基于脉冲序列识别法的转速转向测量新方法

王新浩，潘立巍，王 勇，刘嗣萃

(国网冀北承德供电公司，河北 承德 067000)

基于脉冲序列识别法的转速转向测量新方法

王新浩，潘立巍，王 勇，刘嗣萃

(国网冀北承德供电公司，河北 承德 067000)

针对传统非接触式转速、转向测量方法存在的操作难度大、使用易出错等问题，提出了脉冲序列识别新方法。利用感应器件的不均匀排布，使传感器输出脉宽不等的脉冲序列，再利用微控制器对脉冲序列进行识别，从而测量出待测系统的转速、转向。利用霍尔传感器配合单片机搭建硬件电路系统进行实物测试，验证了该方法的准确性和可靠性。脉冲序列识别法解决了传统非接触式测量法存在的问题，并且具有结构精简、成本低廉等优点。

脉冲序列识别法；转速转向测量；霍尔传感器；光电传感器；微控制器

转速、转向测量在工程实践和科研实验中应用非常广泛，根据传感器安装方式可以分为接触式测量法和非接触式测量法[1]。接触式测量法主要使用测速发电机[2]，测速发电机又分为直流测速发电机和交流测速发电机，测速发电机的输出电动势具有斜率高、特性成线性、无信号区小或剩余电压小、正转和反转时输出电压不对称度小、对温度敏感低等特点。非接触式测量法可分为光电式和电磁式[3,4]，光电式测速传感器一般是基于光电变换原理，可分为透光式测速传感器和反射式测速传感器，光电式测速传感器输出信号的波形比较规整，接近标准方波，几乎无干扰信号产生；电磁式测速传感器一般是基于电磁感应原理，具有较强的抗干扰能力。

1 非接触式测量法存在的问题

非接触式测量法的基本原理如图1所示[4]，在待测系统均匀地安装感应器件，使用两组传感器探头。待测系统转动,传感器输出两列均匀的脉冲信号，测量任意一列可以测量转速。由于两个传感器探头相对于感应器件有90°相位差，因此后级电路输出的脉冲信号也有90°相位差。转向改变，两列脉冲超前滞后的相位关系也会改变，通过识别相位关系可以测量转向[5]。

非接触式测量法基于上述原理测量转向时具有如下问题：1)要求传感器输出脉冲的占空比尽可能接近50%，否则会影响测量可靠性，要求感应器件的尺寸和相互间隙尽可能相等；2)对两个传感器探头的相对位置严格要求，即相对于感应器件的相位差严格为90°，增加了实际操作难度；3)如果感应器件自身的尺寸很小并且排布紧密，安装操作难度更大，更容易出错；4)在后续使用过程中，如果由于外力作用，传感器探头位置发生微小的变化就可能测量错误。

针对传统的非接触式测量法测量转向存在的问题，提出了脉冲序列识别新方法，可以有效地解决传统非接触式测量法存在的问题。

2 脉冲序列识别法的基本原理

脉冲序列识别法的基本思想如下：在待测系统不均匀地安装感应器件，只使用一组传感器探头，待测系统转动时，传感器输出脉宽不等的脉冲序列，利用微控制器对脉冲序列进行识别，测量待测系统转向，同时测量转速。

如图2所示为例来说明脉冲序列识别法的基本原理，在待测系统不对称地安装三个感应器件，相邻感应器件的角度差分别为60°、120°、180°；相邻感应器件的角度有明显大小差别即可，不必严格地按照这些角度差安装，实际操作更加简单。

待测系统转动时，传感器后级电路会输出脉冲信号。由于感应器件排布不均匀，输出脉冲宽度也不均等。由于有三个感应器件，每个周期有三个脉宽不等的脉冲信号。测量每两个脉冲的下降沿或上升沿之间的时间间隔，连续测量三组时间数据，对三组数据进行大小比较，可以判断出脉冲序列的排列方式。改变转向时，脉冲序列的排列方式也会改变，测量并识别出不同的脉冲序列，可以判断待测系统的转向。

