王少君 ，劉永強 ，楊紹普 ，廖英英 ，郝高巖

（1.石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，石家莊 050043；2.河北省交通安全與控制重點實驗室，石家莊 050043）

轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)機械的一個重要狀態(tài)參數(shù)，不同的測速方法測量轉(zhuǎn)速的精度不同。如何針對工程實際環(huán)境選擇高精度的測速方法很重要。本文對光電編碼器常用的測速方法，即：M 法[1]、變 M 法[2]、T 法、M/T法及變M/T法進行了分析、比較；對低速階段適用的T法和不常用的M/T法從原理進行了分析；并搭建軟硬件結(jié)合的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，對M法、變M法、變M/T法進行了實驗驗證。分析對比3種測速方法的誤差精度，為以后工程實際轉(zhuǎn)速測量方法的選取提供參考[3]。

1 基于光電編碼器的幾種測速方法

圖1給出了幾種常用的光電編碼器測速方法，假定fc為高頻時鐘脈沖，P為編碼器的分辨率即轉(zhuǎn)一圈編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，M1和M2分別為檢測時間內(nèi)檢測到的編碼器脈沖和時鐘脈沖的個數(shù)。

1.1 M法測速原理

通過檢測一段規(guī)定時間間隔內(nèi)的編碼器脈沖個數(shù)來計算轉(zhuǎn)速。如圖1（a）在規(guī)定時間T內(nèi)測得的編碼器脈沖個數(shù)為M1，編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖個數(shù)為P，轉(zhuǎn)速為

相對誤差：

當(dāng)被測轉(zhuǎn)速較高或脈沖編碼器一圈發(fā)出的脈沖數(shù)較多時才能有較好的測速精度，測量時最多有1個計數(shù)脈沖誤差隨著轉(zhuǎn)速增大即M1的值增大，相對誤差減小，故M法適用于高速場合。

1.2 變M法測速原理

在M法的測速基礎(chǔ)上，對于正交光電編碼器，產(chǎn)生正交的A、B兩相脈沖同時輸入，相位差90°，并且在脈沖上升沿和下降沿均計數(shù)，這樣檢測到光電編碼器輸出脈沖個數(shù)如圖1（b）中M1′，為M法中M1的4倍。轉(zhuǎn)速為

相對誤差：

在變M法中，最多可產(chǎn)生其中一組脈沖中的一個上升沿或下降沿誤差，因此，變M法最大誤差率僅為M法測速誤差的1/4。

1.3 T法測速原理

通過測得相鄰2個編碼器脈沖的時間間隔T來計算轉(zhuǎn)速。如圖1（c）相鄰2個編碼器脈沖之間時鐘脈沖個數(shù)為M2，轉(zhuǎn)速為

相對誤差：

當(dāng)被測轉(zhuǎn)速逐漸增大時，2個相鄰編碼器脈沖之間的高頻脈沖個數(shù)即M2變少，導(dǎo)致誤差增大，故T法適用于低速場合。

1.4 M/T法測速原理

M/T法是前2種方法的結(jié)合，同時測量檢測時間T和該時間內(nèi)編碼器產(chǎn)生的脈沖個數(shù)M1。如圖1（d）它是用規(guī)定時間間隔Tg以后的第一個測速脈沖去終止高頻時鐘脈沖計數(shù)器，并由此計數(shù)器值來確定檢測時間T。檢測時間T=Tg+t。轉(zhuǎn)速為

相對誤差：

由于Tg計時和M1計數(shù)同時開始，M1無誤差，誤差源于M2計數(shù)，高頻脈沖fc遠大于編碼器脈沖，所以M2遠大于M1。但是該方法需要較長的時間來保證結(jié)果的準確性，無法滿足測速系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)。

1.5 變M/T法測速原理

變M/T法是為了解決M/T法檢測時間過長而提出，由高頻脈沖M2來計取檢測時間T如圖1（e）所示，轉(zhuǎn)速為

相對誤差：

此時的M2和M/T法中的M2不同，它不含t時間內(nèi)的高頻脈沖，可以在很廣的速度范圍內(nèi)高精度測速，滿足快速響應(yīng)要求，工作可靠性高。

圖1 幾種測速方法原理圖Fig.1 Principle diagram of the speed measuring methods

2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計采用軟硬件相結(jié)合的方式[4-6]，運用Lab-VIEW12.0軟件開發(fā)平臺和相關(guān)硬件設(shè)計一個轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of rotational speed measurement system

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計的硬件系統(tǒng)分為5個部分，初步完成信號采集和初步數(shù)據(jù)濾波等功能。

第1部分采用PCB激光轉(zhuǎn)速計。它具有可以和標準（ICP傳感器）接口并以單通道方式連接。在1.8 kHz高頻下進行數(shù)字采樣相位抖動很小，經(jīng)FFT平均處理后收斂到225 μs。與采樣相關(guān)轉(zhuǎn)速的均值和準確值均勻分布且精度高，所以每一轉(zhuǎn)PCB給出一個轉(zhuǎn)速值的平均值可作為轉(zhuǎn)速的參照標準。

第2部分采用HTF6015-CY-1024BM/5L增量式光電編碼器。增量式光電編碼器線數(shù)為1024，采用梅花鍵式彈性聯(lián)軸器與被測軸進行同軸安裝。光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出1024個脈沖通過接線盒把數(shù)據(jù)輸送到IN多功能數(shù)據(jù)采集卡中。

