CN102914664B - 一种无刷直流电机船只的船速测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无刷直流电机船只的船速测量方法及装置，方法包括以下步骤：传感器检测电机的转速信息和电流信息，微处理器查询存储器中的船速表，并检测到的转速信息和电流信息计算当前船速，并发送至仪表进行显示；装置包括微处理器，以及与微处理器连接的传感器、存储器和仪表。与现有技术相比，本发明利用直流无刷电机的控制器现有的测量数据，通过传感器发送至微处理器，并由微处理器自动计算实现船速估计，更加简单、易于实现，成本低廉，且能取得较为满意的准确度。

Description

一种无刷直流电机船只的船速测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种船速测量方法及装置，尤其是涉及一种适合于内河或湖泊中使用的无刷直流电机船只的船速测量方法及装置。

背景技术

有关船速测量的方法和装置，目前国内外专利所涉及的方法基本上都利用电磁传感器、螺旋传感器或半导体压力传感器这些附加的传感器，且都需要和水接触。美国5224075号专利《测量运动物体速度的装置》利用声波的多普勒效应进行船体速度的测量，虽然可实现无水阻的精确测量，但是装置复杂，体积较大，成本较高。国内02138887.2号专利《一种无水阻船速测量仪》要加装若干个加速度传感器，还需要信号调理电路，同样使得测量结构较为复杂，成本增加。

本发明利用直流无刷电机控制器现有的测量数据，通过微处理器自动计算实现船速估计，比上述专利涉及的方法更简单、易实现，成本低廉，且能取得较为满意的准确度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量准确，成本低、易于实现的刷直流电机船只的船速测量方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无刷直流电机船只的船速测量方法，包括以下步骤：

1)传感器检测电机的转速信息和电流信息，并将其发送至微处理器；

2)微处理器查询存储器中的船速表；

3)微处理器根据船速表的信息以及检测到的转速信息和电流信息计算当前船速，并发送至仪表进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机船只的船速测量方法，其特征在于，所述的船速表通过多次实验获得并存储于存储器中，包括不同荷载不同电流时对应的电机转速和船速。

获得船速表的实验具体包括以下步骤：

A)首先设定船只的负载{L₁，L₂，……，L_M}，其中L₁表示空载，L_M表示满载，负载依次增大；

B)在同一负载下，选定不同的电流{i₁，i₂，……，i_N}，使得i_i＜i_i+1(i＝1，…N-1)，分别测量在不同电流下电机的转速以及船速，并记录在船速表中；

C)改变负载量，并重复步骤B)直至测得所有负载下不同电流对应的电机转速以及船速。

步骤3)中当前船速通过以下公式获取：

v＝A·(i-i₀)-B·(n-n₀)+v₀

P₀(i₀，n₀，v₀)，P₁(i₀，n₁，v₁)，P₂(i₁，n₂，v₂)为已知的数据点，P(i，n，v)为当前船速的数据点，而P(i，n)为P₀(i₀，n₀)，P₁(i₀，n₁)，P₂(i₁，n₂)构成的平面区域中的点，系数A、B根据如下公式计算：

$A=\frac{(n_1-n_0)(v_2-v_0)-(n_2-n_0)(v_1-v_0)}{(i_1-i_0)(n_1-n_0)},$ $B=\frac{v_1-v_0}{n_1-n_0}.$

一种用于实施上述方法的无刷直流电机船只的船速测量装置，包括：

传感器，用于检测电机的转速以及电流；

存储器，用于存储实验测得的船速表；

微处理器，分别连接传感器和存储器，用于计算船只的当前船速；

仪表，连接微处理器，根据微处理器的计算结果显示当前船速。

所述的微处理器和仪表之间通过串行接口连接，包括RS232接口、RS485接口和CAN总线接口。

所述的船速测量装置还包括远程监控终端，所述的微处理器通过GSM或GPRS网络的连接远程监控终端。

与现有技术相比，本发明利用直流无刷电机的控制器现有的测量数据，通过传感器发送至微处理器，并由微处理器自动计算实现船速估计，更加简单、易于实现，成本低廉，且能取得较为满意的准确度。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为微处理器查表计算船速的原理图；

