減少元器件離散性影響的電機(jī)負(fù)載判斷方法

作者：姜德志 （中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院）陳艷麗 （海爾集團(tuán)科技公司開發(fā)部）

摘要：本文介紹了一種電機(jī)負(fù)載檢測方法，通過檢測第1個脈沖寬度的方法而不是通過檢測脈沖個數(shù)來檢測電機(jī)負(fù)載的多少，從而可以大大減小由于元器件參數(shù)離散性引起的誤差。文中以詳細(xì)的實驗數(shù)據(jù)來說明了該方法的可靠性。

關(guān)鍵詞：負(fù)載判斷 傳輸比 脈沖寬度

背景：在一些應(yīng)用中，經(jīng)常需要對負(fù)載大小進(jìn)行檢測，例如電機(jī)拖動、家電等，有一個簡單的方法是測電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時脈沖個數(shù)來進(jìn)行負(fù)載大小的檢測和判斷，這種方法適合于感應(yīng)電機(jī)。
　　檢測原理如下：
　　電機(jī)負(fù)載不同，對電機(jī)產(chǎn)生的阻力不同，如果給電機(jī)通電一個固定的較短的時間，負(fù)載的大小就會直接影響電機(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。停止電機(jī)供電，電機(jī)由于慣性會繼續(xù)轉(zhuǎn)動。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子剩磁的存在，自由轉(zhuǎn)動的電機(jī)就處于發(fā)電狀態(tài)，同樣受負(fù)載大小的影響，和轉(zhuǎn)速不同，電機(jī)自由轉(zhuǎn)動時發(fā)出交流信號脈沖個數(shù)就會不同。檢出這個脈沖個數(shù)，就可以大概的判斷出負(fù)載的大小。
　　在這種處理過程中，通常采用的硬件電路如圖1所示，
　
                                       圖1
　　當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時產(chǎn)生的交流電壓信號經(jīng)過光耦轉(zhuǎn)換為矩形波脈沖信號，單片機(jī)通過檢測這個脈沖信號就可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)動情況，通常通過檢出脈沖的個數(shù)獲得負(fù)載數(shù)據(jù)。
　　實際應(yīng)用中，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時，由于電機(jī)轉(zhuǎn)動越來越弱，再加上剩磁越來越弱，發(fā)出的信號必然越來越弱（如圖2所示），此時經(jīng)過光耦轉(zhuǎn)換后的脈沖如圖3所示，最后非常弱的電壓信號就變成了很窄的脈沖信號。
　
                                                圖2
　
                                           圖3
　　由于光耦傳輸比的不同，即使電機(jī)發(fā)出信號相同，經(jīng)過光耦轉(zhuǎn)換后的信號也會不同，圖3所示的是光耦傳輸比為150時的脈沖信號，圖4所示的是光耦傳輸比為80時的脈沖信號?？梢钥闯鰣D4比圖3少一個脈沖。

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                                           圖4
　　檢測脈沖個數(shù)的方法，可能就會因為光耦傳輸比的不同而帶來較大的判斷誤差，這一點在我們的實際使用中也確實發(fā)現(xiàn)了問題，用不同批次光耦生產(chǎn)的整機(jī)判斷結(jié)果有很大的差異。
　　本人結(jié)合多年開發(fā)的經(jīng)驗，給出一種新的方法，可以大大減小光耦傳輸比離散性的影響。

