一种高可靠性转速变送器模块的制作方法

本发明涉及一种高可靠性转速变送器模块，属于转速检测领域。
背景技术：
：转速测量是对航空发动机、内燃机、电机等旋转型动力机械进行测试、控制的最基本、最重要的任务，其目标是获得准确、及时的转速信息。测速传感器和转速变送器集合成为一套转速监测系统，实现各种旋转机械的转子转速的实时监控，并对转子运行异常状态及时作出反应。对于安全级别较高的设备，如核电机组或应急柴油机组等，转速变送器的可靠性和安全性就显得极为重要。为了将转速脉冲信号转换成电流信号，常用的方法是采用f/v变换电路，即将转速脉冲信号转换成电压信号后，再进一步转换成电流信号，但是f/v变换电路存在有精度差(特别是低频)、响应慢等问题。发明专利cn20091021448.0公开了一种汽轮发电机转子转速的测量方法及其装置，该专利采用f/v转换将脉冲电信号转换为电压信号输出从而实现转速测量，但f/v转换存在精度低、响应慢等缺点。而基于mcu微控制器的转速变送器虽然能够实现转速信号的精确测量和快速变换，但却存在软件跑飞、失效的潜在可能性，程序一旦失效，控制器很难对转子转速进行有效的控制，存在严重的安全隐患。发明专利cn20111041622.6公开了一种汽轮机转速测量装置及测量方法，通过cpld转速测量模块分为三路测频逻辑，更新转速后输送给控制模块，但控制模块采用了微处理器，可能存在程序跑飞、失效的风险。发明专利cn20131032656.6公开了一种水轮发电机转速测量系统，使用dsp运算模块和d/a转换模块提高了系统测量精度和抗干扰能力，但dsp运算模块也会存在程序跑飞、失效等潜在问题。采用纯硬件电路设计的转速变送器，没有微控制器单元，也就避免了软件程序出错的风险，可大大提高转速监测系统的可靠性，适用于可靠性要求较高的应用场合。因此，本领域技术人员致力于开发一种采用纯硬件电路设计的高可靠性转速变送器模块，在保证高可靠性的同时具有精度高、响应快等优点。技术实现要素：发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种高可靠性转速变送器模块，具有精度高、响应快、安全可靠等优点，采用纯硬件电路设计有效提高转速测量的可靠性，同时方便转速信号的长距离传输和控制系统的采集。技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种高可靠性转速变送器模块，包括：电源供电电路，包括两个dc-dc隔离电源电路，将24v直流电源分别转换为±5v和15v电压输出而实现供电；信号调理电路，用于将转速传感器输出的模拟信号调理成方波信号并输出给可编程逻辑数字电路；可编程逻辑(fpga)数字电路，用于采集方波信号的频率信息并将其转换为对应的数字信号，输出给电流输出电路，同时输出开关量信号给超转保护电路；电流输出电路，用于将输入的数字信号转换为4～20ma的电流信号输出；超转保护电路，根据输入的开关量信号驱动继电器动作，以控制转子电路的开关，并通过发光管指示保护状态。用恒流源信号(如4～20ma电流信号)进行远程传输，只要传输回路不出现分支，电路中的电流就不会随电线长短而改变，保证了传输信号的精度。此外，4～20ma信号的电气零点为4ma，不与机械零点重合，有利于识别断电和断线等故障。转速传感器采集的信号一般为正弦信号(如磁电式转速传感器)或方波信号(如霍尔转速传感器)等电压信号，由于现场和控制室之间的距离远、连接线缆的阻抗大导致电压信号在传输过程中出现较大的衰减，从而引起测量误差。优选的，所述信号调理电路包括依次连通的耦合电容、滤波电路、钳位二极管、差分放大器、滞环比较器和晶体三极管；具体的电路流程为：转速传感器输出的模拟信号先通过耦合电容去除直流分量，再经过滤波电路去除高频干扰，而后经过钳位二极管的钳位作用并通过差分放大器放大，最后通过滞环比较器比较后经晶体三极管电平转换，输出0～3.3v的标准方波信号给可编程逻辑数字电路。优选的，所述转速传感器采用磁电式转速传感器或霍尔式转速传感器，且信号调理电路通过开关选择连入的传感器类型，其主要区别在于磁电式转速传感器不需要转速变送器模块供电，霍尔传感器需要转速变送器模块提供工作电压。优选的，所述可编程逻辑数字电路输出给超转保护电路的开关量信号为高低电平信号，以实现简单高效的控制。