基于电枢电压与电流信号的转速转矩综合软检测电路的制作方法

本发明属于工业测控领域，涉及一种电路，特别涉及一种基于电枢电压与电流信号的转速转矩综合软检测电路，适用于对直流电动机的转速与机械负载转矩等进行实时软检测的应用场合。

背景技术：

旋转机械的运动转速、负载转矩(也称力矩)等都是机电装备系统中的重要参数，在很多应用场合中，运动机构的末端(被控点)安装有速度、位置传感器，而电机轴上的转速则是中间变量，由于安装原因或小型化、优化结构等方面的需求，希望电机轴上不用安装转速传感器而能实现对转速的控制，再者，对负载转矩的实时软检测，也是提高机电装备控制性能的重要前提。但现有的各类机电系统都无法对动、静态负载转矩实施实时的软检测，同时，由于现代电机驱动装置都是基于开关调制技术，电枢电压与电流的波形较差，噪声大，加大了转速与转矩软检测的难度，制约了机电装备系统整机性能的提高。因此，如何对负载转矩和电机转速进行实时软检测，具有重要意义。现有的常用方法只是针对定常的负载转矩，根据直流电动机稳速运行时电磁转矩与负载转矩相等以及电磁转矩与电枢电流成正比的关系，通过检测稳态时的电枢电流以求取稳态负载转矩，其主要不足之处在于无法检测变速动态过程中的负载转矩与时变的负载转矩。在转速软检测方面，也是基于稳态的电枢回路电压平衡关系，动态精度差。此外，在技术现实上均采用高性能cpu，结构复杂、成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种于电枢电压与电流信号的转速转矩综合软检测电路。该电路采用直流电动机的电枢电压与电流信号经电路运算以实时地获取动、静态转速信号与负载转矩信号及电磁转矩信号等电路处理方案，并具有适于不同负载类型的选择功能。为提高机电装备系统的测控性能奠定技术基础。

本发明电路包括转速信号处理电路、综合转速信号处理电路、综合转矩信号处理电路、负载类型选择电路。

转速信号处理电路包括连接件cn1、电流跟随器ic1、电压放大器ic4、电枢放大器ic5、上输入电阻r1、下输入电阻r8、下反馈电阻r9、下正端电阻r10、比例电阻r11、滤波电阻r12、迭加电阻r13、微分电阻r14、补偿电阻r15、上滤波电容c1、下滤波电容c2、电流微分电容c3、正电源电容c8、负电源电容c9，上输入电阻r1的一端与连接件cn1的电流检测信号输入端ui端连接，上输入电阻r1的另一端与电流跟随器ic1的正输入端in+端、上滤波电容c1的一端连接，上滤波电容c1的另一端接地，电流跟随器ic1的负输入端in-端与电流跟随器ic1的输出端out端、上负端电阻r2的一端、比例电阻r11的一端、滤波电阻r12的一端连接，电流放大器ic1的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电流放大器ic1的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，连接件cn1的电压检测信号输入端uv端与下输入电阻r8的一端连接，下输入电阻r8的另一端与下反馈电阻r9的一端、下滤波电容c2的一端、电压放大器ic4的负输入端in-端连接，电压放大器ic4的正输入端in+端与下正端电阻r10的一端连接，下正端电阻r10的另一端接地，电压放大器ic4的输出端out端与反馈电阻r9的另一端、下滤波电容c2的另一端、迭加电阻r13的一端连接，电压放大器ic4的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电压放大器ic4的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，电枢放大器ic5的负输入端in-端与迭加电阻r13的另一端、电流微分电容c3的一端、比例电阻r11的另一端、微分电阻r14的一端连接，电流微分电容c3的另一端与滤波电阻r12的另一端连接，电枢放大器ic5的正输入端+in端与补偿电阻r15的一端连接，补偿电阻r15的另一端接地，电枢放大器ic5的输出端out端与微分电阻r14的另一端、降噪电阻r17的一端、零速电阻r24的一端、连接件cn1的转速输出信号端un端连接，电枢放大器ic5的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电枢放大器ic5的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，连接件cn1的正电源供电端vcc端与电路正电源端vcc端、正电源电容c8的正极端+端连接，连接件cn1的地端gnd端与正电源电容c8的负极端-端、负电源电容c9的正极端+端均接地，连接件cn1的负电源供电端vss端与电路负电源端vss端、负电源电容c9的负极端-端连接。

