摘 要 永磁直流電動機虛擬測試系統可以獲得直流電動機有關的機電參數，從而對永磁直流電動機進行多功能測試。為達到系統測試精度要求數據采集器具有很高的精度。主要闡述了數據采集器中電動機轉速測量電路原理及實現，并對其精度做了具體分析，最后通過實驗進行了驗證。

關鍵詞 虛擬測試系統 直流電動機 采集精度

虛擬儀器是計算機測試儀器發展的結果。一般來說，它由計算機、一組硬件和軟件組成。硬件解決信號的輸入和輸出，軟件完成數據處理、應用理論實現及系統控制功能。用戶通過操作計算機圖形面板，即可控制計算機虛擬儀器的運行，完成全部測試功能。

永磁直流電動機虛擬測試系統主要通過系統辯識理論獲得電機的動靜態參數，并測定全部動靜態特性，以及有關電機的多種物理量。同時，根據動靜態參數的變化，可以在一定程度上對電動機進行故障檢測和診斷。

根據測試系統的要求，需要采集電動機的電壓（輸入量）、電流和轉速（輸出量）等狀態參數，數據采集的精度和速度將直接影響到電動機有關參數、特性測定以及故障檢測與診斷的準確性、快速性和可靠性。由于轉速是電動機模型中極為重要的狀態參數，它的測量精確與否對辯識結果的精度影響較大。因此轉速采集模塊的研制在整個系統中占有極其重要的地位，提高該部分的精度和速度以滿足系統要求是非常必要的。

１ 數據采集器的總體結構

本采集器的總體結構如圖１所示，主要由功率驅動部分和數據采集部分組成，由計算機來控制。數據采集部分是一塊內置于計算機（386XT以上機型）擴展槽內的數據采集板，該采集板采用ISA總線可進行16位數據傳輸，電流與電壓的采集采用雙路A/D轉換，提高了數據采集的速度并保證了數據采集的同時性。采集信號中，電壓u(t)和電流i(t)以模擬信號方式輸入；轉速n(t)以數字頻率信號方式輸入。

２ 轉速采集方法及電路實現

轉速采集模塊采用數字式轉速測量方法，轉速信號由頻率式轉速傳感器——圓光柵編碼器產生，它將轉速轉換成電脈沖信號，經過放大整形后，獲得相同頻率的方波信號，通過測量方波的頻率f或周期T，測得轉速的大小。

.2.1常用數字式轉速測量方法比較

目前，常用的數字式轉速測量方法主要有三種，分別是M法（頻率法）、T法（周期法）、M/T法（頻率／周期法）。Ｍ法是在既定的檢測時間內，測量所產生的轉速脈沖信號的個數來確定轉速；T法是測量相鄰兩個轉速脈沖信號的時間來確定轉速；M/T法是同時測量檢測時間和在此時間內的轉速脈沖信號的個數來確定轉速。三種方法的各項性能比較如表１。

表1中，m1、m2檢測時間間隔內的脈沖計數值（分別對應M、T法）；T為規定的檢測時間間隔；P為圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號的個數； 為Ｔ法中已知頻率值（填充被測頻率相鄰兩個脈沖的間隔）； 是電機每分鐘的轉速； 為圓光柵測速脈沖周期； 是圓光柵編碼器的制造誤差。

由表１可知：(１）從測速精度來看，若要求高精度測速，M法中應計數值m較大，當檢測時間Ｔｇ選定后（一般不應過長，以保證測量條件不變且速度快，實現測量快速性），只有被測轉速 較高或圓光柵編碼器每轉一圈發出的轉速脈沖信號個數Ｐ較多，才能使ｍ１較大。對于Ｐ給定情況，只有 大時，m1才大。可見Ｍ法適于高速測量。經類似分析可知Ｔ法適于低速測量，考慮高速和低速時的綜合性能M/T法最好。

（２）從檢測時間來看，Ｍ法的檢測時間與轉速無關，T法的檢測時間隨著轉速的增加而減小，M/T法如果犧牲一點分辨率，則可以使檢測時間與M法幾乎相同。因此，從綜合效果看M/T法是較好的測速方法。根據M法和M/T法的工作原理，實現了兩種轉速測量方法并對測量效果進行了比較。

2.2 M法和M/T法測速的電路實現

轉速測量電路是由通用可編程定時／計數器8254及其輔助電路組成。8254內部有三個相同的獨立16位計數器（COUNTO、COUNT1、COUNT2）。每個計數器都有自己的時鐘輸入CLK、計數器輸出OUT和門控信號GATE，通過編程設置工作方式。當GATE端為高電平時，允許計數；當GATE端為低電平時，禁止計數。