图3为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种无刷直流电机船只的船速测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：传感器检测电机的转速信息和电流信息，并将其发送至微处理器；

步骤S2：微处理器查询存储器中的船速表，该船速表在进行船速测量之前通过实验获得，首先根据具体要求选定不同的负载以及不同的电流，其中，船只的负载为{L₁，L₂，……，L_M}，其中L₁表示空载，L_M表示满载，负载依次增大，电流可通过操纵杆控制来调整，设定为{i₁，i₂，……，i_N}，使得i_i＜i_i+1(i＝1，…N-1)，然后在同一负载不同电流下分别测定电机的转速及船速，并记录在表中，存于存储器中，直至测完所有的负载下的数据，每次数据测量都在船速稳定时进行；

步骤S3：微处理器根据船速表的信息以及检测到的电流信息和转速信息(i_p，n_p)计算当前船速v_p，其原理如图2所示：

(1)若i_p≥i_N，则令i_p＝i_N；若i_p≤i₁，则令i_p＝i₁；反之搜索区间套[i_k，i_k+1]，使得i_p∈[i_k，i_k+1]。

(2)x＝i_k与负载L_j有M个交点：记为(i_k，n_k，j)，j＝1，2，……，M；x＝i_k+1亦同：(i_k+1，n_k+1，j)，j＝1，2，……，M。记由点(i_k，n_k，j)到点(i_k+1，n_k+1)所生成的直线方程为 $l_{k,j}^{k+1,j}(x,y)=0,$ 计算点P与直线 $l_{k,j}^{k+1,j}(x,y)=0$ 的位置关系：当 $l_{k,M}^{k+1,M}(i_p,n_p)\≥0$ 时，令n_p＝n^*，其中 $l_{k,M}^{k+1,M}(i_p,n^{*})=0;$ 当 $l_{k,1}^{k+\mathrm{1,1}}(i_p,n^{*})\≤0$ 时，令n_p＝n^*，其中 $l_{k,1}^{k+\mathrm{1,1}}(i_p,n^{*})=0,$ 反之，搜索直线簇(k＝1，2，……，N，j＝1，2，……，M)使点P满足 $l_{k,j}^{k+1,j}(i_p,n_p)\≥0$ 且 $l_{k,j+1}^{k+1,j+1}(i_p,n_p)\≤0.$

(3)设P满足条件 $l_{k,j}^{k+1,j}(i_p,n_p)\≥0,$ $l_{k,j+1}^{k+1,j+1}(i_p,n_p)\≤0,$ 则点P在如图2所示的四边形ABCD中；接着要判断点P在ΔABC中还是ΔACD中。记点A(i_k，n_j+1)和点C(i_k+1，n_j)生成的直线为 $l_{k,j+1}^{k+1,j}(x,y)=0.$ 若 $l_{k,j+1}^{k+1,j}(i_p,n_p)\≤0,$ 说明点P在ΔABC中，否则在ΔACD中。

(4)假设点P在ΔABC中，由A、B、C三点坐标A(i_k，n_k，j+1，v_k，j+1)，B(i_k，n_k，j，v_k，j)，C(i_k+1，n_k+1，j，v_k+1，j)可生成平面方程：

$\mathrm{\Γ}(i,n,v)=\left|\begin{array}{ccc}i-i_k& n-n_{k,j+1}& v-v_{k,j+1}\\ i_k-i_k& n_{k,j}-n_{k,j+1}& v_{k,j}-v_{k,j+1}\\ i_{k+1}-i_k& n_{k+1,j}-n_{k,j+1}& v_{k+1,j}-v_{k,j+1}\end{array}\right|=0$

从而可得到船速v关于电流i，电机转速n的函数：

$v=\frac{(n_{k,j}-n_{k,j+1})(v_{k+1,j}-v_{k,j+1})-(n_{k+1,j}-n_{k,j+1})(v_{k,j}-v_{k,j+1})}{(i_{k+1}-i_k)(n_{k,j}-n_{k,j+1})}(i-i_k)+\frac{v_{k,j}-v_{k,j+1}}{(n_{k,j}-n_{k,j+1})}(n-n_{k,j+1})+v_{k,j+1}$

