CN106932604A - 电机实时测速方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电机实时测速方法，包括以下步骤：步骤1，接收来自电机的脉冲信号；步骤2，获得测速周期时长，并使相邻两个测速周期首尾相连；步骤3，记录当前测速周期的结束时刻；步骤4，记录该脉冲的数量和最后一个脉冲的时刻；步骤5，结束时刻和最后一个脉冲的时刻之间的时间差作为后调整窗；步骤6，将前一测速周期的后调整窗作为前调整窗；步骤7，将该当前测速周期的时长加上前调整窗且减去后调整窗，得到调整周期时长，结合脉冲的数量，计算出该电机的实时速度。本发明提供的电机实时测速方法，采用前后调整窗，使调整后的周期是整数个脉冲的时长，能够获得精确的电机实时速度。避免了传统MT算法检测电机速度时无法避免的误差。

Description

电机实时测速方法及***

技术领域

本发明主要涉及电机测速领域。尤其涉及一种对内置编码器的电机进行高精度实时测速方法及***。

背景技术

由于电机具有体积小、扭矩大、噪音低、易于操控等特点，在许多工业领域都有十分重要的作用。速度测量是电机控制***中最基本的需求之一。针对内置编码器的电机的测速，现有常规的测试方法有测频率(M测速法)和测周期(T测速法)，频率、周期切换测量(MT测速法)。

M测速法通过测量固定周期内的脉冲数，并根据脉冲数和周期时长计算转速。M测速法因存在测量时间内首尾脉冲状态不确定的现象，最大可能会有近1个脉冲的误差。特别是在速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差的占比会变大，所以M测速法宜测量高速。T测速法是测量两个脉冲之间的时间，从而得到转速。因存在半个时间单位的问题，可能会有1个时间单位的误差。速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T测速法宜测量低速。MT测速法则将M测速法与T测速法相结合，在低速时采用T测速法测周期、在高速时采用M测速法测频率。

以上三种现有的测速方法，M测速法与T测速法在全程测速中各自存在的不足在上述中亦已说明，对于MT测速法，在测速过程中，将整个速度测量过程分为低、高两段速区间分别进行处理，较单独的采用M测速法或T测速法测速在全过程测速精度方面有了较大的改善，因而普遍的运用于需要对电机转速进行高精度测量的领域。但是MT测速法依然存在以下不足：

1.M测速法与T测速法的切换需要一个确定的速度切换点，在速度测量切换点附近，势必存在速度测量周期突变的状态，导致速度测量周期不稳定或变化不连续。

2.在高速状态下采用M测速法进行速度测量，依然存在最大可能会有近1个脉冲的误差，虽然由于高速状态下一个测速周期内观测到的速度信号脉冲数相对低速状态下较多，但依然不能消除近1个脉冲的误差。这样的误差对于需要高精度实施测速的场合是不可接受的。

3.为了确保误差较低，必须在单个测速周期内有多次脉冲(例如100次)时才进行切换，因此导致测速周期较长，不利于控制周期的设定。

为了解决以上问题，有必要提出一种新的电机实时测速方法及***。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能在各种速度下对电机进行高精度实时测速，并且使测速周期可以完全根据控制周期的需要确定的测速方法及***。

为解决上述技术问题中的至少一个，本发明提供了一种电机实时测速方法，包括以下步骤：步骤1，接收来自电机的脉冲信号；步骤2，获得测速周期时长，并使相邻两个测速周期首尾相连；步骤3，记录当前测速周期的结束时刻；步骤4，记录该当前测速周期内的脉冲的数量和该当前测速周期内最后一个脉冲的时刻；步骤5，将该当前测速周期的结束时刻和该当前测速周期内最后一个脉冲的时刻之间的时间差作为后调整窗；步骤6，将前一测速周期的后调整窗作为当前测速周期的前调整窗；步骤7，将该当前测速周期的时长加上前调整窗且减去后调整窗，根据该调整周期时长和该当前测速周期内的脉冲的数量，计算出该电机的实时速度。

