一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量方法及裝置的製作方法

2023-11-09 07:34:02

專利名稱：一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及水下直流無刷推進器領域，具體為一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量方法及裝置。
背景技術：
直流無刷推進器是自主水下航行器(AUV)和無人水面船(USV)最常用的推進裝置，通過調節直流無刷推進器的螺旋槳轉速來控制AUV和USV的航向和航行速度。因此，AUV和USV的控制系統需要測量螺旋槳的轉速來進行反饋控制。目前，通常採用的基於數字脈衝信號的轉速測量方法有以下兩種(I)頻率計數法。該方法首先將數字脈衝信號進行光電隔離，轉化為TTL電平的數字脈衝信號，然後用計算機的計數器進行計數。計算機根據單位時間內所記錄的脈衝個數，從而可以計算出轉速。該方法的優點是計算機與被測對象之間實現了完全的電氣隔離，確保了被測對象與轉速測量裝置的工作可靠性。但是，當數字脈衝信號存在較大的電磁幹擾時，其幹擾信號也作為脈衝個數被記錄下來，從而造成較大的測速誤差。(2)頻率/電壓轉換法。該方法首先將數字脈衝信號通過頻率/電壓(F/V)轉換裝置轉化為與脈衝信號頻率成正比的電壓信號，然後用計算機的A/D進行採樣。根據採樣得到的電壓可以計算出脈衝信號的頻率，再根據脈衝信號的頻率就可以計算出轉速。該方法的優點是測速抗幹擾能力強，缺點是轉速測量裝置與被測對象之間沒有實現完全的電氣隔離，造成轉速測量裝置與被測對象之間相互幹擾，造成系統的可靠性較差。

發明內容
要解決的技術問題為解決現有技術存在的問題，本發明提出了一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量方法及裝置。技術方案本發明的技術方案為所述一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量方法，其特徵在於包括以下步驟步驟I :對直流無刷推進器輸出的轉速數字脈衝信號進行模擬信號隔離並輸出
V ,.
vOUtl ，步驟2 :對模擬信號隔離後的轉速數字脈衝信號Vratl進行光電隔離，轉化為0 5V的轉速數字脈衝信號Vtjut2 ；步驟3 :採用F/V轉換電路，對0 5V的轉速數字脈衝信號Vtjut2按下式進行F/V變換，並輸出模擬電壓信號VtjuttVgilt3 =---X(C1+4.4xlO~I1F)xi ,x/1
m,t3 0.15xFxHz 13 1
其中，為信號Vtjut2的頻率，單位為Hz ；V0Ut3為F/V變換輸出的電壓，單位為V ；R3為F/V變換電路的可調輸入電阻，單位為Q 為F/V變換電路的定時電容，單位為F ；步驟4 :對F/V變換後的模擬電壓信號Vrat3進行模數轉換後轉化為數字量；步驟5 :將步驟4得到的數字量轉化為電壓值Vrat4 ；步驟6 :將電壓值Vrat4按下式進行V/F轉換，得到轉速數字脈衝信號的頻率f/=0.15-^^^匕u
A <^+4.4x10—4其中，f為頻率，單位為Hz ；Vout4為採樣得到的電壓值,單位為V ；