表1 不同转向对应的脉冲序列

转向脉冲序列正转“1”“3”“2”“3”“2”“1”“2”“1”“3”反转“1”“2”“3”“2”“3”“1”“3”“1”“2”

如图2所示，根据脉冲时间长短，分别将接收到的三个脉冲定义为“1”、“2”、“3”。不同转向和脉冲序列的对应关系如表1所示。

测量的三组时间数据分别为t1、t2、t3，待测系统转动的周期为：

T=t1+t2+t3

(1)

待测系统的转速f为：

f=1/T

(2)

与传统的非接触式测量法相比，脉冲序列识别法能够同时测量转速和转向，还具有如下优点：1)只对脉冲信号进行序列识别，对脉冲占空比要求不严格，感应器件安装更加简单；2)只需要一个传感器探头，能够感应出信号即可，不必过分考虑传感器精准的安装位置，实际操作更加简单；3)只使用传统方法一半数量的传感器和后级电路，更加节约成本；4)只占用控制器一个引脚，增加了控制器可接入外部设备的数量，增强了系统的控制能力。

3 实物测试

待测系统为一个转速可调的小型直流电机，在电机轴上固定一个圆盘，在圆盘上如图2所示固定好三个小磁钢。调节电机输入电压的大小和极性，可以调节电机的转速和转向。电机带动圆盘旋转，霍尔传感器感应小磁钢，后级电路输出不均匀的脉冲序列。单片机电路输入脉冲序列信号，进行分析计算，通过液晶显示器显示测量结果。

3.1霍尔传感器脉冲输出电路设计

实际测量使用的霍尔传感器后级电路如图3所示，开关型霍尔传感器[3,4]输出端是NPN型集电极开路输出，R1为上拉电阻；R2为三极管VT1基极限流电阻，同时由R1、C1、R2、C2组成滤波电路；R3和发光二极管LED1可以作为安装调试指示灯；R4和R5配合下面的光耦[4]实现电平转换和光电隔离；Vo端接单片机输入引脚；V1和V2是两个完全独立的电源，光耦两侧的地也是分开的，从而可以隔绝干扰通过电源正极和地在前后级电路之间相互影响，增强系统抗干扰能力。

由图3可知，当小磁钢靠近霍尔传感器时，由于检测到磁场，霍尔传感器输出端内部三极管饱和导通，a点电压被拉低到接近地电压，b点电压约为(V1-0.7)V，b、a点之间存在电位差，R2和三极管VT1基极有电流流过，VT1饱和导通[6]，LED1发光，光耦输入端有电流流过，光耦输出端等效三极管VT2饱和导通，Vo端电压被拉低接近地电压，为低电平。反之，Vo端为高电平。当电机匀速转动时，通过示波器可以看到Vo端输出的波形如图4所示。

3.2单片机程序设计

单片机作为分析计算的核心，起着非常重要的作用，是脉冲序列识别法的不可缺少组成部分。程序流程图如图5所示。

3.3测试结果

实际测试时，电机的转速从1 rad/s到300 rad/s，改变电机的转向，都可以准确可靠地测量转速和转向。转速实测数据如表2所示，理论上转速测量范围可以更大。在软件和硬件上进行改进，还可以继续扩大该系统的测量范围，提高测量精度，更好地满足实际工程和科研实验对转速转向测量的要求。

表2 转速实测数据

4 脉冲序列识别法的一般实现方法

脉冲序列识别法采用新的设计思想，一般性的设计方法，可以有多种实现方式，并不拘泥于文中提到的具体的软、硬件实现方式。设计脉冲序列识别法要注意的三点：1)感应器件的排布和选择；2)传感器电路的设计；3)微控制器程序的设计。

1)感应器件的排布和选择。感应器件的不均匀分布是脉冲序列识别法的重要特征。前文说明采用三个不均匀排布的小磁钢作为一组感应器件的方法，也可以采用更多数量的小磁钢作为一组感应器件，但是三个作为一组既可以实现功能又简单方便。在一个转盘上可以均匀放置多组感应器件，这样可以增加转速测量的灵敏度而不影响转向的判断。感应器件还可以是反射式光电编码盘或遮断式圆光栅[7]，令反射式光电编码盘黑白相间的条纹不均匀分布，黑白三个一组，白条纹宽度不变， 逐个加宽黑条纹的宽度，如图6所示。令遮断式圆光栅的孔隙不均匀分布，三个孔隙一组，每组内逐个增大孔隙之间的距离。这样就可以使传感器感应出脉宽不等的脉冲序列。

