CN110412363B - 一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统，系统包括信号处理模块、信号偏置模块、电压比较模块、电机速度控制模块、速度测量模块、速度调节模块、控制器；电场信号处理模块采集并反相放大被测电场信号，一路经电压比较后输出电场方波信号以输入到控制器的I/O口，另一路经过信号偏置后输入到控制器的A/D通道；电机速度控制模块输出光栅信号经速度测量模块得到速度信号，传递给控制器的外部中断端口，控制器在速度信号引起外部中断时，通过速度调节模块输出PWM信号以控制电机转速变化与预设值一致，实现闭环控制；控制器在光栅信号引起外部中断的时间段内，根据电场方波信号的电平状态和电场信号经过放大器次数判断电场极性。

Description

一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统

技术领域

本发明涉及电场测量技术领域，尤其涉及一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统。

背景技术

目前，合成电场测试仪多采用稳压开环控制电机速度、硬件鉴相电路实现合成电场信号的处理方式。电机转速决定传感器输出的电场信号和光栅输出的信号频率，光栅信号和电场信号频率相同，根据电场极性不同，二者信号的相位或相同或相反。利用这一特性，使用硬件鉴相电路可实现电场信号处理，得到正极性信号或负极性信号。负极性信号在经过一次反相放大器变为正极性信号，以便A/D处理。但硬件鉴相电路需要硬件元器件较多，调整难度大。

此外，稳压电路虽然在较大范围内可以稳定输出某一个电压值，但由于电机性能不同，负载发生变化时(如电机卡涩、轴承摩擦力增大等)，都会影响电机速度，电机转速变化必将影响测量信号频率变化，进而影响结果的准确性。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一，为此本发明提供了一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

提供了一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统，所述系统包括信号处理模块、信号偏置模块、电压比较模块、电机速度控制模块、速度测量模块、速度调节模块、控制器；

所述信号处理模块采集并反相放大被测电场信号，放大后的所述电场信号一路经所述电压比较模块输出电场方波信号，以输入到所述控制器的I/O口，另一路经过所述信号偏置模块处理后输入到所述控制器的A/D通道；

所述电机速度控制模块输出的光栅信号经所述速度测量模块处理得到速度信号，并传递给所述控制器的外部中断端口；

所述控制器在所述速度信号引起外部中断时，通过所述速度调节模块计算电机的PWM信号以控制电机转速变化与预设值一致；

所述控制器在所述速度信号引起外部中断的时间段内，获取所述电场方波信号的电平状态，并根据所述电场方波信号的电平状态和所述电场信号经过反相放大器次数，判断所述电场信号的极性。

进一步地，所述控制器具体用于：

所述速度信号每N次引起外部中断时，调用所述速度调节模块中的PID中断程序进行一次PID运算，计算出电机驱动脉冲占空比，并根据所述电机驱动脉冲占空比输出用于驱动电机的PWM信号至所述电机速度控制模块，其中N为正整数。

进一步地，所述控制器的外部中断端口设置为下降沿触发方式。

进一步地，所述控制器具体还用于：

调用所述速度调节模块中的PID中断程序按照预设的控制周期，根据所述电机驱动脉冲占空比的大小，在小于所述电机驱动脉冲占空比的时间内，输出的所述PWM信号为高电平，在大于所述电机驱动脉冲占空比的时间内，输出的所述PWM信号为低电平。

进一步地，所述控制器在所述速度信号引起外部中断时，通过所述速度调节模块计算电机的PWM信号以控制电机转速变化与预设值一致，实现电机速度闭环控制，且保证电机速度调节误差不超过0.5％。

