ARM平臺的高穩定度實時轉速測量方法

陳飛,張天宏,羅震

(南京航空航天大學　能源與動力學院　江蘇省航空動力系統重點實驗室,南京　210016)

ARM平臺的高穩定度實時轉速測量方法

陳飛,張天宏,羅震

(南京航空航天大學能源與動力學院江蘇省航空動力系統重點實驗室,南京210016)

基于ARM平臺設計了一種針對磁電式轉速傳感系統的高穩定度實時轉速測量方法,該方法能夠有效消除傳統轉速測量方法無法克服的由計數誤差和脈沖發生器的加工誤差引起的轉速測量波動。針對所設計的轉速測量方法進行試驗,結果表明,所設計的轉速測量方法能有效消除測量結果波動,且實現簡單,動態跟蹤效果好。

高穩定度;實時;ARM;磁電式轉速傳感系統

引 言

轉速測量是對航空發動機、內燃機、電機等旋轉型動力機械進行測試、控制的最基本、最重要的任務,一般希望獲得準確、及時的轉速信息,這直接關系到控制器的控制效果[1]。傳統的轉速測量的方法主要有3種:測頻法、測周法和組合測周法。測頻法適用于高頻信號,測周法適用于低頻信號,組合測周法適用于高、低頻率信號,但是不適用于實時測量[2]。

磁電式轉速傳感系統由永磁鐵、軟鐵、感應線圈和脈沖信號發生器(如音輪)組成,其輸出信號易受脈沖信號發生器加工誤差、分度誤差、偏心誤差等影響,在寬轉速范圍情況下,傳統的轉速測量方法往往存在測量結果波動、誤差大或實時性差等問題。本文設計的高穩定度實時轉速測量方法既能消除由計數誤差和脈沖發生器的加工誤差引起的測量波動,又能保證良好的動態跟蹤效果。

目前ARM內核微控制器發展迅速,其性能高、耗電少、成本低,具備16/32位雙指令集。本文選用TI公司的基于Cortex-M4內核的TM4C123GHP6M芯片,該芯片最高具備80 MHz主頻,且包含多個高精度定時器,滿足高穩定度實時轉速測量算法的實現要求[3-5]。

1 高穩定度實時轉速測量方法原理

本文設計的高穩定度實時轉速測量方法包括3個部分:基于慣性原理的平穩測量、基于組合測周法的實時跟進、基于容差的雙轉速綜合處理。基于慣性原理的平穩測量和基于組合測周法的實時跟進同時采集轉速傳感器最新的輸入信號,分別產生2個轉速測量值,基于容差的雙轉速綜合處理方法對上述2個轉速測量值進行綜合處理判斷,選擇其一作為當前轉速值。

平穩測量方法依據最新一段時間內的平穩運行參數序列來計算得出平穩轉速值。具體計算方式是求取當前平穩運行參數序列的平均值,用定時計數器的時鐘頻率除以上述平均值得到脈沖信號的頻率值,將此頻率值按頻率轉速比轉換為轉速值,得出當前平穩轉速值。由于轉子的慣性,在平穩運轉期間,其轉速不會發生瞬間快速波動,為此可以根據最新一段時間內的平穩運行參數序列測量當前的轉速,這個轉速值就非常平穩,不會出現瞬間快速波動,這也就是所述的慣性原理。

平穩運行參數序列是實時更新的,其長度與脈沖發生器的特征和測量精度要求有關,對于帶音輪的脈沖發生器,序列長度可取音輪的齒數,對于齒數較少的(比如4個齒以下的),可取齒數的整數倍(比如2～4倍),從而獲得平穩轉速。平穩運行參數序列的更新方法是,每采集到一個脈沖信息,則將其加入到平穩運行參數序列的入口端,而序列中最早采集到的脈沖信息則從平穩運行參數序列的出口端去除,如圖1所示。在tn+1時刻采集到一個新的脈沖信息Datan+1,則Datan+1將被加入到平穩運行參數序列的入口端,tn時刻的數據整體向出口端平移,Datan-m從出口端去除。

圖1 平穩運行參數序列的更新方式示意圖

實時跟進方法采用常規的組合測周法獲得,并根據轉速的最大可能波動量(即慣性極限波動量)剔除測量野值。如果實時轉速值與上一次的轉速測量值的偏差大于慣性極限波動量,則認為當前測量值為野值,剔除該值。轉子的慣性極限波動量是根據轉子的慣性并結合正常加減速能力推算出的采樣瞬間可能的轉速最大波動量。圖2是實時跟進方法的流程圖。

圖2 實時跟進方法流程圖

綜合處理方法依據測量波動量容差和平穩轉速與實時轉速的偏差,選擇其一作為當前轉速。如果平穩轉速與實時轉速的偏差大于測量波動量容差,則當前轉速為實時轉速,如果平穩轉速與實時轉速的偏差小于等于測量波動量容差,則當前轉速為平穩轉速。所謂容差,就是由于脈沖發生器的加工誤差導致的脈沖信號頻率的可能波動量。對于數控線切割加工的音輪,其齒輪分布誤差能控制在1%以內,因此容差可以設定為當前轉速的1%或者更小,具體可以依據實際試驗效果設定。