综合转矩信号处理电路包括电流放大器ic2、转矩放大器ic3、微分放大器ic6、上负端电阻r2、上反馈电阻r3、上正端电阻r4、转矩变换电阻r5、转矩输出电阻r6、转矩平衡电阻r7、转矩运算电阻r16、降噪电阻r17、综合电阻r18、接地电阻r19、转速微分电容c4，电流放大器ic2的负输入端in-端与上负端电阻r2的另一端、上反馈电阻r3的一端连接，电流放大器ic2的正输入端in+端与正端电阻r4的一端连接，上正端电阻r4的另一端接地，电流放大器ic2输出端out端与上反馈电阻r3的另一端、转矩变换电阻r5的一端、转矩运算电阻r16的一端连接，电流放大器ic2的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电流放大器ic2的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，转矩放大器ic3的负输入端in-端与转矩变换电阻r5的另一端、转矩输出电阻r6的一端连接，转矩放大器ic3的正输入端in+端与转矩平衡电阻r7的一端连接，转矩平衡电阻r7的另一端接地，转矩放大器ic3的输出端out端与转矩输出电阻r6的另一端、连接件cn1的电磁转矩信号输出端ute端连接，转矩放大器ic3的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端接，转矩放大器ic3的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，微分放大器ic6的负输入端in-端与转速微分电容c4的一端、转矩运算电阻r16的另一端、综合电阻r18的一端连接，转速微分电容c4另一端与降噪电阻r17的另一端连接，微分放大器ic6的正输入端in+端与接地电阻r19的一端连接，接地电阻r19的另一端接地，微分放大器ic6的输出端out端与综合电阻r18的另一端、模拟开关ic9的常闭输入端nc端连接，微分放大器ic6的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，微分放大器ic6的负电源端vss端与电路负电源端vss连接。

负载类型选择电路包括正向比较器ic7、负向比较器ic8、模拟开关ic9、选择开关k1、稳压管dw1、正零位电阻r20、正分压电阻r21、上拉电阻r22、限流电阻r23、零速电阻r24、负零位电阻r25、负分压电阻r26、正零位电容c5、零速电容c6、负零位电容c7，正向比较器ic7的正输入端in+端与正零位电容c5一端、正零位电阻r20的一端、正分压电阻r21的一端连接，正零位电容c5另一端与正零位电阻r20的另一端均接地，正向比较器ic7的负输入端in-端与零速电阻r24的另一端、零速电容c6的一端、负向比较器ic8的正输入端in+端连接，零速电容c6的另一端接地，正向比较器ic7的正电源端vcc端与正分压电阻r21的另一端、上拉电阻r22的一端、电路正电源端vcc端连接，正向比较器ic7的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，正向比较器ic7的输出端out端与上拉电阻r22的另一端、限流电阻r23的一端、负向比较器ic8的输出端out端连接，负向比较器ic8负输入端in-端与负零位电容c7的一端、负零位电阻r25的一端、负分压电阻r26的一端连接，负零位电容c7的另一端与负零位电阻r25的另一端接地，负向比较器ic8的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，负向比较器ic8的负电源端vss端与电路负电源端vss、负分压电阻r26另一端连接，限流电阻r23的另一端与选择开关k1的常闭端1端、稳压管wd1的阴极连接，稳压管wd1的阳极接地，选择开关k1的常开端2端接地，选择开关k1的公共端0端与模拟开关ic9的控制端in端连接，模拟开关ic9的常开输入端no端、地端gnd端均接地，模拟开关ic9的输出端com端与连接件cn1的负载转矩信号输出端utl端连接，模拟开关ic9的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接。