进一步地，所述电压比较模块包括过零比较电路，所述电场信号经过所述过零比较电路形成低电平为0V、高电平为5V的电场方波信号。

进一步地，所述信号偏置模块具体用于：

将所述信号处理模块放大后的电场信号处理成正偏置电场信号，并传递给所述控制器；

所述控制器具体还用于：

根据所述正偏置电场信号进行A/D转换，并计算得到所述电场信号的大小。

进一步地，所述信号偏置模块将所述反相放大后的电场信号偏置到2.5V，得到所述正偏置电场信号。

进一步地，所述控制器具体还用于：

在所述速度信号引起外部中断的时间段内，所述光栅信号保持低电平状态，调用所述速度调节模块中的PID中断程序，读取接收到所述电场方波信号的电平状态，并分别记录高电平和低电平的次数；

如果记录的高电平次数大于低电平，则将所述时间段的所述电场方波信号记录为高电平状态，否则将所述时间段的所述电场方波信号记录为低电平状态。

进一步地，所述控制器还用于：

在所述速度信号保持低电平状态、且所述电场信号经过所述信号处理模块中的反相放大器的次数为奇数时，若所述电场方波信号为低电平状态，则确定所述电场信号为正极性，若所述电场方波信号为高电平状态，则确定所述电场信号为负极性；

在所述速度信号保持低电平状态、且所述电场信号经过所述信号处理模块中的反相放大器的次数为偶数时，若所述电场方波信号为低电平状态，则确定所述电场信号为负极性，若所述电场方波信号为高电平状态，则确定所述电场信号为正极性。

本发明实施例提供一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统，通过采用光栅实现对合成场测试仪电机速度的测量，并由控制器通过调用速度调节模块中的PID中断程序进行PID运算，得到用于驱动电机的PWM信号，实现对电机速度的实时闭环控制调节，使得电机可以在不同负载条件下稳定运行，确保传感器输出的被测电场信号的稳定，在源头上避免电机转速变化带来的测量误差；并且，利用对光栅信号处理得到的速度信号作为靠控制器的外部中断信号，根据电场信号输出电平状态和反相放大器级数之间的关系，来判断电场信号的极性，实现了合成电场的准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例提供的基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统的框图；

图2示出了本发明实施例提供的PID中断程序流程示意图；

图3示出了本发明实施例提供的过零比较电路的示意图；

图4示出了本发明实施例提供的电压偏置电路的示意图；

图5示出了本发明实施例提供的极性判断流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例提供的基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统的框图，如图1所示，该系统包括信号处理模块10、控制器20、电压比较模块30、信号偏置模块40、电机速度控制模块50、速度测量模块60、速度调节模块70，信号处理模块10分别与电压比较模块30、信号偏置模块40相连接，电机速度控制模块50分别与速度测量模块60、速度调节模块70相连接，电压比较模块30、信号偏置模块40、速度测量模块60、速度调节模块70分别控制器20相连接。

信号处理模块10采集并反相放大被测电场信号，放大后的电场信号一路经电压比较模块30输出电场方波信号，以输入到控制器20的I/O口，另一路经过信号偏置模块40处理后输入到控制器20的A/D通道。

电机速度控制模块50输出的光栅信号经速度测量模块60处理得到速度信号，并传递给控制器20的外部中断端口，经速度测量模块60输出的光栅信号作为外部中断信号。

控制器20在速度信号引起外部中断时，通过速度调节模块70计算电机的PWM信号以控制电机转速与在预设值一致，其中，控制器20可以通过调用速度调节模块70中的PID中断程序进行PID运算，得到用于驱动电机的PWM信号，以控制电机转速与预设值一致；

