旋轉編碼器在線速度檢測控制中的應用

摘 要:通過對盤絞式成纜機工作過程的分析，說明了對收線電機的控制要求，采用AT89C51單片機為控制核心，通過檢測旋轉編碼器在單位時間內輸出的脈沖數，與標準脈沖數進行比較，控制收線電機調速器的給定值，從而控制收線電機的旋轉速度，實現了線纜的均勻走線速度控制。給出單片機與旋轉編碼器組成的閉環線速度控制系統的電路原理及主要控制程序的設計方法。其簡潔的電路設計和典型的控制方法具有較高的參考價值。

關鍵詞:旋轉編碼器;線速度檢測; AT89C51單片機; 電機調速

中圖分類號:TN919; TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0144-02

Application of Rotary Encoder in Line Speed Detection and Control

JI Song-bo， GAO He-liang， HOU Ting

(College of Information Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010051， China)

Abstract: The requirements of control for the pulling motor are illustrated by analyzing the working process of a disk stranding cabling machine. Taking AT89C51 single-chip computer as the core of controller and comparing the number of the pulses exported by rotary encoder in unit time with that of the standard pulse to control the given value of the speed governor for the pulling motor， the rotation speed of the pulling motor is controlled， and the control of cable uniform speed is achieved. The circuit principle and the design methods of main control program of closed-loop line speed control system are given. The simple circuit design and typical control method have a certain reference value.

Keywords: rotary encoder; line speed detection; AT89C51 SCM; motor speed regulation

0 引 言

在電纜生產線上，通常需要檢測電纜的走線速度，用來控制收線電機的轉速和計算線纜的長度。成纜工藝參數的穩定， 直接關系到電線電纜的質量。

該項目是為某電纜廠的技術改造項目，要改造的設備是利用束線原理制造的盤絞式成纜機，改造的內容是更換全部電氣控制系統。這種成纜機的放線盤固定， 而收線盤固定在盤絞架上同時完成絞合和收線的雙重運動。工作時，在線纜盤直流電機的帶動下，完成電纜的收線運動，在排線電機的帶動下實現電纜在收線盤的整齊排列。在大盤電機的帶動下，通過齒輪箱帶動盤絞架實現軸向旋轉，完成電纜絞合運動，是保證節距的關鍵。線速度是由收線盤的旋轉速度決定的，如果收線電機的轉速恒定，收線盤隨著收線軸的變粗，線速度會增大，因此，為保證收線速度恒定，要逐漸降低收線電機的轉速。

1 系統設計原理

根據電纜的生產工藝要求，不同型號的電纜，其走線速度是恒定的。通常，電纜的運行速度是由電纜帶動旋轉編碼器來檢測的。電纜線速度測速示意圖如圖1所示[1]。

圖1 線速度測速示意圖

該項目中，采用的旋轉編碼器的型號是TRD-J1000系列，旋轉一周輸出1 000個脈沖[2]。因此，根據在一定時間內檢測到的脈沖數，就可以計算出電纜的走線速度。實際應用中，將其與一加工精度極高、周長為500 mm的旋轉編碼器測量主動輪與旋轉編碼器同軸安裝，主動輪與電纜接觸。在電纜生產運動過程中，依靠摩擦力拉動測量輪旋轉，這樣就把電纜的直線位移(長度)轉化為旋轉編碼器的脈沖數字信號輸出。

設旋轉編碼器每旋轉一周，其計數脈沖個數為NP(脈沖個數/轉)，則旋轉編碼器角分辨率(單位:(°)/個)為[3]:

P=360/NP

假定固定在旋轉編碼器轉軸上的主動導向輪半徑為r m， 則旋轉編碼器位移分辨率(單位:m/個)為[4]:

PS =2πr/NP

這時， 若計數脈沖個數為N(個)，則由旋轉編碼器測量的位移量S(單位:m)為:

S=PS#8226;N

線纜走線速度V(單位:m/s)為:

V=S/T

式中:T為接收N個脈沖所用的時間(單位:s)。

2 硬件電路設計原理

該檢測電路以AT89C51單片機為控制核心，如圖2所示，旋轉編碼器輸出的脈沖，經過電平轉換，變成0～5 V的TTL電平脈沖，送到AT89C51單片機的外部中斷INT0端。每收到一個脈沖，單片機中斷一次，同時計數脈沖存儲器加1，與標準脈沖值比較后，單片機的P0口輸出給定值數字量，再經過D/A轉換變成給定值模擬量，送給收線電機調速器，控制電機轉速[5]。這里的D/A轉換芯片采用8位數據輸入，四路模擬量輸出的TLC7226IDW。如果需要提高電機轉速控制精度，可以選用其他10位、12位數據輸入的D/A轉換芯片。

圖2 硬件原理框圖

工作時，當收線電機帶動電纜運動時，帶動旋轉編碼器的主動輪旋轉，從而旋轉編碼器旋轉，輸出脈沖。該脈沖送入光電耦合器，進行隔離、整形、電平轉換，送給AT89C51的12腳，外部中斷INT0進行脈沖計數。每接收到一個脈沖，單片機執行外部中斷INT0 子程序一次，脈沖計數存儲器加1。例如，每間隔1 s讀取一次，從而可以根據計數脈沖的個數，與標準脈沖數比較，因此，可以判斷當前線速度的大小[6]。

線速度的計算方法如下:

例如，要求線速度V為0.1 m/s。

旋轉編碼器每秒輸出脈沖數=V#8226;NP/C

其中:C為旋轉編碼器主動輪周長(單位:m)。

所以，線速度為0.1 m/s時，旋轉編碼器每秒輸出標準脈沖數=0.1×1 000/0.5=200個/s。

3 軟件設計

在定時器中斷中運行，在計時子程序中，每秒執行一次。即查詢每秒收到的脈沖數是否與標準脈沖相同。該線速度控制子程序如圖3所示。

圖3 線速度控制子程序流程圖

首先，讀脈沖計數存儲器的數值，與標準脈沖數比較，等于標準脈沖，脈沖計數存儲器數值清零，說明此時走線速度等于標準速度;若大于標準脈沖數，說明線速度大于標準線速度，因此，必須使調速器給定值減1，使得收線電機轉速減低;若小于標準脈沖數，說明線速度小于標準線速度，必須使調速器給定值加1，使得收線電機轉速增加，從而形成閉環線速度控制反饋系統，控制收線電機旋轉速度，使得線速度保持恒定。

4 結 語

根據電纜成纜機的工藝要求，設計了單片機與旋轉編碼器組成的閉環線速度控制系統，并給出了主要控制程序的設計方法。還可以通過軟件實現線纜走線長度的檢測以及運行時間的計算等功能[8]，并通過顯示屏顯示出來。上述線速度控制系統已成功應用在實際的技術改造中，為企業節約了近百萬元的技術改造資金。結果表明，該系統具有運行穩定可靠、電路簡單、測量精度較高、成本低等特點，完全滿足電纜生產工藝要求，其簡潔的電路設計和典型的控制方法具有較高的參考價值。

參考文獻

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