由于P也在平面上，故满足Γ(i_p，n_p，v_p)＝0，从而可以解得船速v_p。

步骤S4：微处理器计算出船速v_p通过串行接口发送至仪表进行显示，若传送距离较短时，可以采用RS232接口，若距离较远，可利用RS485或CAN总线接口，此外还可以通过GSM或GPRS网络的连接远程监控终端，通过短信等方式实现远程监控。

上述的方法可以通过如图3所示的测量装置实现，包括传感器1、存储器2、微处理器3、仪表4以及远程监控终端5。传感器1用于检测电机的转速以及电流(电机转速也可以通过电机的换相信号直接计算获得，而不需要通过传感器)，存储器2用于存储实验测得的船速表，微处理器3分别连接传感器1和存储器2，用于计算船只的当前船速，仪表4通过串行接口连接微处理器3根据微处理器3的计算结果显示当前船速，而远程监控终端5通过GSM或GPRS网络的连接微处理器3，进行远程监控。本发明中的装置均可以采用无刷直流电机电驱动船的标配器件，无需附加任何传感器，结构简单，成本低廉，在水流可忽略的情况下，可以准确计算出船速，因此具有较高的实用价值。

Claims (6)

1.一种无刷直流电机船只的船速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）传感器检测电机的转速信息和电流信息，并将其发送至微处理器；

2）微处理器查询存储器中的船速表；

3）微处理器根据船速表的信息以及检测到的转速信息和电流信息计算当前船速，并发送至仪表进行显示；

步骤3）中当前船速通过以下公式获取：

v=A·(i-i₀)-B·(n-n₀)+v₀

P₀(i₀,n₀,v₀)，P₁(i₀,n₁,v₁)，P₂(i₁,n₂,v₂)为已知的数据点，P(i,n,v)为当前船速的数据点，而P′(i,n)为P₀′(i₀,n₀)，P₁′(i₀,n₁)，P₂′(i₁,n₂)构成的平面区域中的点，系数A、B根据如下公式计算：

$A=\frac{(n_1-n_0)(v_2-v_0)-(n_2-n_0)(v_1-v_0)}{(i_1-i_0)(n_1-n_0)},B=\frac{v_1-v_0}{n_1-n_0}$

其中，v为船速，i为电流，n为电机转速，i₀,i₁,n₀,n₁,n₂,v₀,v₁,v₂分别为船速表中已知数据点相应的电流、电机转速和船速。

2.根据权利要求1所述的一种无刷直流电机船只的船速测量方法，其特征在于，所述的船速表通过多次实验获得并存储于存储器中，包括不同荷载不同电流时对应的电机转速和船速。

3.根据权利要求2所述的一种无刷直流电机船只的船速测量方法，其特征在于，获得船速表的实验具体包括以下步骤：

A）首先设定船只的负载{L₁,L₂,……,L_M}，其中L₁表示空载，L_M表示满载，负载依次增大；

B）在同一负载下，选定不同的电流{i₁,i₂,……,i_N}，使得i_i<i_i+1(i=1,…N-1)，分别测量在不同电流下电机的转速以及船速，并记录在船速表中；

C）改变负载量，并重复步骤B）直至测得所有负载下不同电流对应的电机转速以及船速。

4.一种用于实施如权利要求1所述方法的无刷直流电机船只的船速测量装置，其特征在于，包括：

传感器，用于检测电机的转速以及电流；

存储器，用于存储实验测得的船速表；

微处理器，分别连接传感器和存储器，用于计算船只的当前船速；

仪表，连接微处理器，根据微处理器的计算结果显示当前船速。

5.根据权利要求4所述的无刷直流电机船只的船速测量装置，其特征在于，所述的微处理器和仪表之间通过RS232接口、RS485接口或CAN总线接口连接。

6.根据权利要求4所述的无刷直流电机船只的船速测量装置，其特征在于，所述的船速测量装置还包括远程监控终端，所述的微处理器通过GSM或GPRS网络连接远程监控终端。