步驟7 :將步驟6得到的轉速數字脈衝信號頻率f按下式進行頻率/轉速換算，得到推進器螺旋槳的轉速n=2. 5f其中n為轉速,單位為r/m。所述一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量裝置，其特徵在於包括模擬信號隔離單元、數位訊號光電隔離單元、F/V轉換單元、數模轉換單元和計算機採集與計算單元；模擬信號隔離單元採用電壓跟隨器對直流無刷推進器輸出的轉速數字脈衝信號進行模擬信號隔離；數位訊號光電隔離單元對模擬信號隔離後的轉速數字脈衝信號進行光電隔離，轉化為0 5V的轉速數字脈衝信號；F/V轉換單元對0 5V的轉速數字脈衝信號進行F/V變換，並輸出模擬電壓信號；數模轉換單元將模擬電壓信號轉化為數字量；計算機採集與計算單元將數字量轉化為電壓值，並對電壓值進行V/F轉換，得到轉速數字脈衝信號的頻率，由轉速數字脈衝信號的頻率通過頻率/轉速轉換得到水下直流無刷推進器螺旋槳轉速。有益效果本發明提出的方法及裝置對水下直流無刷推進器輸出的轉速數字脈衝信號具有較強的抗幹擾能力，測速誤差小，而且轉速測量裝置與直流無刷推進器之間實現了模擬信號和數位訊號的光電隔離，確保了直流無刷推進器和轉速測量裝置的工作可靠性。


附圖I是直流無刷推進器輸出的原始轉速數字脈衝信號；附圖2是本發明直流無刷推進器螺旋槳轉速測量裝置的結構框圖；附圖3是本發明實施例模擬信號隔離單元電路原理圖；附圖4是本發明實施例數位訊號光電隔離單元電路原理圖；附圖5是本發明實施例經過模擬信號隔離和數位訊號光電隔離後的轉速數字脈衝信號；附圖6是本發明實施例F/V轉換單元電路原理圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例描述本發明本實施例中採用的水下直流無刷推進器為美國TECNADYNE公司開發生產的直流無刷推進器，該推進器集成了直流無刷電機、直流無刷電機控制器及螺旋槳於一體，具有體積小、重量輕、使用方便等優點，最大耐壓深度可達1500m。直流無刷電機控制器採用+12VDC供電，用於轉速控制的指令為-5VDC +5VDC，輸出的是0 12VDC的轉速數字脈衝信號，用於螺旋槳轉速測量。但是，由於直流無刷電機與直流無刷電機控制器被密封在一個很小的空間內，輸出的轉速數字脈衝信號受到直流無刷電機的電磁幹擾，存在較大的幹擾。圖I給出了 MODEL521型直流無刷推進器輸出的原始轉速數字脈衝信號，從圖中可以看出原始信號存在較大的幹擾，如果採用頻率計數法進行轉速測量，就會存在較大的測速誤差。因此本實施例中採用不同的測量方法，包括以下步驟步驟I :對直流無刷推進器輸出的0 12V的轉速數字脈衝 信號進行模擬信號隔尚並輸出Vtjutl ；步驟2 :對模擬信號隔離後的轉速數字脈衝信號Vratl進行光電隔離，轉化為0 5V的轉速數字脈衝信號Vtjut2 ；步驟3 :採用F/V轉換電路，對0 5V的轉速數字脈衝信號Vtjut2按下式進行F/V變換，並輸出模擬電壓信號VtjuttVout3 = A ><(( ',+4.4x10-nF)x It x ./；
O.ISxFxHz其中，為信號Vtjut2的頻率，單位為Hz ；V0Ut3為F/V變換輸出的電壓，單位為V ；R3為F/V變換電路的可調輸入電阻，單位為Q A1為F/V變換電路的定時電容，單位為F ;式中A、F、Hz均為單位符號；步驟4 :對F/V變換後的模擬電壓信號Vrat3進行模數轉換後轉化為數字量；步驟5 :將步驟4得到的數字量轉化為電壓值Vrat4 ；步驟6 :將電壓值Vrat4按下式進行V/F轉換，得到轉速數字脈衝信號的頻率f
r , .FxHz U/=0.15~~~二 ,Llp
