自動化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計

陳見輝，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、接口簡單的優(yōu)勢，被引用到各個領(lǐng)域。DC電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)實現(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)測控系統(tǒng)的重要組成部分就是速度控制，如何測量電機(jī)轉(zhuǎn)速并實現(xiàn)高精度控制，是創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵。在瞬間切斷電源啟動時，電動機(jī)由0Hz單片機(jī)自動啟動，容易造成電動機(jī)損壞，變頻器過電流保護(hù)。因此為電機(jī)提供一個長期、穩(wěn)定、可靠的運行環(huán)境，一直是眾多廠家關(guān)注的焦點[2]。目前常用的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路主要有基于測速發(fā)電機(jī)測量電路和基于光電碼盤測量電路，其中基于測速發(fā)電機(jī)測量電路，采用轉(zhuǎn)速發(fā)生器和轉(zhuǎn)速計為核心，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的容差判斷被測電機(jī)的性能，并且可以方便地處理測量數(shù)據(jù)，采用雙向可逆計數(shù)器，可以提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，降低測量難度；基于光電碼盤測量電路，以光碼盤為基礎(chǔ)，在測量電路的設(shè)計上，采用特殊的脈沖形成電路和復(fù)位電路，利用雙向可逆計數(shù)器準(zhǔn)確記錄編碼器相關(guān)電機(jī)軸的位置，對控制對象的輸出方向有很好的檢測效果。但兩者反饋速度慢，干擾少，在實際應(yīng)用中很難驗證。為此，提出了自動化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計。

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

設(shè)計一種以供電電路、轉(zhuǎn)速檢測電路、電壓比較電路和信號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量電路相連，電源和速度檢測電路分別連接到電壓比較電路、信號放大電路和信號放大電路。整流濾波后，電源電壓為12V，進(jìn)入電壓比較電路，采樣檢測電路經(jīng)整流濾波后，得到正負(fù)12V電壓，取樣信號輸入到電壓比較電路中，在信號放大電路中進(jìn)行比較電壓的轉(zhuǎn)換。當(dāng)電壓增大100倍時，還原成控制信號的方波信號，頻率在0hz～50hz之間[3]。通過電阻測試，把電壓控制信號輸入到中央處理機(jī)中，完成對電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測。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)過濾波器進(jìn)行濾波處理，過濾多余且干擾數(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，然后由第一級濾波電容過濾[4]。

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

圖2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路

由圖2可知，該測量電路是由TMS320F28031型號主芯片的單片機(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。該測量電路包括6個電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6，2個電容Cl、C2，4個穩(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+、-符號表示正負(fù)兩端。由電阻R2和電阻R3來調(diào)節(jié)電機(jī)電壓，再由穩(wěn)壓二極管D3通過電阻R3來穩(wěn)定電壓，電路由此產(chǎn)生的反電動勢，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型號主芯片模擬壓縮端口的值，有效保護(hù)主芯片。

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

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

圖3 自動化單片機(jī)系統(tǒng)

由圖3可知，通過采樣器采集脈沖計數(shù)，計數(shù)端接收來自采樣器的采樣結(jié)果，并傳送到計數(shù)器中。與此同時，采樣器通過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。重新啟動采樣器時，采樣器清零，等待下一個脈沖周期。

2.1 脈沖控制

按照自動單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生控制脈沖的順序，在采樣時，將計數(shù)器與自動單片機(jī)系統(tǒng)的脈沖輸入接口連接，使脈沖計數(shù)器開始計數(shù)。在自動化單片機(jī)系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速測量按式(1)計算：

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

t1的取值必須保證在采樣期間內(nèi)，自動化單片機(jī)系統(tǒng)中的自動計數(shù)器脈沖輸入有1次以上，而電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速超過了很多次，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，在保證計數(shù)器在一個采樣周期內(nèi)完整輸出時，控制脈沖的下降方向，再重新設(shè)定計數(shù)器的輸出[6]。

首先更新處理程序，確定下一個采樣周期之前的計數(shù)器數(shù)據(jù)處理時間t2。再由自動單片機(jī)重復(fù)掃描計數(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。電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量時，由工作程序的長度決定掃描周期長度，由此可設(shè)置數(shù)據(jù)處理時間，計為t2≥t1。

2.2 程序?qū)崿F(xiàn)

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

由圖4可知，T0的常閉觸點在控制脈沖關(guān)閉后及時復(fù)位。T0常閉觸點和差動指令之間的差值用于向系統(tǒng)傳送計數(shù)器測量到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中，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

抗干擾設(shè)計是為了減少工業(yè)現(xiàn)場的干擾因素，確保測量的精準(zhǔn)性。在測試電路中，速度與脈沖數(shù)有關(guān)，不會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)場干擾的影響，確保測量的質(zhì)量，采用鎖相環(huán)電路進(jìn)行測量。鎖相環(huán)包括環(huán)形識別器、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，及時輸出信號可能與輸入信號不一致，但兩者頻率相同，相位一致。辨識主要是對比輸出電壓和實際電壓大小，低通濾波器主要是篩選辨識結(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，保證在相同頻率時保持相位差不變。等值差使識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，采用低通濾波實現(xiàn)鎖相環(huán)鎖定。

3 實驗

為了驗證自動化單片機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路設(shè)計合理性，進(jìn)行實驗驗證分析。

3.1 實驗設(shè)備及使用步驟

實驗過程中所使用的設(shè)備儀器包括以下幾種：

1）萬用表

萬用表負(fù)責(zé)檢查電路的連接情況，將萬用表調(diào)到蜂鳴檔位置，測試接線情況，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，該裝置用來進(jìn)行空載測試，依據(jù)傳遞電磁情況檢測電機(jī)裝置是否出現(xiàn)漏電情況。

配合以上儀器，設(shè)計實驗步驟：

開啟電機(jī)端蓋，拆下定子繞組，檢查線圈間距，匝數(shù)，周長，線徑，線圈繞線，墊槽絕緣，電機(jī)下線。試驗繞組對地絕緣電阻測試、測臺對機(jī)測試，觀察其是否能正常工作、測三相空載電流、分析故障問題。

3.2 轉(zhuǎn)速測量誤差驗證分析

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

表2 三種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量值對比分析

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

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

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

圖5 三種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量誤差對比分析

4 結(jié)語

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