方法：　

　　電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的電壓信號是正弦波，在幅度達(dá)到一定高度后，光耦會工作在飽和導(dǎo)通的狀態(tài)，此時傳輸?shù)男盘柵c光耦傳輸比沒有關(guān)系。
對于信號幅度低時，光耦將工作在放大狀態(tài)，此時，光耦傳輸比的影響符合下面的關(guān)系式。
　――――式1
　　這個式子不是等號和乘積關(guān)系，代表正比關(guān)系。
　　式中，
　　VA：光耦受光端產(chǎn)生的電壓，這個電壓越高，N1放大后信號幅度越大。
 K：其他參數(shù)影響的系數(shù)，由于電阻等的影響很小，可以認(rèn)為是常數(shù)
 VAC/R1：光耦發(fā)光端發(fā)光電流。其中VAC就是電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的信號的電壓幅度
 POP：光耦傳輸比
 VCC：光耦受光端上拉的電壓幅度。
　　從這個關(guān)系式可以看出，由于POP的變化范圍大（0.8~1.6），對信號處理的結(jié)果的影響也大。如果電壓信號多數(shù)是弱信號，光耦多數(shù)工作于放大狀態(tài)，則對測量結(jié)果帶來的影響必然大。
　　而從圖2可以看出，電機(jī)剛處于發(fā)電狀態(tài)時，發(fā)出的電壓最高，此時光耦會更多的工作在飽和狀態(tài)，這樣第1個脈沖應(yīng)該是光耦離散性影響最小的。
　　通過觀察圖3和圖4我們也可以發(fā)現(xiàn)，對同一型號的光耦，無論光耦傳輸比怎樣變化，第一個脈沖寬度基本是一樣的，因此檢測第一個脈沖的寬度，就可以避免光耦傳輸比的影響。
　　但除了減少零部件的影響之外，還必須能夠?qū)ω?fù)載大小進(jìn)行判斷，所以我們進(jìn)行了實驗．
　　實驗1：
    我們再同一臺機(jī)器上用不同負(fù)載進(jìn)行檢測，獲得了不同負(fù)載下的波形，如圖5所示
　
                       圖5
　　實驗1結(jié)論：從圖可以看出，這個脈沖寬度隨負(fù)載的變化在逐漸變寬。可以確定，通過這個方法能夠進(jìn)行負(fù)載大小的判斷。
　　具體的處理過程如下：
　　電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的驅(qū)動均用可控硅實現(xiàn)，對可控硅的驅(qū)動我們采用過零點驅(qū)動的方式，這樣就可以很好的獲得電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時第1個脈沖的開始。
　　對電機(jī)的驅(qū)動是正轉(zhuǎn)0.4秒，停0.6秒，反轉(zhuǎn)0.4秒，停0.6秒。
　　當(dāng)過零點時，可控硅斷開，此時電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，開始發(fā)出第1個脈沖，單片機(jī)獲得信號電平第1個沿變化后開始計時，到另外一個相同的沿變化時結(jié)束，所計時間就是第1個脈沖的寬度。

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　　我們讓電機(jī)反復(fù)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)6次，獲得12個這樣的脈沖。對這12個脈沖進(jìn)行處理即可獲得負(fù)載大小的表示值。
　　為證明方法的可行性，我們進(jìn)行了實驗2。
　　實驗2
　　我們篩選3個偏差大的光耦，在同一臺整機(jī)上進(jìn)行了實驗，獲得了如下一組實驗數(shù)據(jù)（表1）
　　表1
　
　　實驗2結(jié)論：從實驗結(jié)果可以看出，光耦離散性的影響是很小的，而且可以很好的對負(fù)載大小進(jìn)行判斷。
　　
　　結(jié)論：

　　光耦對測量結(jié)果的影響主要是在放大狀態(tài)時產(chǎn)生的，只要減少光耦工作于放大狀態(tài)的時間，就可以減少光耦的影響。經(jīng)過改進(jìn)之后的方法，可以使光耦更多的工作于飽和狀態(tài)，從而使檢出的結(jié)果更可考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1．《光電技術(shù)》 電子工業(yè)出版社 2005年4月

　　作者簡介：姜德志，海爾集團(tuán)研發(fā)推進(jìn)本部大型號經(jīng)理，中國海洋大學(xué)工程碩士研究生。14年從事控制產(chǎn)品研發(fā)和管理，擁有近百項發(fā)明和實用新型專利。
　　陳艷麗：海爾集團(tuán)研發(fā)推進(jìn)本部型號經(jīng)理，碩士，擁有近多項發(fā)明和實用新型專利。
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