基于FPGA的电机转速测量仪实时校准方法

高运，李轶灏

（上海航天控制技术研究所，上海，200000）

0 引言

测量仪实时校准的最终目的是为了确定计量仪器或测量系统的示值与实际值之间误差，并予以校正的一种方法。然而实践发现，上述传统的测量仪校正方法存在矫枉过正、校正值不足等现象，导致出现电机转速测量仪校准效果不佳的问题，利用该测量仪得出的电机转速测量结果与实际转速之间的误差较大，因此不具有参考价值。为解决上述问题，利用FPGA实现对测量仪校准方法的优化设计。FPGA就是现场可编程门阵列，该设备以并行运算为主，以硬件描述语言来实现。通过FPGA的应用实现对电机转速测量仪实时校准方法的优化设计，以期降低测量仪的校准误差。

1 电机转速测量仪实时校准方法设计

1.1 实时收集电机转速信号

通过分析电机的基本运行原理，实现对电机转速信号的监测，并以此作为电机转速信息的实际值。以直流电机为例，该电机结构由定子和转子两部分组成，其中定子就是固定不动，主要用来产生磁场的部分，而转子就是随电机的运行不断转动，主要用来产生电磁转矩[2]。结合电机在实际工作中的工作特性，其指示扭矩处于周期性波动变化，因此即使电机的负荷恒定，其转速也存在周期性波动。假设电机转速的表达式为：

式中，n0和∆n分别表示的是电机的平均转速和电机的转速波动量，而参数z表示电机的缸数，t为电机运行时间，变量fr为电机的平均转频。那么电机内的瞬时角速度及其内部的轮齿角速度可以通过公式2来计算。

式中，zn代表电机设备中测速齿轮的数量。以任意一个齿轮为基准，经过一定的时间后可以得出该齿轮转过的角度，记为ϕ[3]。借助A相电机转速信号的放大和有效值转换电路，实现对电机转速信号的实时收集与监测，在监测电路中需要嵌入滤波电路，滤除掉电源电压线上的波动干扰，确保实时收集的电机转速信号的稳定与准确。

1.2 统计转速测量仪的测量数据

电机转速测量仪的测量原理是检测光电编码器的脉冲信号，从而计算电机的转速，其测频方法采用等精度的测频方法。电机转速信号在测量过程中，测量仪的闸门时间为被测信号周期的整数倍，而不是一个固定的测量值。测量仪在工作过程中，其内部的计数器可以同时计数被测信号和标准时钟，被测信号上升沿到来时，计数器开始计数。

从监测电路得出的电机转速实时收集结果可知，电机的真实转速为n，由于测量仪中的计数器是由电机转速信号的上升沿触发计数，下降沿停止计数，因此在计数时间内得出的脉冲个数为真实值，无理论误差，得出的转速测量结果也为真实的转速结果。

1.3 计算电机转速测量仪的校准值

综合实时收集电机转速信号值，转速测量仪的测量数据的统计结果以及测量仪误差的分析结果，即可得出电机转速测量仪的计算结果，也就是校准值的计算结果。校准值的计算方法就是将测量仪显示的测量数据与实时信号数据相减，并与固定误差值相减，若得出的结果为0，则该测量仪设备无其他误差，可以将固定误差作为校准值，导入到校准装置中。若计算结果不为0，则表示除了测量仪的固定误差之外，还存在其他误差项，固定误差与计算结果的和即为电机转速测量仪的校准值。

1.4 利用FPGA技术设计校准滤波设备

由于在不同的电机转速下，对测量仪施加的测量负载压力不同，因此对应的测量误差也存在些许差异。为了实现对测量仪的实时校准，利用FPGA技术设计并安装校准滤波设备。

FPGA芯片内部共使用了三个频率时钟，分别为速度检测和校正量发出频率，该频率值为1KHz，另外PWM波频率为16KHz，而数字滤波器使用的控制频率定义为1.5MHz。通过分频器与DCM的协同工作实现对测量仪校正设备的分频处理。另外控制器也就是校准程序的实现部分，以输入的校准数据为依据，实现对电机转速测量仪的校准，最终的校准结果通过PWM输出。

将计算得出的电机转速测量仪的校准值作为输入项代入到FPGA技术设计校准滤波设备中，分别得出校准前的输出结果和校准后测量仪的输出结果。在FPGA芯片准则下，测量仪的校准值都收敛于最优解，那么当校准滤波设备收敛到稳态即最优解后，便实现了对电机转速测量仪的实时校准处理。

2 校准效果测试实验分析

为测试本文方法的校准效果，设计校准效果的测试实验，并在实验中设置传统方法1和传统方法2作为实验的两种对比方法，将三种校准方法应用到相同的实验环境中，对比研究电机对象的设置转速值与测量仪测量结果之间的误差，从而验证校准效果。

2.1 构建实验环境

此次实验环境分为两个部分，一个是电机的运行环境，选择的是某工业加工厂的生产部门，该部门具有完整的一套生产线监测系统，可以保证实验的安全性和有效性。另外一个就是电机转速测量仪校正结果的测试环境，分别准备三台相同型号的测量仪，并保证测量仪的初始误差和固定误差值相同，确保实验变量的唯一性。

2.2 准备FPGA芯片

由于此次优化设计的校准方法应用了FPGA技术，因此需要在实验环境中安装FPGA芯片，保证校准方法的正常运行。此次实验中准备的FPGA芯片信号为Altera Cyclone IV E ,EP4CE15F23C8，该设备要求输出电压范围从1.2V到5V，为保证FPGA芯片设备的正确上电，内核电压VCCINT的缓升时间必须在规定的范围内。

2.3 设置电机转速数据

实验环境中研究对象，即实验电机的转速范围为500r/min-6000r/min，设定和实际转速的调节分度值分别为100r/min和1r/min，实际转速的示值误差为±0.2%。测量仪测量的转速脉冲信号的高电平与低电平幅值范围分别为[9V,12V]和[0V,1V]。

2.4 校准效果测试对比结果分析

在实际的测试过程中，首先利用测量仪测量电机转速，并以此作为实验的对比数据。接着利用三种校准方法分别对测量仪进行校准处理，在相同的电机使用工况下，得出新的一组测量数据，经过数据的前后对比从而得出测量仪的校准值以及校准效果。

通过数据对比得出实验的测试对比结果，如表1所示。

表1 测试实验对比结果

经过对比可以看出，相比于传统方法1和传统方法2，应用设计方法实施测量仪的校准处理，得出的电机转速数据更加接近电机转速实际设置数据，因此设计基于FPGA的电机转速测量仪实时校准方法的效果更优。

3 结束语

将FPGA芯片及其相关运行技术应用到测量仪的校正工作中，可以有效地实现对测量仪的精准校正，测量出的电机转速测量结果更加精准，对于工业生产而言具有较大的应用价值。然而从实践结果中可以看出应用设计的校正方法后，测量仪得出的电机转速测量结果还存在一定程度的误差，因此需要在未来的研究工作中进一步优化。