陳見(jiàn)輝，張海霞

（河南科技職業(yè)大學(xué)，周口 466000）

0 引言

單片機(jī)是嵌入式微控制器，與應(yīng)用到電腦中的處理器相比，具有體積小、接口簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，被引用到各個(gè)領(lǐng)域。DC電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化和數(shù)字化，在機(jī)械制造、電力生產(chǎn)、冶金等行業(yè)發(fā)揮著重要的作用[1]。在電機(jī)應(yīng)用中，工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分就是速度控制，如何測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)高精度控制，是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在瞬間切斷電源啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)由0Hz單片機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，容易造成電動(dòng)機(jī)損壞，變頻器過(guò)電流保護(hù)。因此為電機(jī)提供一個(gè)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行環(huán)境，一直是眾多廠家關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。目前常用的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路主要有基于測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電路和基于光電碼盤測(cè)量電路，其中基于測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電路，采用轉(zhuǎn)速發(fā)生器和轉(zhuǎn)速計(jì)為核心，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的容差判斷被測(cè)電機(jī)的性能，并且可以方便地處理測(cè)量數(shù)據(jù)，采用雙向可逆計(jì)數(shù)器，可以提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低測(cè)量難度；基于光電碼盤測(cè)量電路，以光碼盤為基礎(chǔ)，在測(cè)量電路的設(shè)計(jì)上，采用特殊的脈沖形成電路和復(fù)位電路，利用雙向可逆計(jì)數(shù)器準(zhǔn)確記錄編碼器相關(guān)電機(jī)軸的位置，對(duì)控制對(duì)象的輸出方向有很好的檢測(cè)效果。但兩者反饋速度慢，干擾少，在實(shí)際應(yīng)用中很難驗(yàn)證。為此，提出了自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種以供電電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、電壓比較電路和信號(hào)放大電路為主要模塊的電路模塊示意圖，在供電電路中獲取電源電壓，將該電壓輸入到電壓比較電路中進(jìn)行比較電壓的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)整流濾波處理后，得到正負(fù)電壓，將處理結(jié)果輸入到中央處理機(jī)中，模塊示意圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路模塊示意圖

由圖1可知，電機(jī)速度電路電源電路與速度測(cè)量電路相連，電源和速度檢測(cè)電路分別連接到電壓比較電路、信號(hào)放大電路和信號(hào)放大電路。整流濾波后，電源電壓為12V，進(jìn)入電壓比較電路，采樣檢測(cè)電路經(jīng)整流濾波后，得到正負(fù)12V電壓，取樣信號(hào)輸入到電壓比較電路中，在信號(hào)放大電路中進(jìn)行比較電壓的轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓增大100倍時(shí)，還原成控制信號(hào)的方波信號(hào)，頻率在0hz～50hz之間[3]。通過(guò)電阻測(cè)試，把電壓控制信號(hào)輸入到中央處理機(jī)中，完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)中不存在干擾數(shù)據(jù)，需經(jīng)過(guò)濾波器進(jìn)行濾波處理，過(guò)濾多余且干擾數(shù)據(jù)。將電路與整流器串聯(lián)、穩(wěn)壓器與濾波器并聯(lián)，將12V的電壓轉(zhuǎn)換城整流電壓形式，然后由第一級(jí)濾波電容過(guò)濾[4]。

基于此，設(shè)計(jì)的自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路

由圖2可知，該測(cè)量電路是由TMS320F28031型號(hào)主芯片的單片機(jī)、穩(wěn)定二極管、濾波電路、BZT52C15型穩(wěn)壓型電壓調(diào)節(jié)器及1N4148W-7型開(kāi)關(guān)二極管組成的[5]。其中二極管和BZT52C15型穩(wěn)壓型電壓調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)保持電路電壓穩(wěn)定，1N4148W-7型開(kāi)關(guān)二極管負(fù)責(zé)保護(hù)電路，濾波電路負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)電容。該測(cè)量電路包括6個(gè)電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6，2個(gè)電容Cl、C2，4個(gè)穩(wěn)壓二極管Dl、D2、D3、D4，各種零件之間的連接關(guān)系如表1所示。