第3部分采用信號調(diào)理器。PCB激光轉(zhuǎn)速計與信號調(diào)理器相連接，主要可以完成信號濾波功能，濾波的同時兼有抗混疊濾波功能，通過信號調(diào)理器可以使輸出信號變?yōu)闃藴实碾妷盒盘?，輸送到IN多功能數(shù)據(jù)采集卡中。

第4部分采用IN多功能數(shù)據(jù)采集卡和與之配套的SCB-68A接線盒，數(shù)據(jù)采集卡插在PXI機箱當(dāng)中。本系統(tǒng)采用PXIe-6363多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有4路32位計數(shù)器/定時器，可針對PWM、編碼器、頻率計數(shù)等等。該采集卡具有測量精度高、速度快、編程簡單、連接方便、無需外接電源等優(yōu)點，可以很好地完成該實驗的信號采集分析工作。

第5部分采用旋轉(zhuǎn)機械故障診斷試驗臺。通過變頻電機帶動實驗設(shè)備轉(zhuǎn)動，提供所需測量的轉(zhuǎn)速。

硬件系統(tǒng)整體支持整個試驗臺運行，PCB激光轉(zhuǎn)速計和編碼器通過信號調(diào)理器和接線盒與多功能采集卡相連從而進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

LabVIEW是一種用圖標代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。它含有豐富的功能函數(shù)庫，包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲等。有強大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強的虛擬儀器。

圖3 編碼器轉(zhuǎn)速測量軟件系統(tǒng)流程圖Fig.3 Program block diagram of encoder rotational speed measurement software system

轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的編碼器測速框圖程序如圖3所示，包括數(shù)據(jù)采集與顯示、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示等。首先通過數(shù)據(jù)采集與顯示模塊對編碼器產(chǎn)生的脈沖進行采集，并以一定的形式在界面上輸出其波形圖；然后，選擇物理通道設(shè)置采樣頻率對電壓信號進行采集；最后，通過波形控件顯示出相應(yīng)的波形。將軟件系統(tǒng)測量的編碼器的數(shù)據(jù)保存到指定文件夾下，送入Matlab中進行數(shù)據(jù)處理。

3 實驗結(jié)果分析

本實驗通過轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，測量了變頻電機在不同頻率變化范圍下的輪對轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。將電機轉(zhuǎn)速按照轉(zhuǎn)頻分為低速、中速、高速3個階段。低速區(qū)選取轉(zhuǎn)頻為2 Hz，4 Hz，8 Hz；中速區(qū)選取轉(zhuǎn)頻為10 Hz，12 Hz，15 Hz，18 Hz，20 Hz，25 Hz，30 Hz；高速區(qū)選取轉(zhuǎn)頻為 35 Hz，40 Hz，45 Hz，50 Hz。以 PCB 激光轉(zhuǎn)速計測得的轉(zhuǎn)速值的平均值作為轉(zhuǎn)速標準值。將編碼器測得的角度信號按照變M/T法、M法、變M法這3種方法分別計算出轉(zhuǎn)速值與標準值做相對誤差分析如表1所示。

表1 變M/T法、M法、變M法誤差對比Tab.1 M/T method M method variable M method error contrast

圖4為轉(zhuǎn)速的相對誤差折線圖，從圖中可知3種方法的誤差變化范圍為0.0002%～0.14%，3條曲線均有先變小后變大的趨勢，因為3種方法均是用于中高速測量的方法，并且隨著轉(zhuǎn)頻的增大轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的波動變化會比較大；在中、高速階段變M法的精度比變M/T法和M法的精度都要高。但整個測速范圍下變M法誤差波動最大，且在實際操作過程中對編碼器的脈沖占空比要求約為50%，應(yīng)用范圍比較窄；除此之外，在整個速度變化范圍下，變M/T法比M法的測速精度都高。

圖4 轉(zhuǎn)速相對誤差Fig.4 Rotational speed relative error

圖5、圖6和圖7分別選取了中速、低速、高速3種不同工況 下的 170.57 r/min，585.28 r/min，1180.90 r/min這3個速度與作為標準的PCB轉(zhuǎn)速值進行對比。從這3組圖片結(jié)合圖9可得變M法算得的轉(zhuǎn)速值雖然誤差小，但是變M法所算得的轉(zhuǎn)速值均在標準轉(zhuǎn)速值的上方，在實際不同轉(zhuǎn)速工況下并不適用。而無論是哪種工況下，變M/T法與M法所得到的轉(zhuǎn)速值相比較，變M/T法計算所得轉(zhuǎn)速值與標準轉(zhuǎn)速值最為接近且變化范圍比較小。

圖5 170.57 r/min工況下3種方法轉(zhuǎn)速對比Fig.5 170.57 r/min，the difference of three methods of rotational speed

圖6 585.28 r/min工況下3種方法轉(zhuǎn)速對比Fig.6 585.28 r/min，the difference of three methods of rotational speed

圖7 1180.90 r/min工況下3種方法轉(zhuǎn)速對比Fig.7 1180.90 r/min，the difference of three methods of rotational speed

4 結(jié)語

本文設(shè)計軟硬件相結(jié)合的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，通過實驗驗證的方式，分析對比了變M/T法、M法、變M法3種測速方法在不同轉(zhuǎn)速情況下的相對誤差。得出結(jié)論為隨著轉(zhuǎn)速從低速到高速變化，轉(zhuǎn)軸變化由不穩(wěn)定到穩(wěn)定再到波動，導(dǎo)致所有的測速方法的誤差產(chǎn)生了先變小后變大的趨勢；變M法測速誤差是3種方法中最小的，但是變M法要求編碼器的脈沖占空比約為50%，適用范圍窄；變M/T法測速誤差較M法測速誤差小，在整個測速范圍內(nèi)都適用。

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