功率分析仪转速测量原理

1. 功率分析仪转速测量原理
1.1 转速测量原理
转速即做圆周运动的物体单位时间沿圆周绕圆心转过的圈数。

单位可表示为rpm（转/分）。

常见的转速传感器输出的是脉冲信号，对于这类信号的转速测量方法有很多，主要有硬件计数法和软件计数法2种方法。

硬件计数法中最常用的有测频法、测周法和频率周期法。

软件计数法将原始的模拟信号转换为数字信号，需要找出过零点。

最常用的是零点法和插值法，用的方法不同，其误差也不一样。

测频法是指将转速传感器取来的信号整形放大送入频率计数器，在给定的标准时间间隔内读出脉冲数，进行换算得出被测信号的频率。

根据转速传感器所产生的脉冲个数与被测转速成正比的关系，计算出转速值。

图1.1 测频法原理图
测周法就是通过测量转速传感器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。

将转速传感器取来的脉冲信号作为闸门信号，测量被测信号的周期然后换算出被测信号的频率。

在测量低转速时，如果用定时间测量计数脉冲的方法显然是不合适的，所以测周法适合低转速测量。

由于常规的测量方法，其测量精度和被测信号的频率有关，所以很难保证在整个被测频率段内有着相同而完美的精度，为此，出现了一种更加准确的测量频率的方法。

等精度测频是在测频的基础上发展起来的，它的闸门时间不是固定值，而是被测信号周期的整数倍，即与被测信号同步，因此，测量消除了对被测信号计数所产生的±1个字的误差，并且达到了在整个频率段的等精度测量。

等精度测量波形如图1.3所示。

图1.2 等精度测量波形
在测量过程中，有两个计数器分别对标准信号和被测信号同时计数；测量开始时，系统首先给出闸门开启信号，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上升沿到来时，计数器才真正开始计数；然后计时结束，预置闸门关闭信号到时，计数器并不立即停止计数，而是等到被测信号的上升沿到来时才结束计数，完成一次测量过程。

可以发现时间的闸门时间Ts与预置闸门时间T并不严格相等，但差值不超过被测信号的一个周期。

设在一次时间闸门时间Ts中计数器对被测信号的计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，标准信号的频率为fs，则被测信号的频率为：
由式（1）可知，若忽略标准信号fs的频率误差，设fxe为被测信号的实际准确频率，则等精度测频可能产生的相对误差为：
在测量中，由于fx计数的起停时间都是由该信号的上升测触发的，在闸门时间Ts内对fx的计数Nx无误差（Ts=NxTs）；对fs的计数Ns最多相差一个数的误差，即|ΔNs|≤1，其测量频率为：
将式（1）和（3）代入式（2），并整理得：
由上式可以看出，测量频率的相对误差与被测信号频率的大小无关，仅与闸门时间和标准信号频率有关，即实现了整个测试频段的等精度测量。

闸门时间越长，标准频率越高，测频的相对误差就越小。

标准频率可由稳定度好、精度高的高频率晶体振荡器产生，在保证测量精度不变的前提下，提高标准信号频率，可使闸门时间缩短，即提高测试速度。

表1等精度测量精度
通过表1我们可以看见，使用等精度测量可以保证在整个测量频率范围内保证同样的完美精度。

普通的转速传感器只能检测转速的大小，而不能检测转动方向。

有一种常见的传感器叫正交编码器同时可以检测转动方向。

通常正交编码器有A、B和Z三个输出信号。

传感器旋转一周Z信号输出1个脉冲，A、B信号输出n个脉冲。

当传感器被电机带动正转时A信号超前B信号90°，反之则A信号滞后B信号90°。

图1.3 正交编码器正转
图1.4 正交编码器反转
2. 参数设定
功率分析仪电机单元可支持模拟信号类型输出和脉冲信号类型输出的传感器。

用户根据实际使用的传感器类型选择模拟信号或脉冲。

2.1 模拟信号相关
当选择为模拟信号时根据信号电压的大小选择量程或选择自动量程为ON。

此时电机单元采集输入信号的电压然后根据线性表中的斜率A和偏置B换算，最后再乘以缩放系数得到转速值。

同时可设置线路滤波器以便滤除杂波提高测量精度。

当用户不知道传感器的换算关系即A和B的值时可点击计算按钮，在弹出的界面中输入两个电压和其对应的转速来计算A和B的值。

转速计算公式为：
Speed=Scale×（A×x+B)
其中x为输入端的电压值，Scale为缩放系数。

图2.1 模拟信号参数设置
当传感器输出5V模拟信号时，参数设置如图2.1所示。

此时测得的转速如图2.2所示。

图 2.2 转速测量值
2.2 脉冲信号相关
当选择为脉冲信号时，转速根据输入信号的频率和每转的脉冲数得到转速。

转速计算公式：
其中Scale为缩放系数，x为转速通道输入信号的频率，Pulse为每转的脉冲数。

脉冲量程上限和量程下限分别输入最大转速值和最小转速值。

功率分析仪根据量程上下限判断测量的数据是否超量程。

另外在波形显示界面，可使用量程上下限实现波形垂直缩放。

图2.3 脉冲信号参数设置
当传感器输出脉冲信号时，参数设置如图2.3所示，此时测得的转速值如图 2.4所示。

图 2.4 转速测量值。