作者：姜德志 （中國海洋大學信息科學與工程學院）陳艷麗 （海爾集團科技公司開發部）

摘要：本文介紹了一種電機負載檢測方法，通過檢測第1個脈沖寬度的方法而不是通過檢測脈沖個數來檢測電機負載的多少，從而可以大大減小由于元器件參數離散性引起的誤差。文中以詳細的實驗數據來說明了該方法的可靠性。

關鍵詞：負載判斷 傳輸比 脈沖寬度

背景：在一些應用中，經常需要對負載大小進行檢測，例如電機拖動、家電等，有一個簡單的方法是測電機發電狀態時脈沖個數來進行負載大小的檢測和判斷，這種方法適合于感應電機。
　　檢測原理如下：
　　電機負載不同，對電機產生的阻力不同，如果給電機通電一個固定的較短的時間，負載的大小就會直接影響電機所能達到的最高轉速。停止電機供電，電機由于慣性會繼續轉動。由于電機轉子剩磁的存在，自由轉動的電機就處于發電狀態，同樣受負載大小的影響，和轉速不同，電機自由轉動時發出交流信號脈沖個數就會不同。檢出這個脈沖個數，就可以大概的判斷出負載的大小。
　　在這種處理過程中，通常采用的硬件電路如圖1所示，
　
                                       圖1
　　當電機處于發電狀態時產生的交流電壓信號經過光耦轉換為矩形波脈沖信號，單片機通過檢測這個脈沖信號就可以獲得電機轉動情況，通常通過檢出脈沖的個數獲得負載數據。
　　實際應用中，當電機處于發電狀態時，由于電機轉動越來越弱，再加上剩磁越來越弱，發出的信號必然越來越弱（如圖2所示），此時經過光耦轉換后的脈沖如圖3所示，最后非常弱的電壓信號就變成了很窄的脈沖信號。
　
                                                圖2
　
                                           圖3
　　由于光耦傳輸比的不同，即使電機發出信號相同，經過光耦轉換后的信號也會不同，圖3所示的是光耦傳輸比為150時的脈沖信號，圖4所示的是光耦傳輸比為80時的脈沖信號。可以看出圖4比圖3少一個脈沖。

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                                           圖4
　　檢測脈沖個數的方法，可能就會因為光耦傳輸比的不同而帶來較大的判斷誤差，這一點在我們的實際使用中也確實發現了問題，用不同批次光耦生產的整機判斷結果有很大的差異。
　　本人結合多年開發的經驗，給出一種新的方法，可以大大減小光耦傳輸比離散性的影響。

方法：　

　　電機發電產生的電壓信號是正弦波，在幅度達到一定高度后，光耦會工作在飽和導通的狀態，此時傳輸的信號與光耦傳輸比沒有關系。
對于信號幅度低時，光耦將工作在放大狀態，此時，光耦傳輸比的影響符合下面的關系式。
　――――式1
　　這個式子不是等號和乘積關系，代表正比關系。
　　式中，
　　VA：光耦受光端產生的電壓，這個電壓越高，N1放大后信號幅度越大。
 K：其他參數影響的系數，由于電阻等的影響很小，可以認為是常數
 VAC/R1：光耦發光端發光電流。其中VAC就是電機發電產生的信號的電壓幅度
 POP：光耦傳輸比
 VCC：光耦受光端上拉的電壓幅度。
　　從這個關系式可以看出，由于POP的變化范圍大（0.8~1.6），對信號處理的結果的影響也大。如果電壓信號多數是弱信號，光耦多數工作于放大狀態，則對測量結果帶來的影響必然大。
　　而從圖2可以看出，電機剛處于發電狀態時，發出的電壓最高，此時光耦會更多的工作在飽和狀態，這樣第1個脈沖應該是光耦離散性影響最小的。
　　通過觀察圖3和圖4我們也可以發現，對同一型號的光耦，無論光耦傳輸比怎樣變化，第一個脈沖寬度基本是一樣的，因此檢測第一個脈沖的寬度，就可以避免光耦傳輸比的影響。
　　但除了減少零部件的影響之外，還必須能夠對負載大小進行判斷，所以我們進行了實驗．
　　實驗1：
    我們再同一臺機器上用不同負載進行檢測，獲得了不同負載下的波形，如圖5所示
　
                       圖5
　　實驗1結論：從圖可以看出，這個脈沖寬度隨負載的變化在逐漸變寬。可以確定，通過這個方法能夠進行負載大小的判斷。
　　具體的處理過程如下：
　　電機正轉和反轉的驅動均用可控硅實現，對可控硅的驅動我們采用過零點驅動的方式，這樣就可以很好的獲得電機發電狀態時第1個脈沖的開始。
　　對電機的驅動是正轉0.4秒，停0.6秒，反轉0.4秒，停0.6秒。
　　當過零點時，可控硅斷開，此時電機進入發電狀態，開始發出第1個脈沖，單片機獲得信號電平第1個沿變化后開始計時，到另外一個相同的沿變化時結束，所計時間就是第1個脈沖的寬度。

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　　我們讓電機反復正轉和反轉6次，獲得12個這樣的脈沖。對這12個脈沖進行處理即可獲得負載大小的表示值。
　　為證明方法的可行性，我們進行了實驗2。
　　實驗2
　　我們篩選3個偏差大的光耦，在同一臺整機上進行了實驗，獲得了如下一組實驗數據（表1）
　　表1
　
　　實驗2結論：從實驗結果可以看出，光耦離散性的影響是很小的，而且可以很好的對負載大小進行判斷。
　　
　　結論：

　　光耦對測量結果的影響主要是在放大狀態時產生的，只要減少光耦工作于放大狀態的時間，就可以減少光耦的影響。經過改進之后的方法，可以使光耦更多的工作于飽和狀態，從而使檢出的結果更可考。

　　參考文獻：

　　1．《光電技術》 電子工業出版社 2005年4月

　　作者簡介：姜德志，海爾集團研發推進本部大型號經理，中國海洋大學工程碩士研究生。14年從事控制產品研發和管理，擁有近百項發明和實用新型專利。
　　陳艷麗：海爾集團研發推進本部型號經理，碩士，擁有近多項發明和實用新型專利。
　　聯系方式：青島市海爾路1號海爾園中央研究院 266103
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