自動化單片機系統中的電機轉速測量電路設計

陳見輝，張海霞

（河南科技職業大學，周口 466000）

0 引言

單片機是嵌入式微控制器，與應用到電腦中的處理器相比，具有體積小、接口簡單的優勢，被引用到各個領域。DC電機伺服驅動系統已經實現了智能化和數字化，在機械制造、電力生產、冶金等行業發揮著重要的作用[1]。在電機應用中，工業測控系統的重要組成部分就是速度控制，如何測量電機轉速并實現高精度控制，是創新設計的關鍵。在瞬間切斷電源啟動時，電動機由0Hz單片機自動啟動，容易造成電動機損壞，變頻器過電流保護。因此為電機提供一個長期、穩定、可靠的運行環境，一直是眾多廠家關注的焦點[2]。目前常用的電機轉速測量電路主要有基于測速發電機測量電路和基于光電碼盤測量電路，其中基于測速發電機測量電路，采用轉速發生器和轉速計為核心，可以根據預設的容差判斷被測電機的性能，并且可以方便地處理測量數據，采用雙向可逆計數器，可以提高測量結果的準確性，降低測量難度；基于光電碼盤測量電路，以光碼盤為基礎，在測量電路的設計上，采用特殊的脈沖形成電路和復位電路，利用雙向可逆計數器準確記錄編碼器相關電機軸的位置，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，在實際應用中很難驗證。為此，提出了自動化單片機系統中的電機轉速測量電路設計。

1 自動化單片機系統中的電機轉速測量電路結構設計

設計一種以供電電路、轉速檢測電路、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行比較電壓的轉換。轉換結果經整流濾波處理后，得到正負電壓，將處理結果輸入到中央處理機中，模塊示意圖如圖1所示。

圖1 電機轉速測量電路模塊示意圖

由圖1可知，電機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，進入電壓比較電路，采樣檢測電路經整流濾波后，得到正負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行比較電壓的轉換。當電壓增大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中，完成對電機轉速的檢測。為了保證電機轉速數據中不存在干擾數據，需經過濾波器進行濾波處理，過濾多余且干擾數據。將電路與整流器串聯、穩壓器與濾波器并聯，將12V的電壓轉換城整流電壓形式，然后由第一級濾波電容過濾[4]。

基于此，設計的自動化單片機系統中的電機轉速測量電路如圖2所示。

圖2 電機轉速測量電路

由圖2可知，該測量電路是由TMS320F28031型號主芯片的單片機、穩定二極管、濾波電路、BZT52C15型穩壓型電壓調節器及1N4148W-7型開關二極管組成的[5]。其中二極管和BZT52C15型穩壓型電壓調節器負責保持電路電壓穩定，1N4148W-7型開關二極管負責保護電路，濾波電路負責調節電容。該測量電路包括6個電阻Rl、R2、R3、R4、R5、R6，2個電容Cl、C2，4個穩壓二極管Dl、D2、D3、D4，各種零件之間的連接關系如表1所示。

表1 各種零件之間的連接關系

表1中的+、-符號表示正負兩端。由電阻R2和電阻R3來調節電機電壓，再由穩壓二極管D3通過電阻R3來穩定電壓，電路由此產生的反電動勢，也被調整電路和保護電路所消化，使電路輸出電壓小于TMS320F28031型號主芯片模擬壓縮端口的值，有效保護主芯片。

2 自動化單片機系統電機轉速測量電路程序實現

自動化單片機系統負責處理轉速測量數據，該系統該系統包括采樣器、計數器和控制脈沖三個部分，如圖3所示。

圖3 自動化單片機系統

由圖3可知，通過采樣器采集脈沖計數，計數端接收來自采樣器的采樣結果，并傳送到計數器中。與此同時，采樣器通過脈沖控制模塊控制脈沖，一旦關閉采樣器，就可處理全部數據，由此獲取轉速。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

按照自動單片機系統產生控制脈沖的順序，在采樣時，將計數器與自動單片機系統的脈沖輸入接口連接，使脈沖計數器開始計數。在自動化單片機系統中電機轉速測量按式(1)計算：