本发明的有益效果如下：

本发明能很好地满足需要实时检测负载转矩的各类直流电动机-机械装备的应用需求，本发明利用直流电动机的电枢电压与电流信号，经运算放大器、电压比较器等常规器件，实现对动、静态转速信号与负载转矩信号及电磁转矩信号的实时检测，该方法实时性强、体积小、成本低、通用性好、可靠性高，且易于芯片化。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为本发明的应用对象示例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于电枢电流与转速信号的负载转矩检测电路，包括转速信号处理电路、综合转矩信号处理电路、负载类型选择电路。

转速信号处理电路包括连接件cn1、电流跟随器ic1、电压放大器ic4、电枢放大器ic5、上输入电阻r1、下输入电阻r8、下反馈电阻r9、下正端电阻r10、比例电阻r11、滤波电阻r12、迭加电阻r13、微分电阻r14、补偿电阻r15、上滤波电容c1、下滤波电容c2、电流微分电容c3、正电源电容c8、负电源电容c9，上输入电阻r1的一端与连接件cn1的电流检测信号输入端ui端连接，上输入电阻r1的另一端与电流跟随器ic1的正输入端in+端、上滤波电容c1的一端连接，上滤波电容c1的另一端接地，电流跟随器ic1的负输入端in-端与电流跟随器ic1的输出端out端、上负端电阻r2的一端、比例电阻r11的一端、滤波电阻r12的一端连接，电流放大器ic1的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电流放大器ic1的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，连接件cn1的电压检测信号输入端uv端与下输入电阻r8的一端连接，下输入电阻r8的另一端与下反馈电阻r9的一端、下滤波电容c2的一端、电压放大器ic4的负输入端in-端连接，电压放大器ic4的正输入端in+端与下正端电阻r10的一端连接，下正端电阻r10的另一端接地，电压放大器ic4的输出端out端与反馈电阻r9的另一端、下滤波电容c2的另一端、迭加电阻r13的一端连接，电压放大器ic4的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电压放大器ic4的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，电枢放大器ic5的负输入端in-端与迭加电阻r13的另一端、电流微分电容c3的一端、比例电阻r11的另一端、微分电阻r14的一端连接，电流微分电容c3的另一端与滤波电阻r12的另一端连接，电枢放大器ic5的正输入端+in端与补偿电阻r15的一端连接，补偿电阻r15的另一端接地，电枢放大器ic5的输出端out端与微分电阻r14的另一端、降噪电阻r17的一端、零速电阻r24的一端、连接件cn1的转速输出信号端un端连接，电枢放大器ic5的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电枢放大器ic5的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，连接件cn1的正电源供电端vcc端与电路正电源端vcc端、正电源电容c8的正极端+端连接，连接件cn1的地端gnd端与正电源电容c8的负极端-端、负电源电容c9的正极端+端均接地，连接件cn1的负电源供电端vss端与电路负电源端vss端、负电源电容c9的负极端-端连接。

