻辑单元连接，接收并对脉冲信号和方向信号进行计数，生成并输出脉冲信号和方向信号的计数值；
计时脉冲计数器的输入端接收计时脉冲，对计时脉冲进行计数，生成并输出计时脉冲的计数值；
方向信号鉴别器与正交编码脉冲解码逻辑单元连接，接收并对脉冲信号和方向信号进行鉴别处理，生成并输出与正常脉冲信号对应的逻辑高电平或与假脉冲信号对应的逻辑低电平；
锁存器使能控制逻辑单元输入端分别与方向信号鉴别器的输出端和命令解码逻辑单元的输出端连接，锁存器使能控制逻辑单元接收并对命令解码逻辑单元输出的锁存控制信号、方向信号鉴别器输出的与正常脉冲信号对应的逻辑高电平或与假脉冲信号对应的逻辑低电平进行处理，生成并输出使能控制信号；
计时值锁存器的输入端分别与计时脉冲计数器的输出端和锁存器使能控制逻辑单元输出端连接，接收计时脉冲的计数值和使能控制信号，使能控制信号控制计时值锁存器对计时脉冲计数值进行锁存；
脉冲数锁存器的输入端分别与码盘脉冲计数器的输出端和锁存器使能控制逻辑单元输出端连接，接收脉冲信号和方向信号的计数值和使能控制信号，使能控制信号控制脉冲数锁存器对脉冲信号和方向信号的计数值进行锁存；
命令与状态寄存器的状态输入端连接计时值锁存器和脉冲数锁存器的状态输出端，接收并存储计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存状态；
数据地址总线分别连接读写逻辑单元的输入端、命令与状态寄存器的数据端、计时值锁存器的数据端和脉冲数锁存器的数据端；读写逻辑单元接收数据地址总线上的控制信号，生成并输出选址信号；命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器分别与读写逻辑单元连接，分别接收读写逻辑单元输出的选址信号；当读写逻辑单元选通命令与状态寄存器时，命令与状态寄存器通过数据地址总线接收并存储来自于数字信号处理器的命令字，并向数字信号处理器返回计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存状态；当读写逻辑单元选通计时值锁存器时，计时值锁存器通过数据地址总线向数字信号处理器返回计时值锁存器锁存值；当读写逻辑单元选通脉冲数锁存器时，脉冲数锁存器通过数据地址总线向数字信号处理器返回脉冲数锁存器锁存值；
命令解码逻辑单元的输入端连接命令与状态寄存器的命令字输出端，接收命令与状态寄存器的命令字，并进行命令解码，生成并输出命令解码后的信号包含复位控制信号和锁存控制信号，其中复位控制信号作为输入对计时值锁存器、脉冲数锁存器、计时脉冲计数器、码盘脉冲计数器进行复位控制，锁存控制信号作为输入进入锁存器使能控制逻辑单元。
其中，所述方向信号鉴别器的鉴别处理包括：方向信号鉴别器对输入的脉冲信号中相邻脉冲的方向进行实时比较，如果输入的脉冲信号与其相邻脉冲的方向相同，则是准确反映电机转角信息的正常脉冲信号，方向信号鉴别器通知锁存器使能控制逻辑单元打开计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存功能，由命令解码逻辑单元控制计时值锁存器和脉冲数锁存器对码盘脉冲计数器的计数值与计时脉冲计数器的计数值进行锁存；如果输入脉冲信号与其相邻脉冲的方向不同，则是不能准确反映电机转角信息的假脉冲信号，方向信号鉴别器通知锁存器使能控制逻辑单元关闭计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存功能，待方向相同后再开启锁存器使能控制逻辑单元，从而剔除假脉冲信号。
本发明的有益效果：
本发明提供的对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量方法及装置可消除电机转速控制***中采用增量式正交脉冲数字编码器进行位置检测引入的量化误差对速度测量值的影响，从而得到较准确的速度反馈值，提高速度控制性能。本发明具有如下特点：