根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的电机实时测速方法还包括以下步骤：记录该当前测速周期内的脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量，并将该脉冲上升沿的数量或该脉冲下降沿的数量作为该脉冲信号的数量；记录该当前测速周期内最后一个脉冲的脉冲上升沿的时刻或者该当前测速周期内最后一个脉冲下降沿的时刻作为该当前测速周期内最后一个脉冲的时刻。

根据本发明的至少一个实施例，该步骤2进一步包括以下步骤：步骤2.1，将该测速周期时长设为预设测速周期时长；步骤2.2，判断该当前测速周期内是否包含至少一个脉冲，若判断为该当前测速周期内包含至少一个脉冲，则转到步骤3并使相邻两个测速周期首尾相连；步骤2.3，若判断为该当前测速周期内不包含一个脉冲，则转到步骤2.4；步骤2.4，将测速周期时长改为当前的测速周期时长与预设测速周期时长的和，并跳转至步骤2.2。

根据本发明的至少一个实施例，还包含以下步骤：间歇性的将该测速周期时长修改为预设测速周期时长，并跳转至步骤2.2。

为解决上述技术问题中的至少一个，本发明还提供一种电机实时测速***，包括：控制器和处理器；该控制器与该电机电连接，并执行下述步骤：接收来自电机的脉冲信号，在每个测速周期开始时计时，直至达到所获得的测速周期的时长，并记录当前测速周期的结束时刻；记录该当前测速周期内的该脉冲信号的数量和该当前测速周期内最后一个脉冲的时刻；将该当前测速周期的结束时刻和该当前测速周期内最后一个脉冲的时刻的时间差，作为后调整窗；该处理器与该控制器电连接，并执行下述步骤：从该控制器获得该当前测速周期时长、该后调整窗和该脉冲信号的数量；将上一测速周期的后调整窗作为该当前测速周期的前调整窗，将该当前测速周期的时长加上前调整窗且减去后调整窗，得到调整周期时长；根据该调整周期时长和该当前测速周期内的脉冲的数量，计算出该电机的实时速度；其中该当前测速周期和该前一测速周期首尾相连。

根据本发明的至少一个实施例，该控制器记录该当前测速周期内的脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量，并将该脉冲上升沿的数量或该脉冲下降沿的数量作为该脉冲信号的数量；该控制器记录该当前测速周期内最后一个脉冲的脉冲上升沿的时刻或者该当前测速周期内最后一个脉冲下降沿的时刻作为该当前测速周期内最后一个脉冲的时刻。

根据本发明的至少一个实施例，该处理器通过总线的方式，或通过访问该控制器的内存的方式从该控制器获得该当前测速周期的时长、该后调整窗和该脉冲信号的数量。

根据本发明的至少一个实施例，本发明提供的一种电机实时测速***还包括测速周期确定模块；该测速周期确定模块根据该脉冲信号的数量是否大于零，判断该当前测速周期内是否包含至少一个脉冲，若判断为该当前测速周期内不包含脉冲，则将测速周期时长改为当前测速周期时长与预设测速周期时长的和。

根据本发明的至少一个实施例，该测速周期确定模块间歇性的将该测速周期时长设置为该预设测速周期时长，并在每次将该测速周期时长设置为预设测速周期时长后立即判断该当前测速周期内是否包含至少一个脉冲。

根据本发明的至少一个实施例，该控制器是FPGA或CPLD；以及/或者该处理器是DSP处理器或ARM处理器。

与现有技术相比，本发明提供的电机实时测速方法，由于采用前后调整窗，使调整后的调整周期是整数个脉冲的时长，进而能够获得精确的测量电机实时速度。避免了传统MT算法检测电机速度时无法避免的误差。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1是本发明的电机实时测速方法的一个可选的实施例的流程框图；