式(1)中，m表示在t時間內的脈沖個數。設t1為采樣時間，t2為數據處理時間。

t1的取值必須保證在采樣期間內，自動化單片機系統中的自動計數器脈沖輸入有1次以上，而電機的實際轉速超過了很多次，在這種狀態下應取電機轉速1s即可，即1秒乘以60。進行采樣時，在保證計數器在一個采樣周期內完整輸出時，控制脈沖的下降方向，再重新設定計數器的輸出[6]。

首先更新處理程序，確定下一個采樣周期之前的計數器數據處理時間t2。再由自動單片機重復掃描計數器，定期連續地執行程序任務。完成全部任務后，系統每收到一個指令，只能完成該任務一次。因此，充分考慮了程序采樣的數據處理要求，確保掃描周期大于工作程序周期。電動機轉動慣量時，由工作程序的長度決定掃描周期長度，由此可設置數據處理時間，計為t2≥t1。

2.2 程序實現

設置T0、T1兩種不同控制脈沖時間，分別在1s和2s的范圍內進行信號采集和數據處理，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；用怠速中繼常閉觸頭使計數器變為加法計數器；X0是一個脈沖輸入點，它的差值上升用于設置脈沖上升的計數。程序實現流程如圖4所示。

由圖4可知，T0的常閉觸點在控制脈沖關閉后及時復位。T0常閉觸點和差動指令之間的差值用于向系統傳送計數器測量到的數據，在數據處理過程中，數據沿著下降控制脈沖被鎖定。

圖4 程序實現流程

2.3 抗干擾設計

抗干擾設計是為了減少工業現場的干擾因素，確保測量的精準性。在測試電路中，速度與脈沖數有關，不會受脈沖之間相位的影響。由于變速電機是慣性循環，不可能發生變速，為了減少現場干擾的影響，確保測量的質量，采用鎖相環電路進行測量。鎖相環包括環形識別器、低通濾波器、壓控振蕩器、鎖相環、頻率跟蹤。在鎖相環鎖定時，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果，去除多余或干擾數據。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，采用低通濾波實現鎖相環鎖定。

3 實驗

為了驗證自動化單片機系統中的電機轉速測量電路設計合理性，進行實驗驗證分析。

3.1 實驗設備及使用步驟

實驗過程中所使用的設備儀器包括以下幾種：

1）萬用表

萬用表負責檢查電路的連接情況，將萬用表調到蜂鳴檔位置，測試接線情況，當紅黑表筆與線圈接頭連接出現蜂鳴聲，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，避免發貨時能意外情況。

3）電機裝置

電機裝置依據電磁感應定律傳遞電磁，該裝置用來進行空載測試，依據傳遞電磁情況檢測電機裝置是否出現漏電情況。

配合以上儀器，設計實驗步驟：

開啟電機端蓋，拆下定子繞組，檢查線圈間距，匝數，周長，線徑，線圈繞線，墊槽絕緣，電機下線。試驗繞組對地絕緣電阻測試、測臺對機測試，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 轉速測量誤差驗證分析

分別使用基于測速發電機測量電路、基于光電碼盤測量電路和自動化單片機測量系統對比分析轉速測量值，對比結果如表2所示。

表2 三種系統轉速測量值對比分析

由表2可知，根據三種系統轉速測量值相比較，電路轉速測量值與實際值誤差有著明顯區別，其中基于測速發電機測量的誤差為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測量系統測量的誤差最小，為5r/min。基于此，對比分析三種電路的轉速測量誤差，計算公式為：

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

由圖5可知，使用基于測速發電機測量電路轉速測量誤差最大為4.0，最小為0.4，以測速器為主的電路，需根據預先設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速測量誤差最大為7.2，最小為2.9，依據脈沖判斷電路性能，該過程受到外界影響嚴重，所以誤差較大；使用自動化單片機系統中的電機轉速測量電路轉速測量誤差最大為0.3，最小為0.1，該電路設計了抗干擾步驟，誤差較小。

圖5 三種系統轉速測量誤差對比分析

4 結語

自動化單片機系統中的電機轉速測量電路，設計了硬件電路和軟件系統，增加了系統的抗干擾能力，使測量更加地精準。實測速度相對誤差在0.3以內，能滿足電機測速及電機調速系統的要求。通過實驗證明，該系統具有良好的檢測功能，工作性能穩定可靠，能夠滿足速度控制的要求。尤其當測量空間有限或傳感器安裝不便時，該系統具有明顯的優點，并能在其他工程廣泛應用。