控制器20在速度信号引起外部中断的时间段内，获取电场方波信号的电平状态，并根据电场方波信号的电平状态和电场信号经过反相放大器的次数，判断电场信号的极性。

具体地，信号处理模块10包括传感器和多级反相放大器，传感器采集合成电场信号，多级反相放大器用于对采集到的电场信号进行反相放大。电机速度控制模块输出的光栅信号可以用于作为合成场探头电机的转速的测量信号，电机速度控制模块50输出的光栅信号输入到速度测量模块60，经过速度测量模块60对输入光栅信号的幅度和相位进行调整，从而得到所需波形的速度信号输出。控制器20可以采用单片机，经速度测量模块对光栅信号处理得到的速度信号可以作为外部中断信号传输至单片机的外部中断INT0端口，在速度信号引起外部中断的过程中，单片机调用速度调节模块70内的PID中断程序进行PID运算，得到用于驱动电机的PWM信号，以闭环控制电机转速变化在预设阈值内。优选地，控制器20在速度信号引起外部中断时，通过速度调节模块70计算电机的PWM信号以控制电机转速变化与预设值一致，实现电机速度闭环控制，且保证转速调节误差不超过0.5％，其中，PID闭环运算所需的参数是通过电机、叶片等物理结构建立的转动模型计算得到的。由于合成场探头电机转速决定传感器输出的电场信号和光栅输出的信号频率，因此通过基于作为合成场探头电机的转速的测量信号的光栅信号和PID闭环控制电机速度调节误差在0.5％以内，能够确保被测电场信号的稳定。

由于合成场探头电机转速决定被测电场信号和光栅输出的信号频率，光栅信号和电场信号频率相同，根据电场极性不同，二者信号的相位或相同或相反。利用这一特性，使用控制器20中的软件极性判断程序可实现电场信号处理，判断出电场信号是正极性信号还是负极性信号。

信号处理模块10输出的放大后的电场信号传递给电压比较模块30后可以得到电场方波信号，该电场方波信号输入到控制器20的I/O口，控制器20在任意时刻可以读取电场方波信号，确定出电场方波信号是高电平状态还是低电平状态。如此可以使控制器20在光栅信号引起外部中断的时间段内，根据电场方波信号的电平状态和电场信号经过信号处理模块中的反相放大器的次数，判断出电场信号是正极性信号还是负极性信号。

进一步地，控制器20具体用于：

速度信号每N次引起外部中断时，调用速度调节模块70中的PID中断程序进行一次PID运算，计算出电机驱动脉冲占空比，并根据电机驱动脉冲占空比输出用于驱动电机的PWM信号至电机速度控制模块50，其中N为正整数。

图2示出了本发明实施例提供的PID中断程序流程示意图，参照图4所示，通过电机速度控制模块对电机速度采集，得到光栅信号，经速度测量模块处理该光栅信号后输出速度信号，传递给控制器的外部中断端口，控制器在速度信号引起外部中断时，通过PID控制器判断速度调节误差是否满足要求，以调控电机速度，若满足，则输出控制电机的PWM信号至电机速度控制模块，否则，返回至通过电机速度控制模块对电机速度采集的步骤。

所述控制器在所述速度信号引起外部中断时，通过所述速度调节模块计算电机的PWM信号以控制电机转速变化与预设值

优选地，N＝6，速度信号作为外部中断信号每产生6次外部中断时，PID中断程序进行一次PID运算，计算出电机驱动脉冲占空比，并根据电机驱动脉冲占空比输出用于驱动电机的PWM信号至电机速度控制模块，以实现闭环控制电机转速变化不超过0.5％。其中，速度调节模块可以设置定时为1ms的工作方式，PID中断程序输出PWM信号至电机速度控制模块。

进一步地，控制器20的外部中断端口设置为下降沿触发方式。当输入外部中断端口的速度信号电位从高到低时产生中断，也就是说一次下降沿，产生一次中断。

进一步地，控制器20具体还用于：

调用速度调节模块70中的PID中断程序按照预设的控制周期，根据电机驱动脉冲占空比的大小，在小于电机驱动脉冲占空比的时间内，输出的PWM信号为高电平，在大于电机驱动脉冲占空比的时间内，输出的PWM信号为低电平。优选地，每100ms作为一个控制周期。

进一步地，电压比较模块30包括过零比较电路，电场信号经过过零比较电路形成低电平为0V、高电平为5V的电场方波信号。

如图3所示，图3示出了本发明实施例提供的过零比较电路的示意图，该过零比较电路采用IC LMV33作为电压比较器，电压比较器的输入端输入的是经过信号处理模块10放大后的电场信号，通过电压比较器对该电场信号与电压参考信号V＝0V进行比较，可以输出低电平为0V、高电平为5V的电场方波信号。