1)采用数字滤波器对增量式光电码盘输出脉冲进行预处理，并使用基于方向信号鉴别的假脉冲剔除法将引起角度位置量化误差的假脉冲信号剔除，增强了频率周期测速法对机械振动的鲁棒性；
2)能够有效去除假脉冲现象引起的转速测量误差，从而提高电机控制***的转速控制性能；
3)在原有频率周期测速法的硬件基础上实现，不增加新的硬件成本。
附图说明
图1是表示现有技术使用可编程逻辑控制器与数字信号处理器相结合的方式实现频率周期法测量电机转速的硬件技术方案。
图2是表示现有技术图1中数字信号处理器的控制时序。
图3是表示增量式光电码盘结构示意图，以及在机械振动条件下产生假脉冲，从而可能引起角度位置测量量化误差的示意图。
图4是表示现有技术中根据假脉冲在频率周期法转速测量周期内发生时刻的不同，将假脉冲分为a、b、c、d、e五种类型的示意图。
图5a是表示本发明中采用数字滤波器和基于方向信号鉴别的假脉冲剔除法对假脉冲信号进行抑制，实现对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量所使用的硬件技术方案。
图5b是本发明中数字信号处理器的控制时序及软件流程图。
图6是本发明对电机转速进行测量的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明具体涉及使用增量式光电码盘作为传感器的电机转速控制***，例如：永磁同步交流伺服***、直流伺服***、矢量控制变频器。
图5a给出了本发明使用可编程逻辑控制器与数字信号处理器相结合的方式实现对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量装置，该装置的硬件技术方案包括：增量式光电码盘1、可编程逻辑控制器2’、数字信号处理器3和数据地址总线4，其中可编程逻辑控制器2’可选EPM570、EPM1270、EPM2210等型号，数字信号处理器3可选TMS320F2812、TMS320F206、TMS320LF2407等型号。可编程逻辑控制器2’与数字信号处理器3之间通过数据地址总线4连接，作为状态、命令等数据的传输通道。
增量式光电码盘的转轴与电机的转轴连接，增量式光电码盘1将电机转角信号转变为正交编码脉冲A、B信号；
数字信号处理器3的外部总线接口通过数据地址总线4与可编程逻辑控制器2’的读写逻辑单元5、命令与状态寄存器6、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9连接，数字信号处理器3接收可编程逻辑控制器2’中命令与状态寄存器6的状态值、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存值，并按照频率周期法测速时序输出对可编程逻辑控制器2’的控制命令；
可编程逻辑控制器2’与增量式光电码盘1连接，接收正交编码脉冲A、B信号，可编程逻辑控制器2’中的命令与状态寄存器6、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9输出状态值和锁存值；图5a所示方案中的可编程逻辑控制器2’包括：读写逻辑单元5、命令与状态寄存器6、命令解码逻辑单元7、计时值锁存器8、脉冲数锁存器9、计时脉冲计数器10和码盘脉冲计数器11、正交编码脉冲解码逻辑单元12、正交编码脉冲整形逻辑单元13、数字滤波器16、方向信号鉴别器17和锁存器使能控制逻辑单元18，其中：