图2是本发明的电机实时测速方法的另一个可选的实施例的算法原理图；

图3是本发明的电机实时测速方法的又一个可选的实施例的测速周期时长确定方法的流程图；

图4是本发明的电机实时测速***的一个可选的实施例的结构框图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

参考图1，本发明提供的电机实时测速方法，主要包括以下步骤：

步骤101，接收来自电机的脉冲信号。脉冲信号可以直接或者间接来自于电机。例如电机自身带有编码器，编码器能够产生与电机转速相应的脉冲。在当前步骤中，可以通过直接或者间接的方式接收这一脉冲信号。

步骤102，获得测速周期时长T，并使相邻两个测速周期首尾相连。在当前步骤中，获得测速周期时长T的方式可以是通过计算、读取等方式。在获得测速周期时长T后，以此测速周期时长T进行持续的计时。持续计时的具体方法可以是，在每个测速周期结束时马上开始下一测速周期。

步骤103，记录当前测速周期的结束时刻Tend。

步骤104，记录当前测速周期内的脉冲的数量n和当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn。记录当前测速周期内的脉冲的数量n的意义在于，间接的获知在这一测速周期内，电机旋转了多少圈。记录当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn的方法可以是多样的。可选的方法可以是，记录每一个脉冲的时刻，再确定哪一个脉冲是当前测速周期内最后一个脉冲，并记录当前测速周期内最后一个脉冲对应的时刻Tn。

步骤105，将当前测速周期的结束时刻Tend和当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn之间的时间差Tend-Tn作为后调整窗t2。由于在步骤103和步骤104中已经获得了当前测速周期的结束时刻Tend和当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn，因此后调整窗t2可以通过确定两者的时间差获得。另外，由于当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn必然在当前测速周期的结束时刻Tend之前，因此Tn和Tend之间的时间差可以只取数值，并以一个标量的方式储存。

步骤106，将前一测速周期的后调整窗作为当前测速周期的前调整窗t1。

步骤107，将当前测速周期的时长T加上前调整窗t1且减去后调整窗t2，得到调整周期时长Timp＝T+t1-t2，

步骤108，根据调整周期时长Timp和当前测速周期内的脉冲的数量n，计算出待测电机的实时速度。由于Timp刚好是n整个脉冲周期的时间，所以以Timp和n计算出的转速是精确的。

上述内容只是本发明所提供的电机实时测速方法的一个非限制性例子中的部分内容的说明。事实上，本发明所提供的电机实时测速方法在许多方面还可以具有多种变化，例如，下面以一些非限制性的例子来对本发明提供的电机实时测速方法做进一步的说明。

本发明提供的电机实时测速方法中，步骤104中，记录当前测速周期内的脉冲的数量n和当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn的具体方法可以是多样的，一种可选的方法是，记录当前测速周期内的脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量，并将脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量作为脉冲信号的数量n。与之相对的，在确定当前测速周期内最后一个脉冲的时刻时，也可以通过记录当前测速周期内最后一个脉冲的脉冲上升沿的时刻或者当前测速周期内最后一个脉冲下降沿的时刻的方法进行。选择脉冲的上升沿或下降沿的时刻来代表脉冲的时刻，至少部分是考虑到捕捉的便利性。可以理解，选择脉冲的边沿之外的时刻作为脉冲的时刻并不违背本发明的原理，只是需要额外的器件来捕捉这一时刻。下面以一个非限制性的例子来进行说明。

参考图2，在当前的例子中，通过记录下降沿的数量来确定脉冲的数量，并以下降沿的时刻为作为脉冲时刻。当前测速周期的时长为T。在T内，有三个下降沿D1、D2和D3。因此，通过记录下降沿的数量的方式可以得到在当前的测速周期内，有n＝3个脉冲。并且，将最后一个下降沿D3的时刻与当前测速周期的结束时刻Tend之间的时间差作为后调整窗t2。在这个例子中，前一个周期的后窗是前一周期最后一个下降沿D0同一前一周期的结束时刻之间的差。由于测速周期是首尾相连的，所以前一周期的后调整窗即是图中的t1。由图中可以看出，调整周期时长Timp＝T+t1-t2正好是3个完整脉冲的时长，因此根据以Timp和n计算出的转速是精确的。