进一步地，信号偏置模块40，用于将信号处理模块10输出的放大后的电场信号处理成正偏置电场信号，并传递给控制器20；控制器20，还用于根据正偏置电场信号进行A/D转换，并计算得到电场信号的大小。

进一步地，信号偏置模块40将反相放大后的电场信号偏置到2.5V，得到正偏置电场信号。偏置电路产生的正偏置电场信号输出至控制器20的A/D通道，以供控制器20进行A/D采样处理，并通过软件处理和校准得到电场的大小。

如图4所示，图4示出了本发明实施例提供的电压偏置电路的示意图，该电压偏置电路采用IC LF353对电场信号进行电压偏置处理偏置到2.5V，得到正偏置电场信号，管输入带宽运算放大器，是双运放，特点是高输入阻抗、低噪声、带宽及输出转换速率高。

进一步地，控制器20具体还用于：

在速度信号引起外部中断的时间段内，速度信号保持低电平状态，调用速度调节模块70中的PID中断程序，读取接收到电场方波信号的电平状态，并分别记录高电平和低电平的次数；如果记录的高电平次数大于低电平，则将时间段的电场方波信号记录为高电平状态，否则将时间段的电场方波信号记录为低电平状态。

具体地，控制器20调用速度调节模块70中的PID中断程序读取控制器I/O口的状态，确定出电场方波信号的电平状态是高电平还是低电平，并分别记录高电平和低电平的次数，如果高电平次数大于低电平则该时段的电场方波信号记录为高电平状态H2，反之则该时段的电场方波信号记录为低电平状态。

进一步地，控制器20具体还用于：

在速度信号保持低电平状态、且电场信号经过信号处理模块10中的反相放大器的次数为奇数时，若电场方波信号为低电平状态，则确定电场信号为正极性，若电场方波信号为高电平状态，则确定电场信号为负极性；

在速度信号保持低电平状态、且电场信号经过信号处理模块10中的反相放大器的次数为偶数时，若电场方波信号为低电平状态，则确定电场信号为负极性，若电场方波信号为高电平状态，则确定电场信号为正极性。

具体地，控制器20内设有软件极性判断程序，该极性判断程序能够实现电场信号处理，判断出电场信号是得到正极性信号或还是负极性信号使用软件极性判断模块。

图5示出了本发明实施例提供的极性判断流程示意图，参照图5所示，电场信号和速度信号输入到极性判断程序，根据极性判断程序进行判断出电场极性，其中，极性判断程序具体可以根据如下表所示的电场信号极性判断表判断电场信号的极性，其中：L1表示速度信号保持在低电平状态，L2表示电场方波信号低电平状态，H2表示电场方波信号高电平状态：

综上所述，本发明实施例中，合成场探头电机转速决定传感器输出的电场信号和光栅输出的频率信号，光栅信号和电场信号频率相同，根据电场极性不同，二者信号的相位或相同或相反。在电机速度控制方面，经速度测量模块对光栅信号处理得到的速度信号作为外部中断信号，介入单片机外部中断INT0，每6次中断程序进行一次PID运算，计算出电机驱动脉冲占空比ZKB，PID中断程序输出电机驱动的PWM信号，PID闭环运算所需要的参数通过电机、叶片等物理结构建立的转动模型计算出的，通过PID闭环运算进行电机转速的计算与控制，使得电机速度控制在0.5％以内。由此通过光栅信号对电机速度的测量和PID闭环控制实现对电机速度的实时闭环调节控制，使得电机在不同负载条件下稳定运行，确保传感器输出的被测电场信号的稳定，在源头上避免电机转速变化带来的测量误差。在极性判断方面，传感器输出的电场信号放大后通过电压比较器获得电场方波信号，并连接至单片机I/O口，单片机在任意时刻读取该信号，获得高电平或低电平，利用电平状态和放大器级数之间的关系，来判断电场信号的极性。在电场测量方面，传感器输出的合成电场信号通过放大后偏置到2.5V，得到正偏置电场信号用于单片机A/D采样处理，通过软件处理和校准即可得到电场的大小，实现了电场信号的准确测量。