正交编码脉冲整形逻辑单元13与增量式光电码盘1连接，接收正交编码脉冲A、B信号并对正交编码脉冲信号进行施密特整形后，得到形状规则的正交编码脉冲信号；数字滤波器16与正交编码脉冲整形逻辑单元13连接，接收并对形状规则的正交编码脉冲信号进行低通滤波，使频率高于数字滤波器16截止频率的形状规则正交编码脉冲信号不能通过，抑制频率高于数字滤波器16截止频率的假脉冲的发生，获得低通滤波之后的正交编码脉冲；正交编码脉冲解码逻辑单元13与数字滤波器16连接，接收并对低通滤波之后的正交编码脉冲进行脉冲沿提取和相位关系判断，将低通滤波之后的正交编码脉冲信号转换为脉冲信号和方向信号；码盘脉冲计数器11与正交编码脉冲解码逻辑单元13连接，接收并对脉冲信号和方向信号进行计数，生成并输出脉冲信号和方向信号的计数值；计时脉冲计数器8的输入端接收计时脉冲，对计时脉冲进行计数，生成并输出计时脉冲的计数值；方向信号鉴别器17与正交编码脉冲解码逻辑单元12连接，接收并对脉冲信号和方向信号进行鉴别处理，生成并输出与正常脉冲信号对应的逻辑高电平或与假脉冲信号对应的逻辑低电平；锁存器使能控制逻辑单元18的输入端分别与方向信号鉴别器17的输出端和命令解码逻辑单元7的输出端连接，锁存器使能控制逻辑单元18接收并对命令解码逻辑单元7输出的锁存控制信号及方向信号鉴别器17输出的与正常脉冲信号对应的逻辑高电平或与假脉冲信号对应的逻辑低电平进行处理，生成并输出使能控制信号；计时值锁存器8的输入端分别与计时脉冲计数器10的输出端和锁存器使能控制逻辑单元18的输出端连接，接收计时脉冲的计数值和使能控制信号，使能控制信号控制计时值锁存器10对计时脉冲计数值进行锁存；脉冲数锁存器9的输入端分别与码盘脉冲计数器11的输出端和锁存器使能控制逻辑单元1的8输出端连接，接收脉冲信号和方向信号的计数值和使能控制信号，使能控制信号控制脉冲数锁存器9对脉冲信号和方向信号的计数值进行锁存；命令与状态寄存器6的状态输入端连接计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的状态输出端，接收并存储计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存状态；数据地址总线4分别连接读写逻辑单元5的输入端、命令与状态寄存器6的数据端、计时值锁存器8的数据端和脉冲数锁存器9的数据端；读写逻辑单元5接收数据地址总线4上的控制信号，生成并输出选址信号；命令与状态寄存器6、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9分别与读写逻辑单元5连接，分别接收读写逻辑单元5输出的选址信号；当读写逻辑单元5选通命令与状态寄存器6时，命令与状态寄存器6通过数据地址总线4接收并存储来自于数字信号处理器3的命令字，并向数字信号处理器3返回计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存状态；当读写逻辑单元5选通计时值锁存器8时，计时值锁存器8通过数据地址总线4向数字信号处理器3返回计时值锁存器8的锁存值；当读写逻辑单元5选通脉冲数锁存器9时，脉冲数锁存器9通过数据地址总线4向数字信号处理器3返回脉冲数锁存器9的锁存值；命令解码逻辑单元7的输入端连接命令与状态寄存器6的命令字输出端，接收命令与状态寄存器6的命令字，并进行命令解码，生成并输出命令解码后的信号包含复位控制信号和锁存控制信号，其中复位控制信号作为输入对计时值锁存器8、脉冲数锁存器9、计时脉冲计数器10、码盘脉冲计数器11进行复位控制，锁存控制信号作为输入进入锁存器使能控制逻辑单元18。
本发明中数字信号处理器3的软件流程采用图5b所示的方案，所述数字信号处理器3软件流程中，转速测量周期定时中断通过数字信号处理器3中的通用定时器中断实现；0时刻中断和P时刻中断的判别通过读取数字信号处理器3中通用定时计数器的计时值实现；对可编程逻辑控制器2’的状态和数据的读取通过数据地址总线4实现；相关浮点数学运算通过Q格式实现；可编程逻辑控制器2’中锁存功能的使能控制通过向其发送特定命令实现。
如图5b示出数字信号处理器3的软件流程包括步骤如下：