综合转矩信号处理电路包括电流放大器ic2、转矩放大器ic3、微分放大器ic6、上负端电阻r2、上反馈电阻r3、上正端电阻r4、转矩变换电阻r5、转矩输出电阻r6、转矩平衡电阻r7、转矩运算电阻r16、降噪电阻r17、综合电阻r18、接地电阻r19、转速微分电容c4，电流放大器ic2的负输入端in-端与上负端电阻r2的另一端、上反馈电阻r3的一端连接，电流放大器ic2的正输入端in+端与正端电阻r4的一端连接，上正端电阻r4的另一端接地，电流放大器ic2输出端out端与上反馈电阻r3的另一端、转矩变换电阻r5的一端、转矩运算电阻r16的一端连接，电流放大器ic2的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，电流放大器ic2的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，转矩放大器ic3的负输入端in-端与转矩变换电阻r5的另一端、转矩输出电阻r6的一端连接，转矩放大器ic3的正输入端in+端与转矩平衡电阻r7的一端连接，转矩平衡电阻r7的另一端接地，转矩放大器ic3的输出端out端与转矩输出电阻r6的另一端、连接件cn1的电磁转矩信号输出端ute端连接，转矩放大器ic3的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端接，转矩放大器ic3的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，微分放大器ic6的负输入端in-端与转速微分电容c4的一端、转矩运算电阻r16的另一端、综合电阻r18的一端连接，转速微分电容c4另一端与降噪电阻r17的另一端连接，微分放大器ic6的正输入端in+端与接地电阻r19的一端连接，接地电阻r19的另一端接地，微分放大器ic6的输出端out端与综合电阻r18的另一端、模拟开关ic9的常闭输入端nc端连接，微分放大器ic6的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，微分放大器ic6的负电源端vss端与电路负电源端vss连接。

负载类型选择电路包括正向比较器ic7、负向比较器ic8、模拟开关ic9、选择开关k1、稳压管dw1、正零位电阻r20、正分压电阻r21、上拉电阻r22、限流电阻r23、零速电阻r24、负零位电阻r25、负分压电阻r26、正零位电容c5、零速电容c6、负零位电容c7，正向比较器ic7的正输入端in+端与正零位电容c5一端、正零位电阻r20的一端、正分压电阻r21的一端连接，正零位电容c5另一端与正零位电阻r20的另一端均接地，正向比较器ic7的负输入端in-端与零速电阻r24的另一端、零速电容c6的一端、负向比较器ic8的正输入端in+端连接，零速电容c6的另一端接地，正向比较器ic7的正电源端vcc端与正分压电阻r21的另一端、上拉电阻r22的一端、电路正电源端vcc端连接，正向比较器ic7的负电源端vss端与电路负电源端vss连接，正向比较器ic7的输出端out端与上拉电阻r22的另一端、限流电阻r23的一端、负向比较器ic8的输出端out端连接，负向比较器ic8负输入端in-端与负零位电容c7的一端、负零位电阻r25的一端、负分压电阻r26的一端连接，负零位电容c7的另一端与负零位电阻r25的另一端接地，负向比较器ic8的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接，负向比较器ic8的负电源端vss端与电路负电源端vss、负分压电阻r26另一端连接，限流电阻r23的另一端与选择开关k1的常闭端1端、稳压管wd1的阴极连接，稳压管wd1的阳极接地，选择开关k1的常开端2端接地，选择开关k1的公共端0端与模拟开关ic9的控制端in端连接，模拟开关ic9的常开输入端no端、地端gnd端均接地，模拟开关ic9的输出端com端与连接件cn1的负载转矩信号输出端utl端连接，模拟开关ic9的正电源端vcc端与电路正电源端vcc端连接。

如图2所示，本发明的应用对象示例图，包括电压传感器vs1、电流传感器cs1、直流电动机m1等，本发明的电路图1中连接件cn1中的电流检测信号ui就是来自图2中的电流传感器cs1的输出信号ui＝βid，其中的id为电枢电流(a)、β为电流变换系数(v/a)，本发明的电路图1中连接件cn1中的电压检测信号uv就是来自图2中的转速传感器vs1的输出信号uv＝γud，其中的ud为电枢电压(v)、γ为电压变换系数(v/v)。

本发明所使用的包括电流跟随器ic1、电流放大器ic2、转矩放大器ic3、电压放大器ic4、电枢放大器ic5、微分放大器ic6、正向比较器ic7、负向比较器ic8、模拟开关ic9等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可以通过市场取得。例如：比较器采用lm393，各放大器与跟随器采用tlc系列的运算放大器，模拟开关采用sgm3157等。

本发明中的主要电路参数配合及输入输出关系如下：

r1c1＝r9c2(1)

r2＝r3(2)

r8＝r9(4)

r11＞20r13(9)

r18＞20r17(14)

