陳飛,張?zhí)旌?羅震

(南京航空航天大學(xué)　能源與動(dòng)力學(xué)院　江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京　210016)

ARM平臺(tái)的高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法

陳飛,張?zhí)旌?羅震

(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院江蘇省航空動(dòng)力系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210016)

基于ARM平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)磁電式轉(zhuǎn)速傳感系統(tǒng)的高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法,該方法能夠有效消除傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法無法克服的由計(jì)數(shù)誤差和脈沖發(fā)生器的加工誤差引起的轉(zhuǎn)速測(cè)量波動(dòng)。針對(duì)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法能有效消除測(cè)量結(jié)果波動(dòng),且實(shí)現(xiàn)簡單,動(dòng)態(tài)跟蹤效果好。

高穩(wěn)定度;實(shí)時(shí);ARM;磁電式轉(zhuǎn)速傳感系統(tǒng)

引 言

轉(zhuǎn)速測(cè)量是對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)型動(dòng)力機(jī)械進(jìn)行測(cè)試、控制的最基本、最重要的任務(wù),一般希望獲得準(zhǔn)確、及時(shí)的轉(zhuǎn)速信息,這直接關(guān)系到控制器的控制效果[1]。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有3種:測(cè)頻法、測(cè)周法和組合測(cè)周法。測(cè)頻法適用于高頻信號(hào),測(cè)周法適用于低頻信號(hào),組合測(cè)周法適用于高、低頻率信號(hào),但是不適用于實(shí)時(shí)測(cè)量[2]。

磁電式轉(zhuǎn)速傳感系統(tǒng)由永磁鐵、軟鐵、感應(yīng)線圈和脈沖信號(hào)發(fā)生器(如音輪)組成,其輸出信號(hào)易受脈沖信號(hào)發(fā)生器加工誤差、分度誤差、偏心誤差等影響,在寬轉(zhuǎn)速范圍情況下,傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法往往存在測(cè)量結(jié)果波動(dòng)、誤差大或?qū)崟r(shí)性差等問題。本文設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法既能消除由計(jì)數(shù)誤差和脈沖發(fā)生器的加工誤差引起的測(cè)量波動(dòng),又能保證良好的動(dòng)態(tài)跟蹤效果。

目前ARM內(nèi)核微控制器發(fā)展迅速,其性能高、耗電少、成本低,具備16/32位雙指令集。本文選用TI公司的基于Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123GHP6M芯片,該芯片最高具備80 MHz主頻,且包含多個(gè)高精度定時(shí)器,滿足高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量算法的實(shí)現(xiàn)要求[3-5]。

1 高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法原理

本文設(shè)計(jì)的高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法包括3個(gè)部分:基于慣性原理的平穩(wěn)測(cè)量、基于組合測(cè)周法的實(shí)時(shí)跟進(jìn)、基于容差的雙轉(zhuǎn)速綜合處理?；趹T性原理的平穩(wěn)測(cè)量和基于組合測(cè)周法的實(shí)時(shí)跟進(jìn)同時(shí)采集轉(zhuǎn)速傳感器最新的輸入信號(hào),分別產(chǎn)生2個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量值,基于容差的雙轉(zhuǎn)速綜合處理方法對(duì)上述2個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)量值進(jìn)行綜合處理判斷,選擇其一作為當(dāng)前轉(zhuǎn)速值。

平穩(wěn)測(cè)量方法依據(jù)最新一段時(shí)間內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列來計(jì)算得出平穩(wěn)轉(zhuǎn)速值。具體計(jì)算方式是求取當(dāng)前平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的平均值,用定時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率除以上述平均值得到脈沖信號(hào)的頻率值,將此頻率值按頻率轉(zhuǎn)速比轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速值,得出當(dāng)前平穩(wěn)轉(zhuǎn)速值。由于轉(zhuǎn)子的慣性,在平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)期間,其轉(zhuǎn)速不會(huì)發(fā)生瞬間快速波動(dòng),為此可以根據(jù)最新一段時(shí)間內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列測(cè)量當(dāng)前的轉(zhuǎn)速,這個(gè)轉(zhuǎn)速值就非常平穩(wěn),不會(huì)出現(xiàn)瞬間快速波動(dòng),這也就是所述的慣性原理。