步骤S1：电机的转速测量定时中断开始；
步骤S2：判断电机转速测量是0时刻中断还是P时刻中断，如果是0时刻中断则执行步骤S3，如果是P时刻中断则执行步骤S8；
步骤S3：通过数据地址总线4读取可编程逻辑控制器2’中的命令与状态寄存器6的状态字、计时值锁存器8的锁存值和脉冲数锁存器9的锁存值；
步骤S4：如果可编程逻辑控制器2’中的命令与状态寄存器6的状态字显示计时值锁存器8的锁存值Cg1和Cg2和脉冲数锁存器9的锁存值Cp1和Cp2都已准备好，则执行步骤S5，如果可编程逻辑控制器2’的状态显示计时值锁存器8的锁存值Cg1和Cg2和脉冲数锁存器9的锁存值Cp1和Cp2没有准备好，则执行步骤S6；
步骤S5：根据频率周期法的转速计算公式
Figure GSA00000064854400111
计算电机转速；
其中n是测量得到的电机转速，P是增量式光电码盘旋转一周输出的脉冲数，Tc是计时脉冲的计时周期；
步骤S6：令测量得到的电机转速为0，复位可编程逻辑控制器2’中的计时值锁存器8和脉冲数锁存器9；
步骤S7：使能可编程逻辑控制器2’中的脉冲数锁存器9的锁存值Cp1和计时值锁存器8的锁存值Cg1；
步骤S8：使能并捕捉可编程逻辑控制器2’中的脉冲数锁存器9的锁存值Cp2和计时值锁存器8的锁存值Cg2；
步骤S9：程序结束，返回。
图5a中增量式光电码盘1输出包含电机转角信息的正交编码脉冲A、B信号；此正交编码脉冲信号作为可编程逻辑控制器2’的输入，进入可编程逻辑控制器2’中的正交编码脉冲整形逻辑单元13对正交编码脉冲信号进行施密特整形后，得到形状规则的正交编码脉冲信号；此形状规则的正交编码脉冲信号作为输入进入数字滤波器16进行低通滤波，使频率高于数字滤波器16截止频率的形状规则正交编码脉冲信号不能通过，得到低通滤波之后的正交编码脉冲，从而抑制了频率高于数字滤波器16截止频率的假脉冲的发生；经过数字滤波器16低通滤波之后的正交编码脉冲作为输入进入正交编码脉冲解码逻辑单元12，正交编码脉冲解码逻辑单元12对低通滤波后的正交编码脉冲进行脉冲沿提取和低通滤波的正交编码脉冲信号间的相位关系判断，将低通滤波后的正交编码脉冲信号转换为脉冲信号和方向信号；脉冲信号和方向信号作为输入进入码盘脉冲计数器11进行计数；同时脉冲信号和方向信号作为输入进入方向信号鉴别器17并进行如下鉴别处理：方向信号鉴别器17对输入脉冲信号中相邻脉冲的方向进行实时比较，如果输入脉冲信号与相邻脉冲的方向相同，则说明是准确反映电机转角信息的正常脉冲信号，方向信号鉴别器17通知锁存器使能控制逻辑单元18打开计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存功能，由命令解码逻辑单元7控制码盘脉冲计数器11的计数值与计时脉冲计数器10的计数值锁存；如果相邻脉冲的方向不同，则说明是不能准确反映电机转角信息的假脉冲信号，方向信号鉴别器17通知锁存器使能控制逻辑单元18关闭计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存功能，待方向正确后再开启，从而剔除假脉冲信号；图5a中固定频率的计时脉冲作为可编程逻辑控制器2’的输入，进入可编程逻辑控制器2’中的计时脉冲计数器10进行计数；计时脉冲计数器10的计数值作为输入进入计时值锁存器8，计时值锁存器8进行如下处理：如果计时值锁存器8得到锁存器使能控制逻辑单元18的使能信号则将计时脉冲计数器10的计数值进行锁存；码盘脉冲计数器11的计数值作为输入进入脉冲数锁存器9，脉冲数锁存器9进行如下处理：如果脉冲数锁存器9得到锁存器使能控制逻辑单元18的使能信号则将码盘脉冲计数器11的计数值进行锁存；命令与状态寄存器6的命令字存储值作为输入进入命令解码逻辑单元7，命令解码逻辑单元7进行命令解码，命令解码后的信号包含复位控制信号和锁存控制信号，其中复位控制信号作为输入