式中，式中：cm为转矩系数(nm/a)，ce为电势系数(v/rpm)，α为转速变换系数(v/rpm)，β为电流变换系数(v/a)，γ为电压变换系数(v/v)。ui为从连接件cn1中的电流检测信号输入端ui端输入的电流检测信号(v)，ui＝βid，其中的id为电枢电流(a)。uv为从连接件cn1中的电压检测信号输入端uv端输入的电压检测信号(v)，uv＝γud，其中的ud为电枢电压(v)。un为从电枢放大器ic5的输出端out端输出到连接件cn1的转速信号输出端un端的转速信号(v)，un＝αn，其中的n为转速(rpm)。ute为从转矩放大器ic2的输出端out端输出到连接件cn1的电磁转矩信号端ute端的电磁转矩信号(v)。utl0为微分放大器ic6的输出端out端输出的负载转矩信号的运算值(v)，因r18＞＞r17，则有utl0＝cttl,其中的tl为负载转矩(nm)。te为电磁转矩(nm)，tem为最大转矩(nm)，utem为最大转矩信号(v)，idm为最大电枢电流(a)。un0+、un0-分别为正、负零速判别信号(v)，根据实际转速信号un信号中存在的噪声大小来设置，工程上当un0-≤un≤un0+时可认为是零速，s为拉式变换因子。

本发明工作过程如下：

本发明的电路图1中连接件cn1中的电流检测信号ui来自本发明的应用对象示例图2中的电流传感器cs1的输出信号ui＝βid，其中的id为电枢电流(a)、β为电流变换系数(v/a)。本发明的电路图1中连接件cn1中的电压检测信号uv来自图2中的电压传感器vs1的输出信号uv＝γud，其中的ud为电枢电压(v)、γ为电压变换系数(v/v)。从连接件cn1中输入的电流检测信号ui，经电流跟随器ic1、电流放大器ic2、转矩放大器ic3的电路运算后获得电磁转矩信号经连接件cn1中的电磁转矩信号输出端ute端输出；从连接件cn1中输入的电压检测信号uv经电压放大器ic4后，与电流检测信号ui一起经以电枢放大器ic5为主的比例、微分运算后由电枢放大器ic5的输出端out端输出转速信号un，如式(8)所示，经连接件cn1中的转速信号输出端un端输出；从连接件cn1中输入的电流检测信号ui，经电流跟随器ic1、电流放大器ic2放大后，再与上述获取的转速信号un一起经以微分放大器ic6为主的比例、微分运算后由微分放大器ic6的输出端out端输出负载转矩信号的运算值utl0，此外，为了适应于常见的反应性负载和位能性负载转矩的检测需求，设计了由正向比较器ic7、负向比较器ic8、模拟开关ic9、选择开关k1等为主的负载选择电路。(1)当用于反应性负载转矩的检测时，将选择开关k1打向其常闭端1端，则当转速信号un处于“零位”时(实际中，设正、负零速的判别信号分别为un0+、un0-，当转速信号un处于un0-≤(un＝αn)≤un0+时，就认为是“零”)正向比较器ic7和负向比较器ic8的公共输出端out端输出高电平信号到模拟开关ic9的控制端in端，使模拟开关ic9的输出端com端与其常开端no端接通而输出零信号。而当转速信号un处于un0+＜(un＝αn)＜un0-时，即处于“非零”时，正向比较器ic7和负向比较器ic8的公共输出端out端输出低电平信号到模拟开关ic9的控制端in端，使模拟开关ic9的输出端com端与其常闭端nc端接通而将负载转矩信号的运算值utl0经连接件cn1的负载转矩信号输出端utl端输出。(2)当用于位能性负载转矩的检测时，将选择开关k1打向其常开端2端，模拟开关ic9的控制端in端接地，使模拟开关ic9的输出端com端与其常闭端nc端接通而将负载转矩信号的运算值utl0经连接件cn1中的负载转矩信号输出端utl端输出。