基于DSP的電梯限速器測試儀速度檢定系統(tǒng)設(shè)計

崔　磊　崔　江　陳　未

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

0　引言

在電梯限速器的生產(chǎn)和測量領(lǐng)域，測試儀是對電梯限速器進行校準和測試的標準儀器[1-4]，其核心控制器一般采用單片機完成[5-6]，其優(yōu)點是成本較低，速度測量與控制都能滿足測量的要求。測試儀主要用于檢測電梯限速器的運行線速度或轉(zhuǎn)速。經(jīng)過一段時間的使用之后，測試儀的測量性能會有所下降，對于電梯限速器的轉(zhuǎn)速測量準確度會有下降趨勢。因此，測試儀的定期性能檢定對計量部門而言是一個十分重要的任務(wù)。目前，市場上對于測試儀的研制較多，但是能夠?qū)y試儀檢定的儀器不多。

本文探討了在測試儀檢定中對于速度進行檢定的一種系統(tǒng)實現(xiàn)方法，其主要目的是能夠產(chǎn)生和測量預(yù)先設(shè)定的目標轉(zhuǎn)速，并用于和測試儀測量的轉(zhuǎn)速進行比較，以評估電梯限速器測試儀的速度測量性能是否滿足進一步使用的要求。本文討論了該系統(tǒng)的硬件和軟件實現(xiàn)，最后給出了系統(tǒng)的部分測量數(shù)據(jù)，驗證了本方案的可行性。

1　硬件系統(tǒng)設(shè)計

電梯限速器測試儀速度檢定系統(tǒng)主要由鍵盤管理電路、DSP、液晶顯示模塊(LCM)、DAC、無刷直流電機(BLDC)和電機控制器、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電機所需的交流電壓，電機轉(zhuǎn)速為伺服控制，控制精度高(轉(zhuǎn)速控制誤差約1%)。整個硬件系統(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(即人機接口電路)。DSP控制器根據(jù)通過鍵盤設(shè)置的轉(zhuǎn)速大小控制電機的轉(zhuǎn)速，并將測到的轉(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TI的TMS320LF2407A控制器[7]。該DSP控制器具有控制精度高(字長16位)，實時性好(單周期指令最快25ns)，功能強(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。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)速值大小來控制電機的轉(zhuǎn)動，并對采集到的數(shù)據(jù)進行計算和處理。

1.3　DA轉(zhuǎn)換器及信號調(diào)理電路

在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了無刷直流電機及其控制器作為速度的動力產(chǎn)生裝置。此處，電機的速度控制需要一個模擬電壓(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DAC轉(zhuǎn)換得到的電壓，不能直接送給電機控制器，必須先經(jīng)過信號調(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)過前一個運算放大器MA時進行電壓的大小調(diào)整，后一個運算放大器MA1起到電氣隔離和緩沖的作用。mc_avi是經(jīng)過調(diào)理電路后得到的電壓。R1、R2是設(shè)計該調(diào)理電路放大倍數(shù)時兩個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)換信號的調(diào)理電路

1.4　光電編碼器

在本文中，電機的轉(zhuǎn)速測量采用2000線旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)，其測量精度高，抗磁干擾性能好，響應(yīng)速度快。電機在轉(zhuǎn)動過程中，編碼器會輸出A、B、Z三路信號，其中A和B是兩路正交的脈沖信號，Z是方向信號，對編碼器產(chǎn)生的一路信號進行處理就能夠計算得到電機的轉(zhuǎn)速。

1.5　轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路

電機轉(zhuǎn)動時，光電編碼器會產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速脈沖信號，產(chǎn)生的信號不能直接送給DSP進行處理，必須先經(jīng)過脈沖信號的調(diào)理電路，否則產(chǎn)生的脈沖信號由于電壓過高可能會燒毀DSP，同時產(chǎn)生的信號由于毛刺影響轉(zhuǎn)速的測量精度。轉(zhuǎn)速信號的調(diào)理電路十分簡單，采用74LS14施密特反相器進行兩級緩沖即可。

2　軟件設(shè)計

軟件采用匯編語言編寫，包括初始化、轉(zhuǎn)速參數(shù)的人機接口輸入、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，這樣可以實時計算后續(xù)的速度等參數(shù)；事件管理器初始化主要包括定時器、計數(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SPI進行初始化設(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，使能主機模式，主機工作下允許發(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MAX5121的參數(shù)輸入確定，該器件通過接收DSP發(fā)出的串行輸入數(shù)字量，輸出一個對應(yīng)的模擬電壓。在普通單片機的轉(zhuǎn)速測量中，一般采用M/T法配合進行速度的測量。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個脈沖信號，考慮到電機的最小轉(zhuǎn)速為60r/min，故此處采用了計數(shù)法進行測量，簡化了程序設(shè)計。另外，在進行速度測量中，采用了定時計數(shù)方法，即定時一定的時間，然后計算該段時間內(nèi)的脈沖個數(shù)。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，定時10ms足夠滿足速度的計算要求。另外，針對電機在控制中速度有一定的波動，采用了數(shù)字濾波方法，即計算多次速度值大小并取中值濾波方法加以計算。

3　測試結(jié)果分析與討論

速度檢定是電梯限速器測試儀檢定中的一項重要內(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)定的目標轉(zhuǎn)速(假設(shè)為b)下的轉(zhuǎn)速測量值(假設(shè)為a)。以及與標準轉(zhuǎn)速表(型號：SHIMPO DT-207L，準確度0.2級)的測量值(假設(shè)為c)比對。

表1　測量轉(zhuǎn)速、標準轉(zhuǎn)速表(0.2級準確度)的測量結(jié)果

在表1中，給出了轉(zhuǎn)速測量的相對誤差δ，該指標利用0.2級標準轉(zhuǎn)速表的值作為標準，該誤差的定義如下：

δ=|a-c|/c×100%

另外，給出了電機速度的控制誤差β，該指標是利用人機接口輸入的轉(zhuǎn)速值作為標準量，其定義如下：

β=|a-b|/b×100%

從表1可以看出，本系統(tǒng)的整機電機速度控制誤差范圍在5%以內(nèi)(除第一個誤差值較大)，影響該誤差的因素主要是由直流電機控制器決定(接近1%控制準確度)；其次，DAC信號調(diào)理電路中的運放信號漂移也會影響這個誤差值的大小。由于速度檢定主要考慮系統(tǒng)對速度的測量準確度，本系統(tǒng)的速度測量準確度與標準轉(zhuǎn)速表相比已經(jīng)十分接近，可以認為本系統(tǒng)的測量準確度十分接近0.2級計量表的準確度，完全可以檢定普通電梯限速器測試儀的速度(一般測量準確度1%左右)。

4　結(jié)論

設(shè)計了一個基于DSP系統(tǒng)的電梯限速器測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，并測量該轉(zhuǎn)速的實際大小，測量準確度接近0.2級轉(zhuǎn)速表的性能。

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