优选的，所述可编程逻辑数字电路采用基于惯性原理改进的测周法采集方波信号的频率信息并将其转换为对应的数字信号，所述改进测周法包括以下步骤：步骤a：对信号调理电路输入的方波信号进行分频，而后测量分频后信号每个计数周期内标准脉冲(即时钟脉冲)的个数，即计数值x1，x2，…xn；步骤b：采用滚动测量方式，即选取最近更新的m个计数周期计数值xn-m，xn-m+1，…xn作为滚动参数序列，并求其平均值，即滚动计数值步骤c：将当前实时的计数值xn与滚动计数值进行比较，若两者的偏差值大于实时计数值xn的1/64，则选取实时计数值xn作为计数值x进行下一步计算，否则选择滚动计数值步骤d：通过公式(a)中的除法逻辑计算将所得计数值x转换为对应的数字量q，并通过spi通信输出给电流输出电路；公式(a)为：其中，被除数a为设定值。采用滚动测量方式是为了防止脉冲发生器(音轮)加工误差产生转速测量中计数误差，选取最近m个计数周期计数值作为滚动参数序列，当第n+1周期得到一个新的计数值xn+1，xn+1将加入到滚动参数序列的入口端，整个序列向右平移(即先进先出)，xn-m从序列中移除，依次类推实现滚动。其中，m组序列是作为惯性抑制转子平稳运行过程中音轮加工误差引起的转速波动，有效提高了测量精度。实时计数值是当前周期得到的计数值，放在滚动参数序列的入口端，与滚动计数值比较是为了在动态过程中加快响应，也就是动态过程(实时值与滚动平均值差别较大时)选择实时计数值以保证其对转速的快速跟随，而稳态过程(差别不大)选择滚动计数值。计数值从大到小要对应数字量0～2000，所以要进行除法运算，但是fpga是硬件电路不能直接进行除法运算的，需要通过多次减法运算得到。被除数是自由选择的，可以通过调节被除数满足不同音轮和转速范围的测量方案，所以这个模块的通用性也很强；除数即为计数值。优选的，所述可编程逻辑数字电路包括以下模块：(a)延时复位模块：上电启动后延时100ms向以下模块发出复位信号，等待fpga从flash中加载完程序后再进行复位，保证各寄存器初始状态稳定可靠；(b)看门狗模块：通过看门狗计数器对时钟信号进行计数，当时钟上升沿到来时计数值加1；若计数值超过阈值，则将计数值锁定，并将阈值标志位置1，否则对时钟上升沿持续计数；当方波信号上升沿到来时，看门狗计数器清0，并将阈值标志位置0；当阈值标志位为0时，进入状态机模块的除法部分；若阈值标志位为1，则不进入除法部分而直接进入状态机模块的转换部分及状态判断部分；(c)计数模块：通过分频计数器对方波信号在时钟脉冲下进行计数，并将最近更新的m个计数周期计数值xn-m，xn-m+1，…xn滚动保存在m个滚动计数器中；将m个滚动计数器中的计数值相加，除以m得到滚动平均值并保存到寄存器a中，进入状态机模块的赋值部分；(d)状态机模块：包括赋值部分、除法部分、转换部分及状态判断部分；其中，赋值部分用于读取寄存器a中的滚动平均值并对所得滚动平均值和实时计数值xn进行比较，若两者的偏差值大于实时计数值xn的1/64，则选取实时计数值xn赋值给除法部分的除数x，否则选择滚动计数值赋值给除法部分的除数x，同时对除法部分的被除数a赋值；除法部分用于实现公式(a)中的除法逻辑计算，从而得到计数值x所对应的数字量q，且转换部分通过spi通信将所得数字信号发送给电流输出电路；状态判断部分根据计数值x的大小对当前转子状态进行判断并输出相应的高低电平信号给超转保护电路。其中，看门狗模块主要是用来检测有没有方波信号进入，如未接入传感器或者传感器出现故障，此时看门狗模块就会一直工作，提示没有方波信号输入；时钟上升沿是fpga外部晶振产生的时钟信号，如用1mhz晶振，上升沿就是1ns出现一次，作为fpga的内部时钟，而方波信号是信号调理电路产生的；延时复位模块只在上电后执行一次，看门狗模块独立于计数模块和状态机模块；计数模块与状态机模块采用并行结构，计数一直在进行，并将每次计数结果存在寄存器中；状态机模块在进行除法赋值前，先从寄存器中取出计数结果，再进行后续计算。优选的，所述电流输出电路包括依次连接的d/a(数/模转换)器件和v/i(电压/电流)器件，其中，d/a器件用于接收可编程逻辑数字电路输出的转速数字量并将其转换为模拟电压量，v/i器件用于将d/a器件输出的模拟电压量转换为4～20ma电流输出。有益效果：本发明提供的一种高可靠性转速变送器模块，相对于现有技术，具有以下优点：1、采用纯硬件电路设计，没有程序失控跑飞、失效问题，有效提高了转速测量的可靠性；2、通过可编程逻辑器件实现转速采集，并经过d/a和v/i器件转换输出4～20ma电流信号，其过程精度高、响应快；3、采用改进测周法实现转速测量，有效减小了计数误差和脉冲发生器的加工误差引起的测量波动。