2 高穩定度實時轉速測量方法的實現

基于高穩定度實時轉速測量方法原理,本文充分利用TM4C123GHP6M芯片的32/64位通用定時器和串口通信模塊,設計了一個轉速采集控制器。

由高穩定度實時轉速測量方法的原理可知,無論是平穩測量方法還是實時跟進方法都需要通過平穩運行參數序列計算相應轉速值,因此平穩運行參數序列的實時更新是該算法實現的關鍵。為了實現對脈沖信號的實時采集,利用TM4C123GHP6M芯片32/64位通用定時器的輸入邊沿計數捕獲中斷功能,計數值設為1,上升沿采集,這樣就實現了在每一個脈沖信號,程序會進入中斷程序更新平穩運行參數列表。具體流程如圖3所示。

圖3 平穩運行參數序列的數據采集更新流程圖

代碼如下:

整個轉速采集控制器程序結構如圖4所示,共分3個部分。中斷程序是由32/64位通用定時器模塊實現的,一路提供20 ms的精確計時,一路進行平穩運行參數序列的實時更新。高穩定實時轉速計算程序負責計算當前的實際轉速,通信程序將當前的轉速上傳給上位機進行顯示。

圖4 轉速采集控制器程序結構

3 試驗結果和分析

本文設計的轉速采集控制器的計數頻率是80 MHz;試驗系統采用帶音輪的脈沖發生器,齒數為60,因此平穩運行參數序列長度選為60;依據測量的實時性和精度要求,選取平穩運行參數序列的最新的4個數據求取當前實時轉速值;慣性極限波動量設為500 r/min,測量波動量容差設為0.5%。圖5是實際試驗效果。

圖5 實際試驗效果圖

對圖中20.6～21.0 s轉速加速升高階段和22.0～22.5 s轉速平穩階段的曲線進行放大,可以明顯看到:加速升高階段,實時轉速值的響應速度明顯要快于平穩轉速,此時平穩轉速與實時轉速的偏差超過測量波動量容差,當前的轉速測量值取實時轉速,因此綜合處理轉速曲線與實時轉速曲線重合,動態跟進效果好,實時性高;轉速平穩階段采用傳統測周法獲得的實時轉速一直在波動,此時平穩轉速與實時轉速的偏差小于測量波動量容差,當前的轉速測量值取平穩轉速,因此綜合處理轉速曲線與平穩轉速曲線重合,消除了由計數誤差和脈沖發生器加工誤差引起的測量波動。

結 語

本文設計并在TM4C123GHP6M芯片上實現了一種高穩定實時轉速測量方法。該方法實現簡單,設計新穎,能夠消除由計數誤差和脈沖發生器加工誤差引起的測量波動,同時其動態跟蹤效果好,解決了一般轉速測量方法穩定度和實時性不能兼顧的問題。

[1]張明杰,陳凌珊,李偉.一種發動機轉速實時在線測試方法的改進[J].上海工程技術大學學報,2012,26(4):335-338.

[2]周正干,李然,李和平,等.高精度數字式轉速測量系統的研究[J].測控技術,2000,19(5):60-62.

[3]劉淵,田彥云,張天宏,等.基于μC/OS-III和ARM的空心杯電機控制器設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2015,15 (4):51-53.

[4]沈建華.ARM處理器與嵌入式系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2010(11):5-7.

[5]陳麗珍,林小薇.嵌入式ARM微處理器選型指南[J].單片機與嵌入式系統應用,2009(6):75-76.

陳飛、羅震(碩士研究生),主要從事航空發動機控制系統設計與仿真;張天宏(教授),研究方向為嵌入式控制系統、系統控制與仿真。

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[1]ARM.μVision User's Guide[EB/OL].[2016-05].http:// www.keil.com/support/man/docs/uv4/default.htm.

[2]NXP.LPC13-15/16/17/45/46/47 User manual,2012.

[3]ARM.Compiler v5.04 forμVision armlink User Guide[EB/ OL].[201605].http://infocenter.arm.com/help/index. jsp?topic=/com.arm.doc.dui0377e/index.html.

[4]ARM.Getting the Best Optimized Code for your Embedded Application[EB/OL].[2016-05].http://www.keil.com/ appnotes/files/apnt202.pdf.

[5]Jean J Labrosse.嵌入式實時操作系統μC/OS-III應用開發—基于STM32微控制器[M].何小慶,譯.北京:北京航空航天大學出版社,2012:111-113.

汪成義(教授),主要從事嵌入式系統、網絡技術的研究與教學工作。

Method with High Stability for Measuring Real-time Rotor Speed Based on ARM Platform

Chen Fei,Zhang Tianhong,Luo Zhen

(Jiangsu Province Key Laboratory of Aerospace Power System,College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

A method with high stability for measuring real-time rotor speed is designed based on ARM,which is suitable for the magnetic rotor speed sensor system.This method can reduce the fluctuation caused by counting error and machining error of the pulse generator which can not be overcome by the traditional rotor speed measuring method.The experiment results show that the designed rotor speed measurement method can reduce the fluctuation of the measurement result.The method is simple to implement,and has good dynamic performance.

high stability;real-time;ARM;magnetic rotor speed sensor system

TP368.1

A

(責任編輯:薛士然2016-04-25)

(責任編輯:薛士然2016-05-05)