M法和M/T法的測速電路原理分別如圖２和圖３所示。圖中時鐘電路提供由高頻晶振產生的時鐘信號，用來給定采樣周期以及轉速檢測時間。前置電路對輸入轉速信號進行放大和波形整理。圖２中，COUNT0對轉速信號計數；同時COUNT1和COUNT2均對時鐘信號計數，而COUNT1用來測量轉速檢測時間，XOUNT2則用來控制采樣周期。每個采樣周期轉速采樣一次。圖3中，在采樣周期信號和轉速脈沖信號的控制下，計數同步對轉速脈沖信號和時鐘信號進行同步處理，然后COUNT0和COUNT1對同步處理后轉速脈沖信號和時鐘信號分別計數，此時的COUNT2不僅用來控制采樣周期，還與轉速脈沖信號共同作用控制COUNT0和COUNT2的計數起止時刻。計數同步電路電路由D觸發器和基本門電路構成，圖4是計數同步電理圖。電路的工作時序如圖5所示（其中OP是轉速脈沖信號）。

2.3 M法和M/T法測速的誤差比較及精度分析

在采用M法測量轉速的脈沖頻率信號時，由于控制計數啟止閘門信號的開啟時間和停止時間與轉速脈沖信號之間的時間關系是不相關的，故它們在時間軸上的相對位置完全是隨機的，因此在相同的閘門啟止時間內，計數器計得的數據可能不同，造成計數值的誤差一個采樣周期內在-1～+1之間分布，極端情況為-1和+1，形成所謂的±1誤差。圖６是轉速計數誤差產生的一般情況。以下分析均不考慮圓光柵編碼器的制造誤差εｐ。

根據圖2知，圖6中的閘門信號由COUNT2產生，閘門啟止時間為 ， 時間間隔內被測對象如電機轉過的角度為W(rad)，計數信號為轉速脈沖信號，每個轉速脈沖代表被測對象轉過了ωｘ＝２π／P(rad)，ω１為閘門開啟時刻至第一個脈沖前沿被測對象轉過的角度，ω２為閘門關閉時刻至下一個脈沖前沿被測對象轉過的角度，設計數值為m1（m1是整數），計數誤差為△m1，為了減少計數相對誤差△m1/m1的影響，m1應該很大，為了便于畫圖，圖中m1取４。由圖６可見

由圖５，在采用M/T法測轉速時，通過計數同步電路的處理產生閘門信號Q，閘門信號Q的時間是通過整數個轉速脈沖信號的時間，一個計數器對轉速脈沖信號計數，設計數值為m1，另一個計數器對高頻時鐘信號（頻率為fCLK計數以測量閘門時間，設計數值為m3，顯然此處在閘門時間內，電機轉過的角度，而在測量閘門時間時，對高頻時鐘信號的計數也存在±１誤差。設計數誤差為△m3，≤１。那么實際轉速為

若兩種測速方法具有相同的閘門開啟時間 ，由于時鐘信號的頻率 遠高于轉速脈沖信號的頻率

兩種方法的計數值相比。例如在的情況下

可見，M/T法的測量精度遠高于M法的測量精度。

圖７是先給電動機加同一電壓工作穩定后再給電動機加同一階躍讓其工作到另一穩態，分別采用M/T法和Ｍ法測得此電動機轉速并繪制的轉速－時間曲線。從圖中可看出，雖然兩種方法測得的轉速平均值基本相同，但Ｍ法測量得到的轉速曲線（b）由于有轉速脈沖的±１誤差，影響較大，轉速的失真很明顯；而M/T法測量得到的轉速（a盡管有高頻時鐘脈沖的±１的誤差，因其很小，影響可以忽略，出現的小波動是由電機旋轉過程中電刷經過換向器換向時引起的，這正反映了電動機的實際轉速情況。

以上分析和實驗均顯示M/T法的測量精度明顯高于Ｍ法的測量精度，而且電路實現簡便，測量范圍廣，精度高。

通過理論分析及實驗驗證比較，選用了恰當的轉速測量方法并精心設計了轉速采集電路，提高了轉速采集精度，與此同時采用了精度高、適用范圍廣的電流電壓測量電路，進而提高了數據采集器的整體精度，在此基礎上，利用電動機的數學模型和系統辯識方法進行數據處理，使系統綜合誤差在3.0%左右（包括硬件測量誤差、電動機模型近似誤差、軟件算法的數據處理誤差等），從而達到永磁直流電動機虛擬測試系統的性能要求。