参考图3，根据一个非限制性的例子步骤102可以进一步包括以下步骤：

步骤201，将测速周期时长设为预设测速周期时长T0。T0可以通过多种方式确定的。例如，T0可以是一个预先设定的默认测速周期时长。又例如，T0也可以是根据使用电机实时转速的***的控制周期确定的适于与控制周期配合的测速周期时长。

步骤202，判断当前测速周期内是否包含至少一个脉冲，若判断为当前测速周期内包含至少一个脉冲，则转到步骤204。若判断为当前测速周期内不包含一个脉冲，则转到步骤203；

步骤203，将测速周期时长改为当前的测速周期时长与预设测速周期时长的和，并跳转至步骤2.2。

步骤204，使相邻两个测速周期首位相连，并转到步骤103。

这样设置的好处在于，一方面，可以完全按照控制周期的要求设定为T0，即使将T0设置得较短，也不会影响对电机测速的精度，并且在转速相对较高，使得T0中至少具有一个脉冲时，测速周期可以一直稳定在T0，有利于控制程序的设计。另一方面，当电机转速降低时，可以及时延长测速周期的长度，使得对电机的测速在高精度下继续进行。值得注意的是，步骤202-步骤203之间的循环应做广义理解，例如通过读取上一个周期的脉冲数n，得知上一个周期是否包含少一个脉冲。若上一个周期中没有脉冲，则可以在当前的周期将测速周期时长改为上个周期的测速周期时长与预设测速周期时长T0的和，之后直接认为当前测速周期内已有至少一个脉冲，并跳转到步骤204。若事实上当前测速周期内仍然没有脉冲，下一个周期的测速周期时长会进一步延长，并最终实现一个测速周期时长内至少包含一个脉冲，最终实现测速。

可选的，在当前的非限制性的例子中，还具有间歇性的将测速周期时长修改为预设测速周期时长T0，并跳转至步骤202的步骤。这样设置的好处在于，当电机的转速由低转速上升时，能够尽快的将测速周期调整为按照控制周期的要求设定的T0。值得注意的是，这里的“间歇性”应当为广义理解。既可以是每隔一段时间，就将测速周期时长修改为预设测速周期时长T0。也可以是每隔数个周期，将测速周期时长修改为预设测速周期时长T0。

下面参考图4，对本发明所提供的电机实时测速***进行说明。该电机实时测速***包括：控制器1和处理器2。控制器1与待测的电机10电连接，并接收来自电机10的脉冲信号。控制器1在每个测速周期开始时计时，直至达到所获得的测速周期的时长T。此处“获得”应做广义解释，即控制器1既可以是从外部得到测速周期的时长T，例如别的部件生成测速周期的时长T或者用户设定测速周期的时长T，也可以是由控制器1自行计算出测速周期的时长T。

当控制器1开始计时并达到所获得的测速周期的时长T时，结束当前测速周期，开启下一测速周期，并记录当前测速周期的结束时刻Tend。控制器1记录当前测速周期内的脉冲信号的数量n和当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn。控制器1将当前测速周期的结束时刻Tend和当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn的时间差，作为后调整窗t2。

处理器2与控制器1电连接，并从控制器1获得测速周期时长T、后调整窗t2和脉冲信号的数量n，并将上一测速周期的后调整窗作为当前测速周期的前调整窗t1。由于处理器2在每个测速周期都读取后调整窗，因此处理器2可以获知上一测速周期的后调整窗，也就处理器2能够将上一测速周期的后调整窗作为当前测速周期的前调整窗t1。处理器2在获得T、t1、t2、n的基础上，进行Timp＝T+t1-t2的计算，得到调整周期时长Timp，再根据调整周期时长Timp和当前测速周期内的脉冲的数量n，计算出电机10的实时速度。