综上，本发明实施例实现对电场大小的测量、极性判断，完成对合成电场的测量；并且实现对测量仪器转速的精确度控制，且控制精度在0.5％以内。

尽管已描述了本发明实施例中的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例中范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于速度闭环控制的软件极性判断直流电场测量系统，其特征在于，所述系统包括信号处理模块、信号偏置模块、电压比较模块、电机速度控制模块、速度测量模块、速度调节模块、控制器；

所述信号处理模块采集并反相放大被测电场信号，放大后的所述电场信号一路经所述电压比较模块输出电场方波信号，以输入到所述控制器的I/O口，另一路经过所述信号偏置模块处理后输入到所述控制器的A/D通道；

所述电机速度控制模块输出的光栅信号经所述速度测量模块处理得到速度信号，并传递给所述控制器的外部中断端口；

所述控制器在所述速度信号引起外部中断时，通过所述速度调节模块计算电机的PWM信号以控制电机转速变化与预设值一致；

所述控制器在所述速度信号引起外部中断的时间段内，获取所述电场方波信号的电平状态，并根据所述电场方波信号的电平状态和所述电场信号经过反相放大器次数，判断所述电场信号的极性。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器具体用于：

所述光栅信号每N次引起外部中断时，调用所述速度调节模块中的PID中断程序进行一次PID运算，计算出电机驱动脉冲占空比，并根据所述电机驱动脉冲占空比输出用于驱动电机的PWM信号至所述电机速度控制模块，其中N为正整数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器的外部中断端口设置为下降沿触发方式。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制器具体还用于：

调用所述速度调节模块中的PID中断程序按照预设的控制周期，根据所述电机驱动脉冲占空比的大小，在小于所述电机驱动脉冲占空比的时间内，输出的所述PWM信号为高电平，在大于所述电机驱动脉冲占空比的时间内，输出的所述PWM信号为低电平。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器在所述速度信号引起外部中断时，通过所述速度调节模块计算电机的PWM信号以控制电机转速变化与预设值一致，实现电机速度闭环控制，且保证转速调节误差不超过0.5%。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压比较模块包括过零比较电路，所述电场信号经过所述过零比较电路形成低电平为0V、高电平为5V的电场方波信号。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号偏置模块具体用于：

将所述信号处理模块放大后的电场信号处理成正偏置电场信号，并传递给所述控制器；

所述控制器具体还用于：

根据所述正偏置电场信号进行A/D转换，并计算得到所述电场信号的大小。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述信号偏置模块将所述信号处理模块放大后的电场信号偏置到2.5V，得到所述正偏置电场信号。

9.根据权利要求1至8任一所述的系统，其特征在于，所述控制器具体还用于：

在所述速度信号引起外部中断的时间段内，所述速度信号保持低电平状态，调用所述速度调节模块中的PID中断程序，读取接收到所述电场方波信号的电平状态，并分别记录高电平和低电平的次数；

如果记录的高电平次数大于低电平次数，则将所述时间段的所述电场方波信号记录为高电平状态，否则将所述时间段的所述电场方波信号记录为低电平状态。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器具体还用于：

在所述速度信号保持低电平状态、且所述电场信号经过所述信号处理模块中的反相放大器的次数为奇数时，若所述电场方波信号为低电平状态，则确定所述电场信号为正极性，若所述电场方波信号为高电平状态，则确定所述电场信号为负极性；

在所述速度信号保持低电平状态、且所述电场信号经过所述信号处理模块中的反相放大器的次数为偶数时，若所述电场方波信号为低电平状态，则确定所述电场信号为负极性，若所述电场方波信号为高电平状态，则确定所述电场信号为正极性。

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