崔　磊　崔　江　陳　未

(1.南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.南京市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院，南京 210037)

0　引言

在電梯限速器的生產(chǎn)和測(cè)量領(lǐng)域，測(cè)試儀是對(duì)電梯限速器進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)儀器[1-4]，其核心控制器一般采用單片機(jī)完成[5-6]，其優(yōu)點(diǎn)是成本較低，速度測(cè)量與控制都能滿足測(cè)量的要求。測(cè)試儀主要用于檢測(cè)電梯限速器的運(yùn)行線速度或轉(zhuǎn)速。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后，測(cè)試儀的測(cè)量性能會(huì)有所下降，對(duì)于電梯限速器的轉(zhuǎn)速測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)有下降趨勢(shì)。因此，測(cè)試儀的定期性能檢定對(duì)計(jì)量部門而言是一個(gè)十分重要的任務(wù)。目前，市場(chǎng)上對(duì)于測(cè)試儀的研制較多，但是能夠?qū)y(cè)試儀檢定的儀器不多。

本文探討了在測(cè)試儀檢定中對(duì)于速度進(jìn)行檢定的一種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法，其主要目的是能夠產(chǎn)生和測(cè)量預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并用于和測(cè)試儀測(cè)量的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，以評(píng)估電梯限速器測(cè)試儀的速度測(cè)量性能是否滿足進(jìn)一步使用的要求。本文討論了該系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，最后給出了系統(tǒng)的部分測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了本方案的可行性。

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電梯限速器測(cè)試儀速度檢定系統(tǒng)主要由鍵盤管理電路、DSP、液晶顯示模塊(LCM)、DAC、無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)和電機(jī)控制器、光電編碼器等組成。BLDC控制器采用24V直流供電，并將其逆變?yōu)锽LDC電機(jī)所需的交流電壓，電機(jī)轉(zhuǎn)速為伺服控制，控制精度高(轉(zhuǎn)速控制誤差約1%)。整個(gè)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　硬件系統(tǒng)框圖

1.1　鍵盤管理電路和LCD顯示

這部分是速度參數(shù)設(shè)定部分和顯示部分(即人機(jī)接口電路)。DSP控制器根據(jù)通過(guò)鍵盤設(shè)置的轉(zhuǎn)速大小控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將測(cè)到的轉(zhuǎn)速值的大小在LCM上顯示(此處采用分辨率為128×64的點(diǎn)陣式漢字液晶顯示模塊)。

1.2　DSP控制器

硬件系統(tǒng)的核心控制器選用美國(guó)TI的TMS320LF2407A控制器[7]。該DSP控制器具有控制精度高(字長(zhǎng)16位)，實(shí)時(shí)性好(單周期指令最快25ns)，功能強(qiáng)(包括事件管理器和豐富的外設(shè)資源)，低功耗(供電電源3.3V)等優(yōu)點(diǎn)。DSP控制器作為裝置的核心器件，主要的功能是控制外圍電路，根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速值大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理。

1.3　DA轉(zhuǎn)換器及信號(hào)調(diào)理電路

在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了無(wú)刷直流電機(jī)及其控制器作為速度的動(dòng)力產(chǎn)生裝置。此處，電機(jī)的速度控制需要一個(gè)模擬電壓(調(diào)速電壓：0～5V，速度范圍：1～3200r/min)。此處的DAC選用串行的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器MAX5121[8]，與DSP的SPI(串行外設(shè)接口)接口連接。本系統(tǒng)中選擇的DAC具有12位的分辨率，轉(zhuǎn)換速率快，且線性度好。

經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換得到的電壓，不能直接送給電機(jī)控制器，必須先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理。調(diào)理電路電路圖如圖2所示，其中DA_out是數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的電壓，經(jīng)過(guò)前一個(gè)運(yùn)算放大器MA時(shí)進(jìn)行電壓的大小調(diào)整，后一個(gè)運(yùn)算放大器MA1起到電氣隔離和緩沖的作用。mc_avi是經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后得到的電壓。R1、R2是設(shè)計(jì)該調(diào)理電路放大倍數(shù)時(shí)兩個(gè)不可缺少的電阻參數(shù)，使得產(chǎn)生電壓mc_avi在0～5V之間。

圖2　數(shù)/模轉(zhuǎn)換信號(hào)的調(diào)理電路

1.4　光電編碼器

在本文中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量采用2000線旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)，其測(cè)量精度高，抗磁干擾性能好，響應(yīng)速度快。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，編碼器會(huì)輸出A、B、Z三路信號(hào)，其中A和B是兩路正交的脈沖信號(hào)，Z是方向信號(hào)，對(duì)編碼器產(chǎn)生的一路信號(hào)進(jìn)行處理就能夠計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.5　轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)理電路