附图说明图1为本发明一种高可靠性转速变送器模块的流程图；图2为本发明一种高可靠性转速变送器模块中信号调理电路的电路图；图3为本发明一种高可靠性转速变送器模块中fpga数字电路的程序流程图；图4为本发明一种高可靠性转速变送器模块中电流输出电路的流程图；图中包括：1、电源供电电路，2、信号调理电路，3、可编程逻辑(fpga)数字电路，4、电流输出电路，5、超转保护电路，6、转速传感器，2-1、耦合电容，2-2、滤波电路，2-3、钳位二极管，2-4、差分放大器，2-5、滞环比较器，2-6、晶体三极管。具体实施方式下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。如图1所示为一种高可靠性转速变送器模块，包括：电源供电电路1，包括两个dc-dc隔离电源电路，将24v直流电源分别转换为±5v和15v电压输出而实现供电；其中，+5v电压利用电感隔离后提供给模拟器件使用，+15v用于v/i器件供电；+5v电压分别经过两个线性稳压器后转换为1.2v和3.3v电压，供给fpga和其他电路使用；-5v电压提供放大器和比较器的反向供电电压。信号调理电路2，用于将转速传感器6输出的模拟脉冲信号调理成方波信号并输出给可编程逻辑数字电路3；可编程逻辑数字电路3，用于采集方波信号的频率信息并将其转换为对应的数字信号，输出给电流输出电路4，同时输出开关量信号即高低电平信号给超转保护电路5；电流输出电路4，用于将输入的数字信号转换为4～20ma的电流信号输出；超转保护电路5，根据输入的开关量信号控制开关三极管来驱动继电器动作，提供4路继电器控制触点，用于停机、点火、额定、超转状态开关量输出，并通过led发光管指示开关状态。如图2所示，所述信号调理电路2包括依次连通的耦合电容2-1、滤波电路2-2、钳位二极管2-3、差分放大器2-4、滞环比较器2-5和晶体三极管2-6；具体的电路流程为：转速传感器6输出的模拟转速信号先通过耦合电容2-1去除直流分量，再经过滤波电路2-2去除高频干扰，然后经过钳位二极管2-3的钳位作用并通过差分放大器2-4放大，最后通过滞环比较器2-5比较后经晶体三极管2-6电平转换，输出0～3.3v的标准方波信号给可编程逻辑数字电路3。本实施例中，所述转速传感器可采用磁电式转速传感器或霍尔式转速传感器，且信号调理电路通过开关选择连入的传感器类型。本实施例中，所述可编程逻辑数字电路3采用基于惯性原理改进的测周法采集方波信号的频率信息并将其转换为对应的数字信号，且所述改进测周法包括以下步骤：步骤a：对信号调理电路2输入的方波信号进行分频，而后测量分频后信号每个计数周期内标准脉冲的个数，即计数值x1，x2，…xn；步骤b：采用滚动测量方式，即选取最近更新的16个计数周期计数值xn-16，xn-15，…xn作为滚动参数序列，并求其平均值，即滚动计数值步骤c：将当前实时的计数值xn与滚动计数值进行比较，若两者的偏差值大于实时计数值xn的1/64，则选取实时计数值xn作为计数值x进行下一步计算，否则选择滚动计数值步骤d：通过公式(a)中的除法逻辑计算将所得计数值x转换为对应的数字量q，并通过spi通信输出给电流输出电路4；公式(a)为：其中，被除数a为设定值。如图3所示，所述可编程逻辑数字电路3包括以下模块：(a)延时复位模块：上电启动后延时100ms向模块b、c、d发出复位信号，保证各寄存器初始状态稳定可靠；(b)看门狗模块：通过看门狗计数器对1mhz的时钟信号进行计数，当时钟上升沿到来时计数值加1；若计数值超过阈值，则将计数值锁定，并将阈值标志位置1，否则对时钟上升沿持续计数；当方波信号上升沿到来时，看门狗计数器清0，并将阈值标志位置0；当阈值标志位为0时，进入状态机模块的除法部分；若阈值标志位为1，则不进入除法部分而直接进入状态机模块的转换部分及状态判断部分，提示没有方波信号进入；(c)计数模块：通过四分频计数器对方波信号在1mhz的时钟脉冲下进行计数，并将最近更新的16个计数周期计数值xn-16，xn-15，…xn滚动保存在16个滚动计数器中；将16个滚动计数器中的计数值相加，除以16得到滚动平均值并保存到寄存器a中，进入状态机模块的赋值部分；(d)状态机模块：包括赋值部分、除法部分、转换部分及状态判断部分；其中，赋值部分用于读取寄存器a中的滚动平均值并对所得滚动平均值和实时计数值xn进行比较，若两者的偏差值大于实时计数值xn的1/64，则选取实时计数值xn赋值给除法部分的除数x，否则选择滚动计数值赋值给除法部分的除数x，同时对除法部分的被除数a赋值；除法部分通过加法操作实现公式(a)中的除法逻辑计算，得到计数值x所对应的数字量q，且转换部分通过spi通信将12位数字信号发送给电流输出电路4；状态判断部分根据计数值x的大小对当前转子状态进行判断并输出相应的高低电平信号给超转保护电路5。