精密游标式实时转速测量法的研究

    1　前言

    在工业控制系统中,转速是重要的监控参数之一。在发电机、电动机、机床主轴、离心机等旋转设备的试验运转及速度调节系统中,常需要分时或连续测量、显示其转速或瞬时转速。但被测旋转机械的转速范围变化很大。航空发动机、离心机的转速可高达几十万r/min,而发电机组的盘车转速则低到2～3r/min。如何兼顾很高和很低转速的测量与显示,又有足够的测量精度和测量实时性是转速测量研究的重点。

    2　几种常用转速测量法的比较

    转速的检测可分为模拟式和数字式两种。数字法是采用光电脉冲编码器(光电码盘)作检测元件,将转速转换成脉冲信号(即盘脉冲)。目前常用的数字式转速测量法是M法(测频法),T法(测周期法)、同步M/T法和实时转速测量法。

    M法测速是在相等的时间间隔Δt内读取盘脉冲数M,由M/Δt计算出转速。转速越高,在Δt内计得的M就越多,由±1个字计数脉冲误差所引起的转速测量误差就越小,故该法适用于高速。

    T法测速是根据相邻两个盘脉冲中时间间隔内对应的时钟脉冲数值m来计算转速的,转速越慢或每转盘脉冲数越少,其计数值m就越多,计数器±1个字所引起的误差就越小,故该法适用于低速。

    上述两种方法测量的相对误差反比于速度采样时间(即时间间隔Δt或计数值m),因此,在稳定测量和实时性要求不高的场合,可取较大的采样时间以保证足够的测量精度。但在动态测量和实时控制系统中,往往对转速测量的实时性有较高的要求。因此,采样时间不能随意取大。

    M/T法测速的特点是不固定定时时间Δt′,而以记录到完整的盘脉冲为佳,主要是设法使M与Δt′同步,从整数个盘脉冲开始计时,同样于整数个盘脉冲结束,记录到的是整数个盘脉冲,即整时与计数是“同步”的。但实际定时开始时间Δt′滞后于设定开始时间Δt,最大为一个盘脉冲周期,具有迟滞性。

    实时转速测量法是利用了计算机时钟细分技术将盘脉冲进行细分,在Δt时间内,分别对盘脉冲和时钟脉冲计数。与同步M/T测速法相比,不存在实际定时时间与设定值的滞后。

    M/T法和实时转速测量法都具有一定的实时性。但都存在着定时时间Δt′和Δt,其相对误差反比于定时时间;而转速测量的下限n(min)=1/Δt′,或n(min)=1/Δt,由定时时间限制转速的下限。一般Δt为ms级,对实时性要求高的场合,实时性也不十分理想。

    3　游标式实时转速测量法

    为了消除数字式转速测量法的量化±1误差,提高测量精度和采样速率,可以采用游标式测周法测量转速。游标式测周方法,工作原理如图1所示。