表1 各種零件之間的連接關(guān)系

表1中的+、-符號(hào)表示正負(fù)兩端。由電阻R2和電阻R3來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，再由穩(wěn)壓二極管D3通過(guò)電阻R3來(lái)穩(wěn)定電壓，電路由此產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，也被調(diào)整電路和保護(hù)電路所消化，使電路輸出電壓小于TMS320F28031型號(hào)主芯片模擬壓縮端口的值，有效保護(hù)主芯片。

2 自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路程序?qū)崿F(xiàn)

自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)該系統(tǒng)包括采樣器、計(jì)數(shù)器和控制脈沖三個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)

由圖3可知，通過(guò)采樣器采集脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)端接收來(lái)自采樣器的采樣結(jié)果，并傳送到計(jì)數(shù)器中。與此同時(shí)，采樣器通過(guò)脈沖控制模塊控制脈沖，一旦關(guān)閉采樣器，就可處理全部數(shù)據(jù)，由此獲取轉(zhuǎn)速。重新啟動(dòng)采樣器時(shí)，采樣器清零，等待下一個(gè)脈沖周期。

2.1 脈沖控制

按照自動(dòng)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生控制脈沖的順序，在采樣時(shí)，將計(jì)數(shù)器與自動(dòng)單片機(jī)系統(tǒng)的脈沖輸入接口連接，使脈沖計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。在自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量按式(1)計(jì)算：

式(1)中，m表示在t時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)。設(shè)t1為采樣時(shí)間，t2為數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

t1的取值必須保證在采樣期間內(nèi)，自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中的自動(dòng)計(jì)數(shù)器脈沖輸入有1次以上，而電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速超過(guò)了很多次，在這種狀態(tài)下應(yīng)取電機(jī)轉(zhuǎn)速1s即可，即1秒乘以60。進(jìn)行采樣時(shí)，在保證計(jì)數(shù)器在一個(gè)采樣周期內(nèi)完整輸出時(shí)，控制脈沖的下降方向，再重新設(shè)定計(jì)數(shù)器的輸出[6]。

首先更新處理程序，確定下一個(gè)采樣周期之前的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)處理時(shí)間t2。再由自動(dòng)單片機(jī)重復(fù)掃描計(jì)數(shù)器，定期連續(xù)地執(zhí)行程序任務(wù)。完成全部任務(wù)后，系統(tǒng)每收到一個(gè)指令，只能完成該任務(wù)一次。因此，充分考慮了程序采樣的數(shù)據(jù)處理要求，確保掃描周期大于工作程序周期。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，由工作程序的長(zhǎng)度決定掃描周期長(zhǎng)度，由此可設(shè)置數(shù)據(jù)處理時(shí)間，計(jì)為t2≥t1。

2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

設(shè)置T0、T1兩種不同控制脈沖時(shí)間，分別在1s和2s的范圍內(nèi)進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，使T0定時(shí)器作為初始定時(shí)器能滿足控制脈沖的要求，T0的常開(kāi)觸頭保證只有控制脈沖的采樣時(shí)間可以計(jì)數(shù)；用怠速中繼常閉觸頭使計(jì)數(shù)器變?yōu)榧臃ㄓ?jì)數(shù)器；X0是一個(gè)脈沖輸入點(diǎn)，它的差值上升用于設(shè)置脈沖上升的計(jì)數(shù)。程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖4所示。

由圖4可知，T0的常閉觸點(diǎn)在控制脈沖關(guān)閉后及時(shí)復(fù)位。T0常閉觸點(diǎn)和差動(dòng)指令之間的差值用于向系統(tǒng)傳送計(jì)數(shù)器測(cè)量到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)沿著下降控制脈沖被鎖定。

圖4 程序?qū)崿F(xiàn)流程

2.3 抗干擾設(shè)計(jì)