平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列是實(shí)時(shí)更新的,其長度與脈沖發(fā)生器的特征和測(cè)量精度要求有關(guān),對(duì)于帶音輪的脈沖發(fā)生器,序列長度可取音輪的齒數(shù),對(duì)于齒數(shù)較少的(比如4個(gè)齒以下的),可取齒數(shù)的整數(shù)倍(比如2～4倍),從而獲得平穩(wěn)轉(zhuǎn)速。平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的更新方法是,每采集到一個(gè)脈沖信息,則將其加入到平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的入口端,而序列中最早采集到的脈沖信息則從平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的出口端去除,如圖1所示。在tn+1時(shí)刻采集到一個(gè)新的脈沖信息Datan+1,則Datan+1將被加入到平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的入口端,tn時(shí)刻的數(shù)據(jù)整體向出口端平移,Datan-m從出口端去除。

圖1 平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的更新方式示意圖

實(shí)時(shí)跟進(jìn)方法采用常規(guī)的組合測(cè)周法獲得,并根據(jù)轉(zhuǎn)速的最大可能波動(dòng)量(即慣性極限波動(dòng)量)剔除測(cè)量野值。如果實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值與上一次的轉(zhuǎn)速測(cè)量值的偏差大于慣性極限波動(dòng)量,則認(rèn)為當(dāng)前測(cè)量值為野值,剔除該值。轉(zhuǎn)子的慣性極限波動(dòng)量是根據(jù)轉(zhuǎn)子的慣性并結(jié)合正常加減速能力推算出的采樣瞬間可能的轉(zhuǎn)速最大波動(dòng)量。圖2是實(shí)時(shí)跟進(jìn)方法的流程圖。

圖2 實(shí)時(shí)跟進(jìn)方法流程圖

綜合處理方法依據(jù)測(cè)量波動(dòng)量容差和平穩(wěn)轉(zhuǎn)速與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的偏差,選擇其一作為當(dāng)前轉(zhuǎn)速。如果平穩(wěn)轉(zhuǎn)速與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的偏差大于測(cè)量波動(dòng)量容差,則當(dāng)前轉(zhuǎn)速為實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,如果平穩(wěn)轉(zhuǎn)速與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的偏差小于等于測(cè)量波動(dòng)量容差,則當(dāng)前轉(zhuǎn)速為平穩(wěn)轉(zhuǎn)速。所謂容差,就是由于脈沖發(fā)生器的加工誤差導(dǎo)致的脈沖信號(hào)頻率的可能波動(dòng)量。對(duì)于數(shù)控線切割加工的音輪,其齒輪分布誤差能控制在1%以內(nèi),因此容差可以設(shè)定為當(dāng)前轉(zhuǎn)速的1%或者更小,具體可以依據(jù)實(shí)際試驗(yàn)效果設(shè)定。

2 高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)

基于高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法原理,本文充分利用TM4C123GHP6M芯片的32/64位通用定時(shí)器和串口通信模塊,設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)速采集控制器。

由高穩(wěn)定度實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法的原理可知,無論是平穩(wěn)測(cè)量方法還是實(shí)時(shí)跟進(jìn)方法都需要通過平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列計(jì)算相應(yīng)轉(zhuǎn)速值,因此平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的實(shí)時(shí)更新是該算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的實(shí)時(shí)采集,利用TM4C123GHP6M芯片32/64位通用定時(shí)器的輸入邊沿計(jì)數(shù)捕獲中斷功能,計(jì)數(shù)值設(shè)為1,上升沿采集,這樣就實(shí)現(xiàn)了在每一個(gè)脈沖信號(hào),程序會(huì)進(jìn)入中斷程序更新平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)列表。具體流程如圖3所示。

圖3 平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的數(shù)據(jù)采集更新流程圖

代碼如下:

整個(gè)轉(zhuǎn)速采集控制器程序結(jié)構(gòu)如圖4所示,共分3個(gè)部分。中斷程序是由32/64位通用定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)的,一路提供20 ms的精確計(jì)時(shí),一路進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的實(shí)時(shí)更新。高穩(wěn)定實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速計(jì)算程序負(fù)責(zé)計(jì)算當(dāng)前的實(shí)際轉(zhuǎn)速,通信程序?qū)?dāng)前的轉(zhuǎn)速上傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

圖4 轉(zhuǎn)速采集控制器程序結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速采集控制器的計(jì)數(shù)頻率是80 MHz;試驗(yàn)系統(tǒng)采用帶音輪的脈沖發(fā)生器,齒數(shù)為60,因此平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列長度選為60;依據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精度要求,選取平穩(wěn)運(yùn)行參數(shù)序列的最新的4個(gè)數(shù)據(jù)求取當(dāng)前實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值;慣性極限波動(dòng)量設(shè)為500 r/min,測(cè)量波動(dòng)量容差設(shè)為0.5%。圖5是實(shí)際試驗(yàn)效果。