对计时值锁存器8、脉冲数锁存器9、计时脉冲计数器10和码盘脉冲计数器11进行复位清零控制；锁存控制信号作为输入进入锁存器使能控制逻辑单元18，锁存器使能控制逻辑单元18进行如下处理：命令解码逻辑单元7输出的锁存控制信号与方向信号鉴别器17的输出信号进行“与”逻辑运算，得到锁存使能信号；锁存使能信号作为输入控制计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存；计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存状态输出作为输入进入命令与状态寄存器6进行存储；数据地址总线4上的信号作为输入进入读写逻辑单元5，读写逻辑单元5进行如下处理：读写逻辑单元5根据输入信号中包含的控制信息得到选址信号；选址信号作为控制信号对命令与状态寄存器6、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9进行如下控制：当命令与状态寄存器6、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9中的任一个被选址信号选中，将命令与状态寄存器6的寄存空间、或计时值锁存器8的锁存空间、或脉冲数锁存器9的锁存空间分别对数据地址总线4开放，分别接受数字信号处理器3的读写。
图5a所示的可编程逻辑控制器2’中各逻辑模块的实现方式如下：读写逻辑单元5通过参考相应的数字处理器3的外部总线接口协议使用高速集成电路硬件描述语言(VHDL)代码实现；命令与状态寄存器6通过高速集成电路硬件描述语言的信号变量实现；命令解码逻辑单元7通过高速集成电路硬件描述语言的开关(switch)语句实现；计时值锁存器8和脉冲数锁存器9通过阿尔特拉公司(ALTERA)提供的锁存器宏单元实现；计时脉冲计数器10和码盘脉冲计数器11通过阿尔特拉公司提供的计数器宏单元实现；正交编码脉冲解码逻辑12通过脉冲沿提取和判断正交编码脉冲间的相位关系实现；正交编码脉冲整形逻辑13通过施密特触发器实现；数字滤波器16、方向信号鉴别器17和锁存器使能控制逻辑单元18通过高速集成电路硬件描述语言代码实现。
增量式光电码盘1在机械振动环境中的输出信号经过正交编码脉冲整形逻辑单元13整形并经正交编码脉冲解码逻辑单元12解码后，可能包含引起位置量化误差14的假脉冲信号15。基于方向信号鉴别的假脉冲剔除法采用图5b所示的数字方式实现，必定会引入一定的延迟，从而只具有有限的通频带宽度，所以数字滤波器16的阶次在引入的时间延迟不能大于转速测量周期和电机以最高速旋转时的正交编码脉冲解码的前提下应尽量的大，这样通过数字滤波之后的正交编码脉冲信号中剩余的假脉冲频率会尽量的低，能够被具有有限通频带宽度的基于方向信号鉴别的假脉冲剔除法所剔除。
图6示出本发明对电机转速进行测量的方法流程图，此流程图包含步骤如下：
步骤A1：利用增量式光电码盘1输出脉冲信号只在脉冲沿瞬间反应电机真实角度位置信息的特点，通过增量式光电码盘1将电机转角信息转换成正交编码脉冲信号；
步骤A2：通过正交编码脉冲整形逻辑单元13对正交编码脉冲信号进行施密特整形，得到形状规则的正交编码脉冲信号；
步骤A3：通过数字滤波器16对形状规则的正交编码脉冲信号进行低通滤波预处理，使形状规则的正交编码脉冲信号中包含的频率高于数字滤波器16截止频率的信号不能通过，从而抑制频率高于数字滤波器16截止频率的假脉冲；
步骤A4：通过正交编码脉冲解码逻辑单元12对低通滤波之后的正交编码脉冲进行脉冲沿提取和相位关系判断，将低通滤波之后的正交编码脉冲信号解码成脉冲信号和方向信号；
步骤A5：利用码盘脉冲计数器11对脉冲信号和方向信号进行计数，得到电机转角信息；利用计时脉冲计数器10对计时脉冲进行计数，得到时间信息；