如图4所示，所述电流输出电路4包括依次连接的d/a(数/模转换)器件dac7611和v/i(电压/电流转换)器件ad694；其中，d/a器件用于接收可编程逻辑数字电路3输出的数字信号并将其转换为模拟电压量，且v/i器件用于将d/a器件输出的模拟电压量转换为4～20ma电流输出。以fpga-a型为例，b型和c型在设计思路上基本类似，设定范围如下：(1)转速范围0～900r/min，47齿，频率范围是0～705hz；(2)采用改进测周法采集转速频率信号，输出12位数字量信号；(3)提供4路继电器控制触点，用于停机、点火、额定、超转状态开关量输出；(4)独立的看门狗逻辑，在无转速信号接入时指示停机状态。以a型转速测量为例，转速范围0～900r/min，47齿，频率范围是0～705hz，但是当频率趋于0时，测周法的计数值将趋于无穷大，因此去掉部分低频段，频率范围在0.5hz～705hz，四分频后频率在0.125hz～176.25hz之间。所选的外部时钟为1mhz，对四分频后信号的一个周期进行计数，所以输入信号为0.5hz时，计数值为8000000，计数值大于8000000时则认为频率为0；输入信号705hz时，计数值为5674，计数值小于5674时，则认为频率为705hz。由于所采用的v/i转换器在电压为2v时输出20ma，为了使da转换器在输入信号为705hz时输出2v电压，就要将计数值5674转换成数字量2000，为此取5674*2000＝11347517作为被除数，用该数除以计数值，这样0hz～705hz对应的商为0～2000。如表1所示，给出了a型模块的一些关键频率点对应的计数值及输出的12位数字量的商(以十进制表示)。表1fpga-a型关键频率点对应的计数值转速(rpm)频率(hz)计数值商0.6380.58000000132.351702128653.921020408119272.075550220410078.3351066222702549.972741560710556.177192157784065860791866848664.276022188490070556742000这里给出被除数a，被测频率f，商q之间的对应计算关系，被测频率f经过四分频后，用频率为1mhz的标准脉冲进行测周法计数，其计数值x为：可以看出，计数值反映了被测频率的大小，计数值越大则频率越低。代入根据公式(a)，可以得到：通过上式，针对于不同转速测量范围的应用场合，可以修改除法逻辑的被除数来实现通用性，如b、c两种型号：(1)b型转速范围0～40000r/min，2齿，频率范围是0～1333.33hz，输出4～20ma，为了使da转换器在输入信号为1333.33hz时输出2v电压，就要将计数值3000转换成数字量2000，为此取3000*2000＝6000000作为被除数，用该数除以计数值；(2)c型转速范围0～2000r/min，182齿，频率范围是0～6.067khz，输出4～20ma，为了使da转换器在输入信号为6.067hz时输出2v电压，就要将计数值659转换成数字量2000，为此取659*2000＝1318000作为被除数，用该数除以计数值。表2给出了三种类型转速变送器模块测量转速的最大值与其对应的计数值的关系。表2a、b、c型最高输出转速类型转速(rpm)频率(hz)被除数计数值商a9007051134751756742000b400001333.33600000030002000c2000606713180006592000本发明采用的电子元件正常工作温度范围为-40℃～80℃，并进行了三防保护，经测试可以在高低温、潮湿等恶劣的环境下可靠地工作。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12