圖5 實(shí)際試驗(yàn)效果圖

對(duì)圖中20.6～21.0 s轉(zhuǎn)速加速升高階段和22.0～22.5 s轉(zhuǎn)速平穩(wěn)階段的曲線進(jìn)行放大,可以明顯看到:加速升高階段,實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值的響應(yīng)速度明顯要快于平穩(wěn)轉(zhuǎn)速,此時(shí)平穩(wěn)轉(zhuǎn)速與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的偏差超過測(cè)量波動(dòng)量容差,當(dāng)前的轉(zhuǎn)速測(cè)量值取實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,因此綜合處理轉(zhuǎn)速曲線與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速曲線重合,動(dòng)態(tài)跟進(jìn)效果好,實(shí)時(shí)性高;轉(zhuǎn)速平穩(wěn)階段采用傳統(tǒng)測(cè)周法獲得的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速一直在波動(dòng),此時(shí)平穩(wěn)轉(zhuǎn)速與實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速的偏差小于測(cè)量波動(dòng)量容差,當(dāng)前的轉(zhuǎn)速測(cè)量值取平穩(wěn)轉(zhuǎn)速,因此綜合處理轉(zhuǎn)速曲線與平穩(wěn)轉(zhuǎn)速曲線重合,消除了由計(jì)數(shù)誤差和脈沖發(fā)生器加工誤差引起的測(cè)量波動(dòng)。

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并在TM4C123GHP6M芯片上實(shí)現(xiàn)了一種高穩(wěn)定實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法。該方法實(shí)現(xiàn)簡單,設(shè)計(jì)新穎,能夠消除由計(jì)數(shù)誤差和脈沖發(fā)生器加工誤差引起的測(cè)量波動(dòng),同時(shí)其動(dòng)態(tài)跟蹤效果好,解決了一般轉(zhuǎn)速測(cè)量方法穩(wěn)定度和實(shí)時(shí)性不能兼顧的問題。

[1]張明杰,陳凌珊,李偉.一種發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)在線測(cè)試方法的改進(jìn)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,26(4):335-338.

[2]周正干,李然,李和平,等.高精度數(shù)字式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].測(cè)控技術(shù),2000,19(5):60-62.

[3]劉淵,田彥云,張?zhí)旌?等.基于μC/OS-III和ARM的空心杯電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015,15 (4):51-53.

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[5]陳麗珍,林小薇.嵌入式ARM微處理器選型指南[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009(6):75-76.

陳飛、羅震(碩士研究生),主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真;張?zhí)旌?教授),研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)、系統(tǒng)控制與仿真。

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[1]ARM.μVision User's Guide[EB/OL].[2016-05].http:// www.keil.com/support/man/docs/uv4/default.htm.

[2]NXP.LPC13-15/16/17/45/46/47 User manual,2012.

[3]ARM.Compiler v5.04 forμVision armlink User Guide[EB/ OL].[201605].http://infocenter.arm.com/help/index. jsp?topic=/com.arm.doc.dui0377e/index.html.

[4]ARM.Getting the Best Optimized Code for your Embedded Application[EB/OL].[2016-05].http://www.keil.com/ appnotes/files/apnt202.pdf.

[5]Jean J Labrosse.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III應(yīng)用開發(fā)—基于STM32微控制器[M].何小慶,譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012:111-113.

汪成義(教授),主要從事嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究與教學(xué)工作。

Method with High Stability for Measuring Real-time Rotor Speed Based on ARM Platform

Chen Fei,Zhang Tianhong,Luo Zhen

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

A method with high stability for measuring real-time rotor speed is designed based on ARM,which is suitable for the magnetic rotor speed sensor system.This method can reduce the fluctuation caused by counting error and machining error of the pulse generator which can not be overcome by the traditional rotor speed measuring method.The experiment results show that the designed rotor speed measurement method can reduce the fluctuation of the measurement result.The method is simple to implement,and has good dynamic performance.

high stability;real-time;ARM;magnetic rotor speed sensor system

TP368.1

A

(責(zé)任編輯:薛士然2016-04-25)

(責(zé)任編輯:薛士然2016-05-05)