步骤A6：利用方向信号鉴别器17对脉冲信号中相邻脉冲的方向进行实时比较，如果脉冲信号中相邻脉冲的方向相同，则是准确反映电机转角信息的正常脉冲信号；如果脉冲信号中相邻脉冲的方向不同，则是不能准确反映电机转角信息的假脉冲信号；
步骤A7：利用锁存器使能控制逻辑单元18接收方向信号鉴别器17的鉴别结果，如果鉴别结果为正常脉冲信号时，打开计时值锁存器8和脉冲数锁存器9锁存功能，并由命令解码逻辑单元7控制码盘脉冲计数器11的计数值与计时脉冲计数器的计数值锁存；如果鉴别结果为假脉冲信号时，锁存器使能控制逻辑单元18关闭计时值锁存器10和脉冲数锁存器9的锁存功能，从而阻止了假脉冲信号进入计时值锁存器10和脉冲数锁存器9；
步骤A8：数字信号处理器3按照频率周期法测速时序通过数据地址总线4对可编程逻辑控制器2’中的命令与状态寄存器6进行命令字发送和锁存状态字读取；对计时值锁存器8和脉冲数锁存器9的锁存值进行读取，过程如下：当命令与状态寄存器6、计时值锁存器8和脉冲数锁存器9中的任一个被选址信号选中时，将被选中的命令与状态寄存器6的寄存空间、或计时值锁存器8的锁存空间、或脉冲数锁存器9的锁存空间对数据地址总线4开放，接受数字信号处理器3的读写；
步骤A9：数字信号处理器3利用读取到的锁存状态字、脉冲数锁存器9的锁存值和计时值锁存器8的锁存值，使用频率周期法计算电机转速。
所述数字滤波器16如下式所述：
Figure GSA00000064854400151
Figure GSA00000064854400152
式中：k：离散信号序号；x：滤波器输入信号；y：滤波器输出信号；N：滤波器阶次；
其中滤波器阶次N的选取应在遵循以下两个规则的前提下尽量得大：
1)滤波引入的时间延迟不能大于转速测量周期；
2)不能影响电机在最高速旋转时的正交编码脉冲解码。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量方法，其特征在于，该方法使用电机转速测量***含有的增量式光电码盘、可编程逻辑控制器和数字信号处理器，可编程逻辑控制器包括的读写逻辑单元、命令与状态寄存器、命令解码逻辑单元、计时值锁存器、脉冲数锁存器、计时脉冲计数器、码盘脉冲计数器、正交编码脉冲解码逻辑单元、正交编码脉冲整形逻辑单元、数字滤波器、方向信号鉴别器和锁存器使能控制逻辑单元，该方法包括如下：
步骤A1：利用增量式光电码盘输出脉冲信号只在脉冲沿瞬间反应电机真实角度位置信息的特点，通过增量式光电码盘将电机转角信息转换成正交编码脉冲信号；
步骤A2：通过正交编码脉冲整形逻辑单元对正交编码脉冲信号进行施密特整形，得到形状规则的正交编码脉冲信号；
步骤A3：通过数字滤波器对形状规则的正交编码脉冲信号进行低通滤波预处理，使形状规则的正交编码脉冲信号中包含的频率高于数字滤波器截止频率的信号不能通过，从而抑制频率高于数字滤波器截止频率的假脉冲；
步骤A4：通过正交编码脉冲解码逻辑单元对低通滤波之后的正交编码脉冲进行脉冲沿提取和相位关系判断，将低通滤波之后的正交编码脉冲信号解码成脉冲信号和方向信号；
步骤A5：利用码盘脉冲计数器对脉冲信号和方向信号进行计数，得到电机转角信息；利用计时脉冲计数器对计时脉冲进行计数，得到时间信息；
步骤A6：利用方向信号鉴别器对脉冲信号中相邻脉冲的方向进行实时比较，如果脉冲信号中相邻脉冲的方向相同，则是准确反映电机转角信息的正常脉冲信号；如果脉冲信号中相邻脉冲的方向不同，则是不能准确反映电机转角信息的假脉冲信号；
步骤A7：利用锁存器使能控制逻辑单元接收方向信号鉴别器的鉴别结果，如果鉴别结果为正常脉冲信号时，打开计时值锁存器和脉冲数锁存器锁存功能，并由命令解码逻辑单元控制码盘脉冲计数器的计数值与计时脉冲计数器的计数值锁存；如果鉴别结果为假脉冲信号时，锁存器使能控制逻辑单元关闭计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存功能，从而阻止了假脉冲信号进入计时值锁存器和脉冲数锁存器；