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)不能直接送給DSP進(jìn)行處理，必須先經(jīng)過(guò)脈沖信號(hào)的調(diào)理電路，否則產(chǎn)生的脈沖信號(hào)由于電壓過(guò)高可能會(huì)燒毀DSP，同時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)由于毛刺影響轉(zhuǎn)速的測(cè)量精度。轉(zhuǎn)速信號(hào)的調(diào)理電路十分簡(jiǎn)單，采用74LS14施密特反相器進(jìn)行兩級(jí)緩沖即可。

2　軟件設(shè)計(jì)

軟件采用匯編語(yǔ)言編寫，包括初始化、轉(zhuǎn)速參數(shù)的人機(jī)接口輸入、速度控制(即數(shù)模轉(zhuǎn)換)、轉(zhuǎn)速采集和顯示等。

初始化程序包括系統(tǒng)初始化、時(shí)間管理器初始化、SPI初始化、外設(shè)初始化等。系統(tǒng)初始化設(shè)置系統(tǒng)倍頻在40MHz，這樣可以實(shí)時(shí)計(jì)算后續(xù)的速度等參數(shù)；事件管理器初始化主要包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器設(shè)置等；SPI初始化主要設(shè)置DSP與MAX5121器件之間的高速串行通信配置[7-8]；外設(shè)初始化包括對(duì)LCM的DSP輸入輸出(I/O)控制等信息。下面給出一段SPI程序代碼，用于對(duì)SPI進(jìn)行初始化設(shè)置。

SPLK #004FH,SPICCR;下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)，一次數(shù)據(jù)發(fā)送16位

SPLK #06H,SPICTL;SPI禁止中斷，使能主機(jī)模式，主機(jī)工作下允許發(fā)送;

SPLK #07H,SPIBRR;SPI的波特率是5Mb/s

LDP #DP_PF2

LACL MCRB

AND #0H

OR#001CH

SACL MCRB;設(shè)置通用引腳為SPI功能

…

速度控制主要借助于對(duì)MAX5121的參數(shù)輸入確定，該器件通過(guò)接收DSP發(fā)出的串行輸入數(shù)字量，輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬電壓。在普通單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量中，一般采用M/T法配合進(jìn)行速度的測(cè)量。而在本系統(tǒng)中，由于旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)一周能夠輸出2000個(gè)脈沖信號(hào)，考慮到電機(jī)的最小轉(zhuǎn)速為60r/min，故此處采用了計(jì)數(shù)法進(jìn)行測(cè)量，簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)。另外，在進(jìn)行速度測(cè)量中，采用了定時(shí)計(jì)數(shù)方法，即定時(shí)一定的時(shí)間，然后計(jì)算該段時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定時(shí)10ms足夠滿足速度的計(jì)算要求。另外，針對(duì)電機(jī)在控制中速度有一定的波動(dòng)，采用了數(shù)字濾波方法，即計(jì)算多次速度值大小并取中值濾波方法加以計(jì)算。

3　測(cè)試結(jié)果分析與討論

速度檢定是電梯限速器測(cè)試儀檢定中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。而速度檢定的主要核心為轉(zhuǎn)速，表1給出了本系統(tǒng)在設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速(假設(shè)為b)下的轉(zhuǎn)速測(cè)量值(假設(shè)為a)。以及與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表(型號(hào)：SHIMPO DT-207L，準(zhǔn)確度0.2級(jí))的測(cè)量值(假設(shè)為c)比對(duì)。

表1　測(cè)量轉(zhuǎn)速、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表(0.2級(jí)準(zhǔn)確度)的測(cè)量結(jié)果

在表1中，給出了轉(zhuǎn)速測(cè)量的相對(duì)誤差δ，該指標(biāo)利用0.2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表的值作為標(biāo)準(zhǔn)，該誤差的定義如下：

δ=|a-c|/c×100%

另外，給出了電機(jī)速度的控制誤差β，該指標(biāo)是利用人機(jī)接口輸入的轉(zhuǎn)速值作為標(biāo)準(zhǔn)量，其定義如下：

β=|a-b|/b×100%

從表1可以看出，本系統(tǒng)的整機(jī)電機(jī)速度控制誤差范圍在5%以內(nèi)(除第一個(gè)誤差值較大)，影響該誤差的因素主要是由直流電機(jī)控制器決定(接近1%控制準(zhǔn)確度)；其次，DAC信號(hào)調(diào)理電路中的運(yùn)放信號(hào)漂移也會(huì)影響這個(gè)誤差值的大小。由于速度檢定主要考慮系統(tǒng)對(duì)速度的測(cè)量準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)的速度測(cè)量準(zhǔn)確度與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速表相比已經(jīng)十分接近，可以認(rèn)為本系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度十分接近0.2級(jí)計(jì)量表的準(zhǔn)確度，完全可以檢定普通電梯限速器測(cè)試儀的速度(一般測(cè)量準(zhǔn)確度1%左右)。

4　結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP系統(tǒng)的電梯限速器測(cè)試儀的速度檢定系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)置產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)速，并測(cè)量該轉(zhuǎn)速的實(shí)際大小，測(cè)量準(zhǔn)確度接近0.2級(jí)轉(zhuǎn)速表的性能。

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