上述内容只是本发明所提供的电机实时测速***的一个非限制性例子中的部分内容的说明。事实上，本发明所提供的电机实时测速***在许多方面还可以具有多种变化。下面以一些非限制性的例子来对本发明提供的电机实时测速***做进一步的说明。

根据一个非限制性的例子，控制器1记录当前测速周期内脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量，并将记录的脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量作为脉冲信号的数量n。控制器1在选择记录的脉冲上升沿的数量作为脉冲数量n时，控制器1还记录当前测速周期内最后一个脉冲的脉冲上升沿的时刻作为当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn。类似的，控制器1在选择记录的脉冲下降沿的数量作为脉冲数量n时，控制器1还记录当前测速周期内最后一个脉冲下降沿的时刻作为当前测速周期内最后一个脉冲的时刻Tn。

值得注意的是，处理器2与控制器1电连接并从控制器1获得数据的方式可以是多样的。根据一个非限制性的例子处理器2通过总线的方式与控制器1连接，并通过总线从控制器1获得当前测速周期的时长T、后调整窗t2和脉冲信号的数量n。在其他的例子中，处理器2通过访问控制器1的内存的方式从控制器1获得当前测速周期的时长T、后调整窗t2和脉冲信号的数量n。

根据一个非限制性的例子，本发明所提供的电机实时测速***还包括测速周期确定模块3。测速周期确定模块3既可以是独立于控制器1和处理器2的独立部件，也可以是集成在控制器1或处理器2中的模块。测速周期确定模块3根据脉冲信号的数量n是否大于零，来判断当前测速周期内是否包含至少一个脉冲，若判断为当前测速周期内不包含脉冲，则将测速周期时长改为当前测速周期时长T与预设测速周期时长T0的和。

可选的，在当前的非限制性例子中，测速周期确定模块3间歇性的将测速周期时长设置为预设测速周期时长T0，并在每次将测速周期时长设置为预设测速周期时长T0后立即判断当前测速周期内是否包含至少一个脉冲。这样设置的好处在于，可以避免在将测速周期时长设置为预设测速周期时长T0后，陷入由于电机10转速过慢而测速周期导致测速的测速失准。值得注意的是，此处的“立即”应当做广义理解理解。例如，在每次将测速周期时长设置为预设测速周期时长T0后，在当前测速周期内就进行“当前测速周期内是否包含至少一个脉冲”的判断。又例如，在每次将测速周期时长设置为预设测速周期时长T0后，在紧接着的下一个周期、或者再下一个周期，进行“当前测速周期内是否包含至少一个脉冲”的判断。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换。例如控制器1和处理器2的具体选择可以是多样的，在一个非限制性的例子中，控制器1是现场可编程门阵列(FPGA)，而在其他的例子中，控制器1是用复杂可编程逻辑器件(CPLD)制作的。在一个非限制性的例子中处理器是数字信号处理器(DSP处理器)，而在其他的例子中，处理器是ARM处理器。因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种电机实时测速方法，包括以下步骤：

步骤1，接收来自电机的脉冲信号；

步骤2，获得测速周期时长，并使相邻两个测速周期首尾相连；

步骤3，记录当前测速周期的结束时刻；

步骤4，记录所述当前测速周期内的脉冲的数量和所述当前测速周期内最后一个脉冲的时刻；

步骤5，将所述当前测速周期的结束时刻和所述当前测速周期内最后一个脉冲的时刻之间的时间差作为后调整窗；

步骤6，将前一测速周期的后调整窗作为当前测速周期的前调整窗；

步骤7，将所述当前测速周期的时长加上前调整窗且减去后调整窗，得到调整周期时长，再根据所述调整周期时长和所述当前测速周期内的脉冲的数量，计算出所述电机的实时速度。

2.根据权利要求1所述的电机实时测速方法，其特征在于：记录所述当前测速周期内的脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量，并将所述脉冲上升沿的数量或所述脉冲下降沿的数量作为所述脉冲信号的数量；

