减少元器件离散性影响的电机负载判断方法

作者：姜德志 （中国海洋大学信息科学与工程学院）陈艳丽 （海尔集团科技公司开发部）

摘要：本文介绍了一种电机负载检测方法，通过检测第1个脉冲宽度的方法而不是通过检测脉冲个数来检测电机负载的多少，从而可以大大减小由于元器件参数离散性引起的误差。文中以详细的实验数据来说明了该方法的可靠性。

关键词：负载判断 传输比 脉冲宽度

背景：在一些应用中，经常需要对负载大小进行检测，例如电机拖动、家电等，有一个简单的方法是测电机发电状态时脉冲个数来进行负载大小的检测和判断，这种方法适合于感应电机。
　　检测原理如下：
　　电机负载不同，对电机产生的阻力不同，如果给电机通电一个固定的较短的时间，负载的大小就会直接影响电机所能达到的最高转速。停止电机供电，电机由于惯性会继续转动。由于电机转子剩磁的存在，自由转动的电机就处于发电状态，同样受负载大小的影响，和转速不同，电机自由转动时发出交流信号脉冲个数就会不同。检出这个脉冲个数，就可以大概的判断出负载的大小。
　　在这种处理过程中，通常采用的硬件电路如图1所示，
　
                                       图1
　　当电机处于发电状态时产生的交流电压信号经过光耦转换为矩形波脉冲信号，单片机通过检测这个脉冲信号就可以获得电机转动情况，通常通过检出脉冲的个数获得负载数据。
　　实际应用中，当电机处于发电状态时，由于电机转动越来越弱，再加上剩磁越来越弱，发出的信号必然越来越弱（如图2所示），此时经过光耦转换后的脉冲如图3所示，最后非常弱的电压信号就变成了很窄的脉冲信号。
　
                                                图2
　
                                           图3
　　由于光耦传输比的不同，即使电机发出信号相同，经过光耦转换后的信号也会不同，图3所示的是光耦传输比为150时的脉冲信号，图4所示的是光耦传输比为80时的脉冲信号。可以看出图4比图3少一个脉冲。

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                                           图4
　　检测脉冲个数的方法，可能就会因为光耦传输比的不同而带来较大的判断误差，这一点在我们的实际使用中也确实发现了问题，用不同批次光耦生产的整机判断结果有很大的差异。
　　本人结合多年开发的经验，给出一种新的方法，可以大大减小光耦传输比离散性的影响。

方法：　

　　电机发电产生的电压信号是正弦波，在幅度达到一定高度后，光耦会工作在饱和导通的状态，此时传输的信号与光耦传输比没有关系。
对于信号幅度低时，光耦将工作在放大状态，此时，光耦传输比的影响符合下面的关系式。
　――――式1
　　这个式子不是等号和乘积关系，代表正比关系。
　　式中，
　　VA：光耦受光端产生的电压，这个电压越高，N1放大后信号幅度越大。
 K：其他参数影响的系数，由于电阻等的影响很小，可以认为是常数
 VAC/R1：光耦发光端发光电流。其中VAC就是电机发电产生的信号的电压幅度
 POP：光耦传输比
 VCC：光耦受光端上拉的电压幅度。
　　从这个关系式可以看出，由于POP的变化范围大（0.8~1.6），对信号处理的结果的影响也大。如果电压信号多数是弱信号，光耦多数工作于放大状态，则对测量结果带来的影响必然大。
　　而从图2可以看出，电机刚处于发电状态时，发出的电压最高，此时光耦会更多的工作在饱和状态，这样第1个脉冲应该是光耦离散性影响最小的。
　　通过观察图3和图4我们也可以发现，对同一型号的光耦，无论光耦传输比怎样变化，第一个脉冲宽度基本是一样的，因此检测第一个脉冲的宽度，就可以避免光耦传输比的影响。
　　但除了减少零部件的影响之外，还必须能够对负载大小进行判断，所以我们进行了实验．
　　实验1：
    我们再同一台机器上用不同负载进行检测，获得了不同负载下的波形，如图5所示
　
                       图5
　　实验1结论：从图可以看出，这个脉冲宽度随负载的变化在逐渐变宽。可以确定，通过这个方法能够进行负载大小的判断。
　　具体的处理过程如下：
　　电机正转和反转的驱动均用可控硅实现，对可控硅的驱动我们采用过零点驱动的方式，这样就可以很好的获得电机发电状态时第1个脉冲的开始。
　　对电机的驱动是正转0.4秒，停0.6秒，反转0.4秒，停0.6秒。
　　当过零点时，可控硅断开，此时电机进入发电状态，开始发出第1个脉冲，单片机获得信号电平第1个沿变化后开始计时，到另外一个相同的沿变化时结束，所计时间就是第1个脉冲的宽度。

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　　我们让电机反复正转和反转6次，获得12个这样的脉冲。对这12个脉冲进行处理即可获得负载大小的表示值。
　　为证明方法的可行性，我们进行了实验2。
　　实验2
　　我们筛选3个偏差大的光耦，在同一台整机上进行了实验，获得了如下一组实验数据（表1）
　　表1
　
　　实验2结论：从实验结果可以看出，光耦离散性的影响是很小的，而且可以很好的对负载大小进行判断。
　　
　　结论：

　　光耦对测量结果的影响主要是在放大状态时产生的，只要减少光耦工作于放大状态的时间，就可以减少光耦的影响。经过改进之后的方法，可以使光耦更多的工作于饱和状态，从而使检出的结果更可考。

　　参考文献：

　　1．《光电技术》 电子工业出版社 2005年4月

　　作者简介：姜德志，海尔集团研发推进本部大型号经理，中国海洋大学工程硕士研究生。14年从事控制产品研发和管理，拥有近百项发明和实用新型专利。
　　陈艳丽：海尔集团研发推进本部型号经理，硕士，拥有近多项发明和实用新型专利。
　　联系方式：青岛市海尔路1号海尔园中央研究院 266103
　　电话：0532－83050383 13573211693
　　e-mail: gndc@163.com