轉速測算方法及優化選擇

張風波等

摘 要 分析機械設備研制中轉速測算的3種方法，進行比對驗證試驗，并分析其應用特點，為根據不同使用場合選擇合適的測速方法提供借鑒。

關鍵詞 測算方法 傳感器 脈沖 M法 T法 M/T法

引 言

防化洗消裝備中，為提高洗消效率與效果，需要對洗消藥劑的流量與壓力進行儀表監測與控制，實現這一目標的關鍵首先就是對水泵、空壓機等洗消設備的轉速進行實時檢測。轉速檢測方法與選用的傳感器類型息息相關[1]，目前其測算方法主要有3種。一般而言，測算方法的選取，需要根據不同的使用場合、控制精度要求、控制器性能與成本核算等因素進行全面衡量。因此，對轉速的3種測算方法及其特點進行討論分析，了解它們的適用場合與使用要求，對指導裝備研制過程具有實際的指導意義。

1 轉速測算方法與原理

轉速傳感器的種類很多，如光電脈沖編碼器、直線光柵尺、感應同步器、旋轉變壓器、直線磁柵尺、電磁式脈沖測速機等。轉速測量系統的結構基本類似，主要由轉速傳感器、測速齒輪、定時/計數器等組成，系統結構與測速原理分別如圖1（a）、（b）所示。實際轉速的測算方法可分為：脈沖數法（M法）、脈沖周期法（T法）與M/T法3種[2，3]。

1.1 脈沖數法測速原理

在額定時間間隔Tg內，測得轉速傳感器輸出的脈沖數Mp，若每轉一圈轉速傳感器輸出的脈沖數為P，則進行時間單位轉化后得到轉軸的轉速：

1.2 脈沖周期法測速原理

測速原理：通過測量轉速傳感器輸出一個脈沖的周期時間來確定被測速度。若在被測信號周期內測得已知頻率為fc的時鐘脈沖數為mc個，每轉一圈轉速傳感器輸出的脈沖數為P，則進行時間單位轉化后得到轉軸的轉速：

1.3 M/T法測速原理

測速原理：用被測脈沖的下降沿啟動對時間間隔Tg計時和對時間脈沖fc計數，在達到時間Tg后第一個被測脈沖的下降沿終止時間脈沖計數，每轉一圈轉速傳感器輸出的脈沖數為P，則轉軸的轉速：

2 驗證試驗方法

2.1 系統組成

試驗系統由變頻器、變頻電機、s7 200 PLC、工控機、測速齒輪、霍爾傳感器等組成，其中：霍爾傳感器輸出轉速脈沖；s7 200 PLC既輸出額定信號控制變頻器頻率，驅動變頻電機按設定轉速運轉，又檢測霍爾傳感器輸入的脈沖信號，通過內部計數器、定時器等模塊計算獲得實際轉速[4，5]；工控機處理并顯示實際轉速。

2.2 M法

取模數21（P=21）的測速齒輪，s7 200 PLC模擬量輸出模塊設定變頻電機轉速分別為300、600、900、1200rpm，定時器設定額定時間間隔Tg分別為10、20、50、100、200、500ms，計數器記錄Tg內的轉速脈沖數MP，由公式：

計算得到實際轉速n；取模數14、32的測速齒輪，重復上述過程，比對驗證測速齒輪模數對M法精度的影響。

2.3 T法

取模數分別為14、21、32的測速齒輪，s7 200 PLC模擬量輸出模塊設定變頻電機轉速分別為300、600、900、1200rpm，開關量輸入模塊采集任一轉速脈沖的上升沿與下降沿，作為時間脈沖計數器的啟停信號，測得轉速脈沖周期內的時間脈沖數mc（已知fc），由公式：

計算得到實際轉速n。

2.4 M/T法

取模數21的測速齒輪，s7 200 PLC模擬量輸出模塊設定變頻電機轉速分別為300、600、900、1200rpm，設定時間間隔Tg分別為20、40ms，記錄MP個轉速脈沖內的時間脈沖數mc（已知fc），由公式：

計算得到實際轉速n；取模數14、32的測速齒輪，重復上述過程，比對驗證測速齒輪模數對M/T法精度的影響。

3 實驗結果與分析

3.1 M法

在設定轉速（300、600、900、1200rpm）下，取額定時間間隔Tg分別為10、20、50、100、200、500ms，測算轉軸轉速（見圖5）。

可以看出：轉速n越高、時間間隔Tg越長，則M法的精度越高。原因在于：M法在相同的時間間隔Tg內，測得的脈沖數Mp不同，則轉速不同，但是在脈沖量測量的過程中，總會有1個脈沖的檢測誤差，相對誤差為1/Mp；若Tg不變，隨著轉速增加，Mp增大，測速的相對誤差減小，從而說明M法適合于高速測量。

當轉速較低時，要提高測量精度，可以延長測量時間Tg，或選用每圈脈沖數更高的測速裝置（增大P值，如圖6所示），或進行細分等方法。

3.2 T法

在設定轉速（300、600、900、1200rpm）下，采用脈沖周期法測算轉軸轉速（見圖7）。

可以看出：轉速n越低，P值越小，T法測速的精度越高。原因在于：T法在脈沖量測量過程中也會有1個脈沖的檢測誤差，相對誤差為1/mc；隨著轉速減小，mc增大，相對誤差減小，說明T法適合于低速測量。

3.3 M/T法

在設定轉速（300、600、900、1200rpm）下，取額定時間間隔Tg分別為20、40ms，測算轉軸轉速（見圖8）。

可以看出：M/T法測速的精度不受轉速高低的影響，當被測對象轉速變化范圍大，而且要求測量精度高時，可采用M/T法；為進一步提高測速精度，可以延長時間間隔Tg，或適當減小P值（如圖9）。

4 小結

轉速的3種測算方法各有優缺點，M法測速的誤差在于測量時間Tg是固定的，總會產生一個被測脈沖的測量誤差，而且測量的不是完整的脈沖周期；T法測速誤差在于只測一個周期，高速時測速時間太短；M/ T法克服M法和T法的缺點，既保證一定測量時間，同時又保證測量完整的被測脈沖周期：與M法相比較，測量完整的被測脈沖周期；與T法相比較；測量時間不再是一個脈沖周期，而是Tg+ΔT。

當被測轉速較低時，適宜采取T法；當被測轉速較高時，適宜采取M法；當被測轉速變化范圍較大時，適宜采取M/ T法。

同時，轉速測算方法的選取還需綜合考慮精度需求、控制器性能、經濟性等因素。比如，M/ T法較M法、T法的控制算法更復雜，對控制器的性能要求與成本也更高。

參考文獻

[1] 周潤景，赫曉霞.傳感器與檢測技術[M].北京：電子工業出版社，2009：289-303.

[2] 蔣浩，孔飄紅.電機轉速檢測方法與誤差分析[J].中國測試技術，2003，（2）：59.

[3] 肖本賢，陳榮保.電機的幾種測速方法[J].機電工程，1998，（1）：54-55.

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[5] 王鵬，閆健.基于PLC的電機轉速測量[J].PLC&FA，2008， （3）：60-61.