抗干擾設(shè)計(jì)是為了減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾因素，確保測(cè)量的精準(zhǔn)性。在測(cè)試電路中，速度與脈沖數(shù)有關(guān)，不會(huì)受脈沖之間相位的影響。由于變速電機(jī)是慣性循環(huán)，不可能發(fā)生變速，為了減少現(xiàn)場(chǎng)干擾的影響，確保測(cè)量的質(zhì)量，采用鎖相環(huán)電路進(jìn)行測(cè)量。鎖相環(huán)包括環(huán)形識(shí)別器、低通濾波器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)、頻率跟蹤。在鎖相環(huán)鎖定時(shí)，及時(shí)輸出信號(hào)可能與輸入信號(hào)不一致，但兩者頻率相同，相位一致。辨識(shí)主要是對(duì)比輸出電壓和實(shí)際電壓大小，低通濾波器主要是篩選辨識(shí)結(jié)果，去除多余或干擾數(shù)據(jù)。壓控振蕩器用于控制輸出頻率和輸入電壓，保證在相同頻率時(shí)保持相位差不變。等值差使識(shí)別器輸出電壓保持恒定，壓控振蕩器輸出頻率與輸入頻率相同，采用低通濾波實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)鎖定。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及使用步驟

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所使用的設(shè)備儀器包括以下幾種：

1）萬(wàn)用表

萬(wàn)用表負(fù)責(zé)檢查電路的連接情況，將萬(wàn)用表調(diào)到蜂鳴檔位置，測(cè)試接線情況，當(dāng)紅黑表筆與線圈接頭連接出現(xiàn)蜂鳴聲，則說(shuō)明電路完好連接。

2）2000V兆歐表

兆歐表是以兆歐為單位，檢查絕緣電阻，保證線路工作正常，避免發(fā)貨時(shí)能意外情況。

3）電機(jī)裝置

電機(jī)裝置依據(jù)電磁感應(yīng)定律傳遞電磁，該裝置用來(lái)進(jìn)行空載測(cè)試，依據(jù)傳遞電磁情況檢測(cè)電機(jī)裝置是否出現(xiàn)漏電情況。

配合以上儀器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟：

開(kāi)啟電機(jī)端蓋，拆下定子繞組，檢查線圈間距，匝數(shù)，周長(zhǎng)，線徑，線圈繞線，墊槽絕緣，電機(jī)下線。試驗(yàn)繞組對(duì)地絕緣電阻測(cè)試、測(cè)臺(tái)對(duì)機(jī)測(cè)試，觀察其是否能正常工作、測(cè)三相空載電流、分析故障問(wèn)題。

3.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差驗(yàn)證分析

分別使用基于測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電路、基于光電碼盤測(cè)量電路和自動(dòng)化單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)比分析轉(zhuǎn)速測(cè)量值，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 三種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量值對(duì)比分析

由表2可知，根據(jù)三種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量值相比較，電路轉(zhuǎn)速測(cè)量值與實(shí)際值誤差有著明顯區(qū)別，其中基于測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量的誤差為43r/min；基于光電碼盤測(cè)量的最大誤差為130r/min；而使用自動(dòng)化單片機(jī)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的誤差最小，為5r/min。基于此，對(duì)比分析三種電路的轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差，計(jì)算公式為：

式(2)可知，rx表示測(cè)量值；r0表示實(shí)際值。轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，使用基于測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電路轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差最大為4.0，最小為0.4，以測(cè)速器為主的電路，需根據(jù)預(yù)先設(shè)定容差判斷電路性能，該過(guò)程容易受到外界干擾，所以誤差較大；使用基于光電碼盤測(cè)量電路轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差最大為7.2，最小為2.9，依據(jù)脈沖判斷電路性能，該過(guò)程受到外界影響嚴(yán)重，所以誤差較大；使用自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差最大為0.3，最小為0.1，該電路設(shè)計(jì)了抗干擾步驟，誤差較小。

圖5 三種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差對(duì)比分析

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路，設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，使測(cè)量更加地精準(zhǔn)。實(shí)測(cè)速度相對(duì)誤差在0.3以內(nèi)，能滿足電機(jī)測(cè)速及電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有良好的檢測(cè)功能，工作性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足速度控制的要求。尤其當(dāng)測(cè)量空間有限或傳感器安裝不便時(shí)，該系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，并能在其他工程廣泛應(yīng)用。