步骤A8：数字信号处理器按照频率周期法测速时序通过数据地址总线对可编程逻辑控制器中的命令与状态寄存器进行命令字发送和锁存状态字读取；对计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存值进行读取，过程如下：当命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器中的任一个被选址信号选中时，将被选中的命令与状态寄存器的寄存空间、或计时值锁存器的锁存空间、或脉冲数锁存器的锁存空间对数据地址总线开放，接受数字信号处理器的读写；
步骤A9：数字信号处理器利用读取到的锁存状态字、脉冲数锁存器的锁存值和计时值锁存器的锁存值，使用频率周期法计算电机转速。
2.如权利要求1所述的对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量方法，其特征在于：所述数字滤波器如下所述：
Figure FSA00000064854300021
式中：k：离散信号序号；x：滤波器输入信号；y：滤波器输出信号；N：滤波器阶次；
其中滤波器阶次N的选取应在遵循以下两个规则的前提下尽量得大：
1)滤波引入的时间延迟不能大于转速测量周期；
2)不能影响电机在最高速旋转时的正交编码脉冲解码。
3.如权利要求1所述对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量方法，其特征在于：可编程逻辑控制器与数字信号处理器相结合的硬件结构和数字信号处理器中的频率周期法测速软件控制流程，通过在可编程逻辑控制器中添加数字滤波器、方向信号鉴别器以及锁存器使能控制逻辑，阻止假脉冲信号触发计时脉冲计数器与码盘脉冲计数器的计数值锁存，消除角度位置量化误差对频率周期法测速的影响，实现对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量。
4.一种利用权利要求1所述方法的对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量装置，其特征在于，该装置包括：增量式光电码盘、可编程逻辑控制器和数字信号处理器，具体结构如下；
增量式光电码盘的转轴与电机的转轴连接，增量式光电码盘将电机转角信号转变为正交编码脉冲A、B信号；
数字信号处理器的外部总线接口通过数据地址总线与可编程逻辑控制器的读写逻辑单元、命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器连接，数字信号处理器接收可编程逻辑控制器中命令与状态寄存器的状态值、计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存值，并按照频率周期法测速时序输出对可编程逻辑控制器的控制命令；
可编程逻辑控制器与增量式光电码盘连接，接收正交编码脉冲A、B信号，可编程逻辑控制器中的命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器输出状态值和锁存值；所述可编程逻辑控制器包括读写逻辑单元、命令与状态寄存器、命令解码逻辑单元、计时值锁存器、脉冲数锁存器、计时脉冲计数器、码盘脉冲计数器、正交编码脉冲解码逻辑单元、正交编码脉冲整形逻辑单元、数字滤波器、方向信号鉴别器和锁存器使能控制逻辑单元，其中：
正交编码脉冲整形逻辑单元与增量式光电码盘连接，接收正交编码脉冲A、B信号并对正交编码脉冲信号进行施密特整形后，得到形状规则的正交编码脉冲信号；
数字滤波器与正交编码脉冲整形逻辑单元连接，接收并对形状规则的正交编码脉冲信号进行低通滤波，使频率高于数字滤波器截止频率的形状规则正交编码脉冲信号不能通过，抑制频率高于数字滤波器截止频率的假脉冲的发生，获得低通滤波之后的正交编码脉冲；
