減少元器件離散性影響的電機(jī)負(fù)載判斷方法

　　背景

　　在一些應(yīng)用中，經(jīng)常需要對(duì)負(fù)載大小進(jìn)行檢測(cè)，例如電機(jī)拖動(dòng)、家電等，有一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是測(cè)電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時(shí)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行負(fù)載大小的檢測(cè)和判斷，這種方法適合于感應(yīng)電機(jī)。

　　檢測(cè)原理如下：

　　電機(jī)負(fù)載不同，對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的阻力不同，如果給電機(jī)通電一個(gè)固定的較短的時(shí)間，負(fù)載的大小就會(huì)直接影響電機(jī)所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速。停止電機(jī)供電，電機(jī)由于慣性會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子剩磁的存在，自由轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)就處于發(fā)電狀態(tài)，同樣受負(fù)載大小的影響，和轉(zhuǎn)速不同，電機(jī)自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)出交流信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)就會(huì)不同。檢出這個(gè)脈沖個(gè)數(shù)，就可以大概的判斷出負(fù)載的大小。

　　在這種處理過(guò)程中，通常采用的硬件電路如圖1所示。

　　當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦轉(zhuǎn)換為矩形波脈沖信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)這個(gè)脈沖信號(hào)就可以獲得電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況，通常通過(guò)檢出脈沖的個(gè)數(shù)獲得負(fù)載數(shù)據(jù)。

　　實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越來(lái)越弱，再加上剩磁越來(lái)越弱，發(fā)出的信號(hào)必然越來(lái)越弱(如圖2-a所示)，此時(shí)經(jīng)過(guò)光耦轉(zhuǎn)換后的脈沖如圖2-b所示，最后非常弱的電壓信號(hào)就變成了很窄的脈沖信號(hào)。

　　由于光耦傳輸比的不同，即使電機(jī)發(fā)出信號(hào)相同，經(jīng)過(guò)光耦轉(zhuǎn)換后的信號(hào)也會(huì)不同，圖2-b所示的是光耦傳輸比為150時(shí)的脈沖信號(hào)，圖2-c所示的是光耦傳輸比為80時(shí)的脈沖信號(hào)?？梢钥闯鰣D2-c比圖2-b少一個(gè)脈沖。

　　檢測(cè)脈沖個(gè)數(shù)的方法，可能就會(huì)因?yàn)楣怦顐鬏敱鹊牟煌鴰?lái)較大的判斷誤差，這一點(diǎn)在我們的實(shí)際使用中也確實(shí)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，用不同批次光耦生產(chǎn)的整機(jī)判斷結(jié)果有很大的差異。
　　
　　方法

　　電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的電壓信號(hào)是正弦波，在幅度達(dá)到一定高度后，光耦會(huì)工作在飽和導(dǎo)通的狀態(tài)，此時(shí)傳輸?shù)男盘?hào)與光耦傳輸比沒(méi)有關(guān)系。

　　對(duì)于信號(hào)幅度低時(shí)，光耦將工作在放大狀態(tài)，此時(shí)，光耦傳輸比的影響符合下面的關(guān)系式。

 　　      
　　這個(gè)式子不是等號(hào)和乘積關(guān)系，代表正比關(guān)系。

　　式中，

　　VA：光耦受光端產(chǎn)生的電壓，這個(gè)電壓越高，N1放大后信號(hào)幅度越大。

　　K：其他參數(shù)影響的系數(shù)，由于電阻等的影響很小，可以認(rèn)為是常數(shù)

　　VAC/R1：光耦發(fā)光端發(fā)光電流。其中VAC就是電機(jī)發(fā)電產(chǎn)生的信號(hào)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(gè)關(guān)系式可以看出，由于POP的變化范圍大(0.8~1.6)，對(duì)信號(hào)處理的結(jié)果的影響也大。如果電壓信號(hào)多數(shù)是弱信號(hào)，光耦多數(shù)工作于放大狀態(tài)，則對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響必然大。

　　而從圖2-a可以看出，電機(jī)剛處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，發(fā)出的電壓最高，此時(shí)光耦會(huì)更多的工作在飽和狀態(tài)，這樣第1個(gè)脈沖應(yīng)該是光耦離散性影響最小的。

　　通過(guò)觀察圖2-b和圖2-c我們也可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)同一型號(hào)的光耦，無(wú)論光耦傳輸比怎樣變化，第一個(gè)脈沖寬度基本是一樣的，因此檢測(cè)第一個(gè)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?qū)ω?fù)載大小進(jìn)行判斷，所以我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，

　　實(shí)驗(yàn)1

　　我們?cè)谕慌_(tái)機(jī)器上用不同負(fù)載進(jìn)行檢測(cè)，獲得了不同負(fù)載下的波形，如圖2-b所示。

　　實(shí)驗(yàn)1結(jié)論：從圖3可以看出，這個(gè)脈沖寬度隨負(fù)載的變化在逐漸變寬?？梢源_定，通過(guò)這個(gè)方法能夠進(jìn)行負(fù)載大小的判斷。

　　具體的處理過(guò)程如下。

　　電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)均用可控硅實(shí)現(xiàn)，對(duì)可控硅的驅(qū)動(dòng)我們采用過(guò)零點(diǎn)驅(qū)動(dòng)的方式，這樣就可以很好的獲得電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時(shí)第1個(gè)脈沖的開(kāi)始。

　　對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是正轉(zhuǎn)0.4秒，停0.6秒，反轉(zhuǎn)0.4秒，停0.6秒。

　　當(dāng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，可控硅斷開(kāi)，此時(shí)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，開(kāi)始發(fā)出第1個(gè)脈沖，單片機(jī)獲得信號(hào)電平第1個(gè)沿變化后開(kāi)始計(jì)時(shí)，到另外一個(gè)相同的沿變化時(shí)結(jié)束，所計(jì)時(shí)間就是第1個(gè)脈沖的寬度。

　　我們讓電機(jī)反復(fù)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)6次，獲得12個(gè)這樣的脈沖。對(duì)這12個(gè)脈沖進(jìn)行處理即可獲得負(fù)載大小的表示值。
為證明方法的可行性，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)2。

　　實(shí)驗(yàn)2

　　我們篩選3個(gè)偏差大的光耦，在同一臺(tái)整機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，獲得了如下一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)。

　　實(shí)驗(yàn)2結(jié)論：從實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)負(fù)載大小進(jìn)行判斷。

　　結(jié)語(yǔ)

　　光耦對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響主要是在放大狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的，只要減少光耦工作于放大狀態(tài)的時(shí)間，就可以減少光耦的影響。經(jīng)過(guò)改進(jìn)之后的方法，可以使光耦更多的工作于飽和狀態(tài)，從而使檢出的結(jié)果更可考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1．《光電技術(shù)》 電子工業(yè)出版社 2005年4月