基于AVR 微處理器的高精度轉速測量裝置研制

黃敦華， 季 君

（北京電子科技職業學院， 北京 100176）

0 引言

轉速測量是電氣傳動控制系統中的重要環節， 尤其是單片微處理器速度快、功能強、價格低等優點，使全數字化的轉速測量裝置的精度與功能提升成為可能。 本設計采用了AVR 單片微機處理器作為核心控制器，改進了M/T 測速方法，提出了轉速自動修正算法，使轉速能從低速到高速自動平滑切換， 已應用到了轉速測量的實際系統中。

1 轉速測量硬件結構設計

轉速測量硬件系統采用 “AVR 單片微機處理器+檢測轉換+轉速顯示+反饋保護”的技術方案，設計出了硬件電路結構圖如圖1 所示。

圖1 轉速測量硬件結構框圖

核心控制器采用AVR 嵌入式單片微機處理器ATmega128，硬/軟件資源優于其它型號單片機，高級C 語言編程，時鐘頻率高，指令運行速度快（一個時鐘周期執行一條指令，而MSC-51 單片機或SOC 需要12 個時鐘周期才能執行一條指令）。8 位低功耗的嵌入式微處理器，具有先進的指令及單周期指令執行時間， 使得數據吞吐率高達1M IPS/MHZ；具有128K 字節的可編程flash。 4K 字節EEPROM，4K 字節SRAM，53 個通用I/O 線，32 個通用寄存器， 實時時鐘RTC，4 個比較模式和PWM 功能的定時器/計數器，8 通道10 位ADC 等，片內資源豐富。

其它硬件模塊包括D/A 輸出模塊TLC5615、 顯示模塊MAX7219、光電隔離模塊H11L1、高速光電耦合器、電源電路提供±12VDC、5VDC 的電壓給硬件系統。

工作原理是：增量式光電編碼器與交流電動機（或直流電動機）同軸安裝，實時檢測電動機的轉速，并把電動機轉速就地轉換成正交脈沖A、B，A、B 通過光電隔離器送入ATmega128 核心控制器。 根據設計控制軟件與算法轉換成轉速送MAX7219 進行顯示；轉換成0～±10V 進行電壓反饋輸出等功能。

2 轉速測量軟件功能設計

（1） 轉速測量自動修正算法。 本設計采用M/T 法進行轉速測量，光電編碼器實時檢測電動機轉速，并把電動機轉速轉換成A、B 脈沖數，送入轉速測量裝置核心控制器，可同時得到高頻脈沖的時鐘個數，如圖2 所示。 但在轉速脈沖頻率與高頻脈沖時鐘頻率相差較大時， 誤差也較大。 為了解決這個問題，本設計對M/T 法進行了改進。

圖2 M/T 法波形圖

假設光電編碼器每轉一圈輸出600 個脈沖 （下面計為P），AVR 微處理器內部計數脈沖頻率f（k）為1MHz，且在第k 個采樣周期內。

光電編碼器的輸出脈沖的個數為M1（k），電動機實際轉速為n（k），AVR 微處理器內部定時器計數值為M2（k），輸出的電壓信號為u（k）。

第k－1 個采樣周期時刻轉速為n（k－1），則可以采用如下遞推公式計算當前轉速：

M/T 法測速公式（1）進行改進后，轉速測量自動修正算法表達式為：

從上述計算公式可以看出， 由于實時根據上一個采樣周期測得的速度n（k－1）修正M1（k），所以可以采用一個計算公式（4）即可實現高速乃至低速的轉速平滑測量；當速度低于16r/min 時，將M1（k）定為1/4，確保在甚低速時也可以高精度測量實際轉速。

轉速的極性取決于電動機的實際旋轉方向， 當電動機逆時針為正方向（n（k）＞0），反之為負方向（n（k）≤0）。實際旋轉方向可以通過比較增量式光電編碼器的輸出信號A、B 的相位關系確定： 當信號A 超前于信號B 時，表明電動機逆時針旋轉；反之相反。

（2）轉速測量軟件設計。轉速測量軟件采用模塊化程序結構的技術方案，采用C 語言設計出了“計數中斷程序（定時器T1 對光電編碼器輸出的A、B 正交脈沖的兩個邊沿進行計數，產生每個輸入脈沖序列的頻率f）、定時中斷程序（定時器T2 的周期寄存器設置一周期，開始對定時器T1 進行計數定時，當定時器T2 的周期到時，進入中斷讀出定時器T1 的計數器的數字）、 轉速自動修正子程序、 轉速顯示子程序、 反饋電壓輸出子程序及保護子程序”等，主程序如圖3 所示。

圖3 主程序流程圖

3 轉速測量功能實現

研制的“高精度轉速測量裝置”集檢測、轉換、控制、顯示、反饋功能于一體，通用于交流電動機和直流電動機的轉速測量中（如圖4 所示）；開發的嵌入式轉速測量自動修正控制算法，能夠根據當前的轉速自動修正M1（k），即使轉速變化較大時（2＜n（k）＜2000）轉速輸出刷新周期也能基本維持在20ms 不變，使轉速自動平滑切換，并將轉速信號變成與轉速成正比的電壓反饋信號輸出；改進了傳統的M/T 測速法，從而保證了在低成本下，完成0～±2000r/min 的高精度轉速測量，克服了轉速測量中的誤差大的問題。

技術指標：轉速測量范圍1～±2000r/min，轉速分辨率為1 轉，輸出電壓分辨率為10mV，輸出電壓刷新速率為50 次/秒，反饋電壓輸出信號范圍為0～±10V。 該轉速測量裝置具有檢測時間短、測量精確度高、使用壽命長、通用性強等優點。

圖4 高精度轉速測量的現場應用

4 結束語

該轉速測量裝置涵蓋了“AVR 單片微機處理器、 轉速自動修正算法、 改進的M/T 法、光電隔離及液晶顯示”等多種先進技術，集測量、轉換、控制、顯示及反饋功能于一體，實現了交、直流電動機的轉速通用測量。 實際應用結果證明了該轉速測量裝置的通用性強，檢測時間短，測量精確度高與技術先進的特點。