正交编码脉冲解码逻辑单元与数字滤波器连接，接收并对低通滤波之后的正交编码脉冲进行脉冲沿提取和相位关系判断，将低通滤波之后的正交编码脉冲信号解码为脉冲信号和方向信号；
码盘脉冲计数器与正交编码脉冲解码逻辑单元连接，接收并对脉冲信号和方向信号进行计数，生成并输出脉冲信号和方向信号的计数值；
计时脉冲计数器的输入端接收计时脉冲，对计时脉冲进行计数，生成并输出计时脉冲的计数值；
方向信号鉴别器与正交编码脉冲解码逻辑单元连接，接收并对脉冲信号和方向信号进行鉴别处理，生成并输出与正常脉冲信号对应的逻辑高电平或与假脉冲信号对应的逻辑低电平；
锁存器使能控制逻辑单元输入端分别与方向信号鉴别器的输出端和命令解码逻辑单元的输出端连接，锁存器使能控制逻辑单元接收并对命令解码逻辑单元输出的锁存控制信号、方向信号鉴别器输出的与正常脉冲信号对应的逻辑高电平或与假脉冲信号对应的逻辑低电平进行处理，生成并输出使能控制信号；
计时值锁存器的输入端分别与计时脉冲计数器的输出端和锁存器使能控制逻辑单元输出端连接，接收计时脉冲的计数值和使能控制信号，使能控制信号控制计时值锁存器对计时脉冲计数值进行锁存；
脉冲数锁存器的输入端分别与码盘脉冲计数器的输出端和锁存器使能控制逻辑单元输出端连接，接收脉冲信号和方向信号的计数值和使能控制信号，使能控制信号控制脉冲数锁存器对脉冲信号和方向信号的计数值进行锁存；
命令与状态寄存器的状态输入端连接计时值锁存器和脉冲数锁存器的状态输出端，接收并存储计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存状态；
数据地址总线分别连接读写逻辑单元的输入端、命令与状态寄存器的数据端、计时值锁存器的数据端和脉冲数锁存器的数据端；读写逻辑单元接收数据地址总线上的控制信号，生成并输出选址信号；命令与状态寄存器、计时值锁存器和脉冲数锁存器分别与读写逻辑单元连接，分别接收读写逻辑单元输出的选址信号；当读写逻辑单元选通命令与状态寄存器时，命令与状态寄存器通过数据地址总线接收并存储来自于数字信号处理器的命令字，并向数字信号处理器返回计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存状态；当读写逻辑单元选通计时值锁存器时，计时值锁存器通过数据地址总线向数字信号处理器返回计时值锁存器锁存值；当读写逻辑单元选通脉冲数锁存器时，脉冲数锁存器通过数据地址总线向数字信号处理器返回脉冲数锁存器锁存值；
命令解码逻辑单元的输入端连接命令与状态寄存器的命令字输出端，接收命令与状态寄存器的命令字，并进行命令解码，生成并输出命令解码后的信号包含复位控制信号和锁存控制信号，其中复位控制信号作为输入对计时值锁存器、脉冲数锁存器、计时脉冲计数器、码盘脉冲计数器进行复位控制，锁存控制信号作为输入进入锁存器使能控制逻辑单元。
5.根据权利要求4所述的对机械振动具有鲁棒性的电机转速测量装置，其特征在于，所述方向信号鉴别器的鉴别处理包括：方向信号鉴别器对输入的脉冲信号中相邻脉冲的方向进行实时比较，如果输入的脉冲信号与其相邻脉冲的方向相同，则是准确反映电机转角信息的正常脉冲信号，方向信号鉴别器通知锁存器使能控制逻辑单元打开计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存功能，由命令解码逻辑单元控制计时值锁存器和脉冲数锁存器对码盘脉冲计数器的计数值与计时脉冲计数器的计数值进行锁存；如果输入脉冲信号与其相邻脉冲的方向不同，则是不能准确反映电机转角信息的假脉冲信号，方向信号鉴别器通知锁存器使能控制逻辑单元关闭计时值锁存器和脉冲数锁存器的锁存功能，待方向相同后再开启锁存器使能控制逻辑单元，从而剔除假脉冲信号。
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