2)传感器电路的设计。非接触式测量转速转向法的传感器种类繁多，性能各异。有的传感器输出信号很小，需要设计放大、滤波、整形电路[6]；有的传感器为开关型器件，可以直接输出TTL信号[6]。不同的传感器有不同的后级电路设计方法，但要注意电路隔离设计以增强抗干扰能力，这直接关系到系统的准确性和可靠性。

3)微控制器程序的设计。微控制程序设计是脉冲序列识别法的关键。脉冲序列识别法正是利用了微处理器强大的处理功能，选择更好、更快、资源更丰富的微处理器，优化程序结构，可以增强系统的准确性和可靠性。

脉冲序列识别法具有良好的发展前景：传感器和后级电路体积可以做得很小，如果将整个电路集成，可以作为一个转速转向测量的专用传感器模块[4]；如果再集成小体积的微控制器，将测量程序固化，可以作数字传感器[4]，和其他系统的连接更加方便；如果再进一步优化硬件和软件，可以研制成智能传感器[4]，功能更强，可靠性更高，应用更广泛。

5 结论

1)传统的非接触式测量法测量转向时需要使用两组传感器探头，并且对两组传感器探头的相对安装位置要求严格，存在操作难度大、使用易出错的问题。

2)脉冲序列识别法，只需使用一组传感器探头，利用感应器件的不均匀排布，使传感器输出脉宽不等的脉冲序列，再利用微控制器对脉冲序列进行识别和测量来获得待测系统的转速和转向，解决了传统非接触式测量法存在的问题。

3)脉冲序列识别法使用更少的传感器和后级电路，占用更少的控制器端口，更加节约成本，实物测试结果证明脉冲序列识别法具有准确性和可靠性，并提出了脉冲序列识别法的一般实现方法。

[1] 王阳恩，肖靖.基于单片机的光电无接触转速测量仪的设计[J].电子测量技术，2012，35(9):83-86.

[2] 戴文进，徐龙权.电机学[M].北京：清华大学出版社，2009.

[3] 徐科军.电气测试技术[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4] 王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[5] 蒋晶，蒋东方，高航.高可靠性增量式光电编码器接口电路设计[J].测控技术，2009，28(2):1-4.

[6] 康华光，陈大钦，张林.电子技术基础(模拟部分)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[7] 邓建，林桦.基于DSP的绝对式光电编码器的电机转速测量[J].电机与控制应用，2010，37(1):50-55.

NewMethodtoMeasureRotatingVelocityandDirectionBasedonPulseSequenceIdentification

WANG Xin-hao， PAN Li-wei， WANG Yong， LIU Si-cui

(State Grid Jibei Chengde Power Company, Chengde 067000, Hebei, China)

To overcome the shortcomings such as difficult to operate and easy to make mistakes of the traditional non-contact rotating direction measurement, a new method called pulse sequence identification is proposed. This method uses the uneven arrangement of sensing devices, makes the sensors output pulse sequence with different pulse width, uses a microcontroller to identify the pulse sequence to measure the rotating direction of the system under test, at the same time measures rotating velocity. Hardware circuit system using Hall sensor assorting with microcontroller was built to physical test, demonstrated the correctness and reliability of this method. The new method overcomes the shortcomings of the traditional non-contact rotating direction measurement, and it also has the advantages of simple structure, low cost and so on.

the method of pulse sequence identification; rotating velocity and direction measurement; Hall sensors; optoelectronic sensors; microcontroller

TP212

A

1008-9446(2017)04-0059-05

2016-11-21

王新浩(1989-)，男，辽宁朝阳人，硕士，从事电力调度工作，E-mail:981658135@qq.com。