A C1 + 4.4x10 F其中，f為頻率，單位為Hz ；V0Ut4為採樣得到的電壓值，單位為V ;式中A、F、Hz均為單位符號；步驟I :將步驟6得到的轉速數字脈衝信號頻率f按下式進行頻率/轉速換算，得到推進器螺旋槳的轉速n=2. 5f其中n為轉速,單位為r/m。本實施例中採用的測量裝置如圖2所示，包括模擬信號隔離單元、數位訊號光電隔離單元、F/V轉換單元、數模轉換單元和計算機採集與計算單元。模擬信號隔離單元採用電壓跟隨器對直流無刷推進器輸出的轉速數字脈衝信號進行模擬信號隔離，其輸入阻抗高、輸出阻抗低，這樣轉速測量裝置就不會對直流無刷推進器的正常工作產生影響，而且該單元的輸出電壓不受轉速測量裝置後級電路的影響，起到很好的隔離作用。圖3是本發明實施例模擬信號隔離單元電路原理圖。模擬信號隔離單元採用一個電壓跟隨器，隔離運算放大器採用AD712。該晶片採用雙電源供電，其中正電源管腳(即引腳8)採用+Vcci供電，Vcci為15VDC，負電源管腳(即引腳4)採用-Vcci供電。為了提高該晶片的抗幹擾性能，在電源管腳與地之間都串接了一個0. I ii F的電容C2和C4。該晶片的同相輸入端(即引腳3 )輸入直流無刷推進器的原始轉速數字脈衝信號，反相輸入端(即引腳2)與放大器的輸出端(S卩引腳I)相連，放大器的輸出端輸出模擬信號隔離後的轉速信號Vwtl。此外，為了提高系統的抗幹擾能力，在放大器的輸出端與^^⑽電源地之間並聯一個電阻Rl和電容C5。數位訊號光電隔離單元對模擬信號隔離後的轉速數字脈衝信號進行光電隔離，轉化為0 5V的轉速數字脈衝信號，使直流無刷推進器與計算機採集與計算單元之間實現了完全的電氣隔離，保證了系統的工作可靠性。圖4是本發明實施例數位訊號光電隔離單元電路原理圖。光電隔離器件採用6N137。經過模擬信號隔離後的轉速信號Vwtl經由電阻R2，引入光電隔離器件6N137輸入端的陽極(即引腳2)，輸入端的陰極(即引腳3)接晶片AD712的電源地；光電隔離器件6N137的電源管腳(即引腳8)和使能管腳(即引腳7)採用+Vra供電，Vrc2為5VDC，在電源管腳與Vrc2電源地之間串聯了一個0. Iii F的去耦電容C6 ;光電隔離器件6N137輸出端的發射極(即引腳5)接Vrc2的電源地，集電極(即引腳6)通過一個上拉電阻R4與+Va2電源相連,並輸出光電隔離後的轉速信號Vrat2t5圖5是本發明實施例經過模擬信號隔離和數位訊號光電隔離後的轉速數字脈衝 信號。從圖中可以看出，經過模擬信號隔離和數位訊號光電隔離後，原始轉速信號中脈衝幹擾得到了很好的抑制。F/V轉換單元對0 5V的轉速數字脈衝信號進行F/V變換，並輸出模擬電壓信號V0ut3o圖6是本發明實施例F/V轉換單元電路原理圖。F/V轉換晶片採用高精度的電壓/頻率轉換模塊AD650，它可以實現高線性度的頻率/電壓轉換。該晶片採用雙電源供電，其中正電源管腳(即引腳12)採用+Vee3供電，Vcc3為15VDC，負電源管腳(S卩引腳5)採用-Vra供電，模擬地管腳(即引腳11)接^。3電源地，且將模擬地管腳與數字地管腳(即引腳10)進行短接。為了提高該晶片的抗幹擾性能，在電源管腳與電源地之間都串接了一個0. I UF的電容C7和C8 ;單穩定時電容管腳(即引腳6)通過定時電容Cl接Vra電源地；運放失調調整管腳(g卩引腳13和引腳14)通過一個可調電阻R5來調節電壓，其可調電壓由+Vot通過電阻R6來提供；輸入的轉速脈衝信號Vrat2經耦合電容C3首先送到比較器管腳(即引腳9)，再通過電阻R5送到數字地管腳(即引腳10);運放輸出管腳(即引腳I)輸出F/V變換後的電壓Vwt3，並分別通過可調輸入電阻R3和積分電容C9反饋至運放的反相輸入管腳(即引腳3)，運放的同相輸入管腳(S卩引腳2)接Vra的電源地。經過F/V轉換，運放輸出管腳輸出的電壓Vrat3滿足F-3 = 0.15xFxHzX(r,+4-4Xi° "F)X^X/；,其中，f:為信號Vwt2的頻率，單位為Hz。數模轉換單元將模擬電壓信號Vtjut3轉化為數字量。計算機採集與計算單元將數字量轉化為電壓值Vtjut4,並對電壓值Vtjut4按
「 I / n Hz K',.'J R'/=0,15----喊4/ -,,