记录所述当前测速周期内最后一个脉冲的脉冲上升沿的时刻或者所述当前测速周期内最后一个脉冲下降沿的时刻作为所述当前测速周期内最后一个脉冲的时刻。

3.根据权利要求1所述的电机实时测速方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括以下步骤：

步骤2.1，将所述测速周期时长设为预设测速周期时长；

步骤2.2，判断所述当前测速周期内是否包含至少一个脉冲，若判断为所述当前测速周期内包含至少一个脉冲，则转到步骤3并使相邻两个测速周期首尾相连；

若判断为所述当前测速周期内不包含一个脉冲，则转到步骤2.3；

步骤2.3，将测速周期时长改为当前的测速周期时长与预设测速周期时长的和，并跳转至步骤2.2。

4.根据权利要求3所述的电机实时测速方法，其特征在于，还包含以下步骤：

间歇性的将所述测速周期时长修改为预设测速周期时长，并跳转至步骤2.2。

5.一种电机实时测速***，包括：控制器和处理器；

所述控制器与所述电机电连接，并执行下述步骤：接收来自电机的脉冲信号，在每个测速周期开始时计时，直至达到所获得的测速周期的时长，并记录当前测速周期的结束时刻；记录所述当前测速周期内的所述脉冲信号的数量和所述当前测速周期内最后一个脉冲的时刻；将所述当前测速周期的结束时刻和所述当前测速周期内最后一个脉冲的时刻的时间差，作为后调整窗；

所述处理器与所述控制器电连接，并执行下述步骤：从所述控制器获得所述当前测速周期时长、所述后调整窗和所述脉冲信号的数量；将上一测速周期的后调整窗作为所述当前测速周期的前调整窗，将所述当前测速周期的时长加上前调整窗且减去后调整窗，得到调整周期时长；根据所述调整周期时长和所述当前测速周期内的脉冲的数量，计算出所述电机的实时速度；

其中所述当前测速周期和所述前一测速周期首尾相连。

6.根据权利要求5所述的电机实时测速***，其特征在于：所述控制器记录所述当前测速周期内的脉冲上升沿的数量或脉冲下降沿的数量，并将所述脉冲上升沿的数量或所述脉冲下降沿的数量作为所述脉冲信号的数量；

所述控制器记录所述当前测速周期内最后一个脉冲的脉冲上升沿的时刻或者所述当前测速周期内最后一个脉冲下降沿的时刻作为所述当前测速周期内最后一个脉冲的时刻。

7.根据权利要求5所述的电机实时测速***，其特征在于：所述处理器通过总线的方式，或通过访问所述控制器的内存的方式从所述控制器获得所述当前测速周期的时长、所述后调整窗和所述脉冲信号的数量。

8.根据权利要求5所述的电机实时测速***，其特征在于：还包括测速周期确定模块；

所述测速周期确定模块根据所述脉冲信号的数量是否大于零，判断所述当前测速周期内是否包含至少一个脉冲，若判断为所述当前测速周期内不包含脉冲，则将测速周期时长改为当前测速周期时长与预设测速周期时长的和。

9.根据权利要求8所述的电机实时测速***，其特征在于：所述测速周期确定模块间歇性地将所述测速周期时长设置为所述预设测速周期时长，并在每次将所述测速周期时长设置为预设测速周期时长后立即判断所述当前测速周期内是否包含至少一个脉冲。

10.根据权利要求5所述的电机实时测速***，其特征在于：所述控制器是FPGA或CPLD；以及/或者

所述处理器是DSP处理器或ARM处理器。