A C1+4.4x10 11F進行V/F轉換，得到轉速數字脈衝信號的頻率f。由轉速數字脈衝信號的頻率f，按n=2. 5f式進行頻率/轉速轉換得到水下直流無刷推進器螺旋槳轉速n。
總之，本發明提出的一種直流無刷推進器螺旋槳轉速測量方法與裝置，具有較強的抗幹擾能力，測速誤差小，而且測量裝置與直流無刷推進器實現了模擬隔離和光電隔離， 避免了直流無刷推進器與轉速測量裝置的相互幹擾，確保了它們的工作可靠性。
權利要求
1.一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量方法，其特徵在於包括以下步驟 步驟I:對直流無刷推進器輸出的轉速數字脈衝信號進行模擬信號隔離並輸出Vwtl ； 步驟2 :對模擬信號隔離後的轉速數字脈衝信號Vratl進行光電隔離，轉化為O 5V的轉速數字脈衝信號Vtjut2 ; 步驟3 :採用F/V轉換電路，對O 5V的轉速數字脈衝信號Vwt2按下式進行F/V變換，並輸出模擬電壓信號Vratt Kuf3 =u X(C^SAXlO-nF)XM3Xf1 0.15X hx Hz 其中，為信號Vtjut2的頻率，單位為Hz ；V0Ut3為F/V變換輸出的電壓，單位為V ；R3為F/V變換電路的可調輸入電阻，單位為Ω K1為F/V變換電路的定時電容，單位為F ; 步驟4 :對F/V變換後的模擬電壓信號Vwt3進行模數轉換後轉化為數字量； 步驟5 :將步驟4得到的數字量轉化為電壓值Vwt4 ； 步驟6 :將電壓值Vwt4按下式進行V/F轉換，得到轉速數字脈衝信號的頻率f15FXHz VoutJRiA Ci+4.4xl(TuF 其中，f為頻率，單位為Hz ；V0Ut4為採樣得到的電壓值，單位為V ； 步驟7 :將步驟6得到的轉速數字脈衝信號頻率f按下式進行頻率/轉速換算，得到推進器螺旋槳的轉速n=2. 5f 其中η為轉速,單位為r/m。
2.一種採用權利要求I中所述方法的水下直流無刷推進器螺旋槳轉速測量裝置，其特徵在於包括模擬信號隔離單元、數位訊號光電隔離單元、F/V轉換單元、數模轉換單元和計算機採集與計算單元；模擬信號隔離單元採用電壓跟隨器對直流無刷推進器輸出的轉速數字脈衝信號進行模擬信號隔離；數位訊號光電隔離單元對模擬信號隔離後的轉速數字脈衝信號進行光電隔離，轉化為O 5V的轉速數字脈衝信號；F/V轉換單元對O 5V的轉速數字脈衝信號進行F/V變換，並輸出模擬電壓信號；數模轉換單元將模擬電壓信號轉化為數字量；計算機採集與計算單元將數字量轉化為電壓值，並對電壓值進行V/F轉換，得到轉速數字脈衝信號的頻率，由轉速數字脈衝信號的頻率通過頻率/轉速轉換得到水下直流無刷推進器螺旋槳轉速。
全文摘要
本發明提出了一種水下直流無刷推進器螺旋槳轉速的測量方法及裝置，裝置包括模擬信號隔離單元、數位訊號光電隔離單元、F/V轉換單元、數模轉換單元和計算機採集與計算單元；對直流無刷推進器輸出的的轉速數字脈衝信號進行模擬信號隔離、光電隔離後轉化為0～5V的轉速數字脈衝信號，進一步進行F/V變換，輸出模擬電壓信號，將模擬電壓信號轉化為數字量並進一步轉化為電壓值後，對電壓值進行V/F轉換，得到轉速數字脈衝信號的頻率，通過頻率/轉速轉換得到直流無刷推進器螺旋槳轉速。本發明具有較強的抗幹擾能力，測速誤差小，轉速測量裝置與直流無刷推進器之間實現模擬信號和數位訊號光電隔離，確保了直流無刷推進器和測量裝置工作可靠性。
文檔編號G01P3/481GK102735869SQ20121020906
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者嚴衛生, 崔榮鑫, 張福斌, 張立川, 彭星光, 王銀濤, 陳偉, 高劍 申請人:西北工業大學