基于單片機的電動機轉速測量系統(tǒng)畢業(yè)設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 脈沖發(fā)生器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在 T 法測速中，準確的測速時間 Tt 是 用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù) 2M 計算出來的，即Ｔ t= 2M /f ，則電動機轉速為 20f60ZTt60 ZMn ?? （ ） 高速時 2M 小，量化誤差大，隨著轉速的降低誤差減小，所以 T 法測速適用于低速段，與 M 法恰好相反。光電脈沖發(fā)生器輸出脈 沖、測速時間、高頻時鐘脈沖如圖 所示： 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 7 圖 T 法測速 M/T 法測速 把 M 法和 T 法結合起來，即檢測 Tc 時間內光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號個數(shù) 1M ，又檢測同一時間間隔內的高頻時鐘脈沖個數(shù) 2M ，用來計算轉速，稱作 M/T 法測速。設高頻時鐘脈沖的頻率為 0f ,則準確的測速時間 Tt＝ 2M /0f ,而電動機轉速為： 201f60Z T t60 ZMMn ?? （ ） 采用 M/T 法測速時，應保證高頻時鐘脈沖計數(shù)器與光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖計數(shù)器同時開啟與關閉，以減少誤差（如圖 ），只有等到光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖前沿到達時，兩計數(shù)器才同時允許開始或停止計數(shù)。由于 M/T 法的計數(shù)值 1M 和 2M都隨著轉速的變化而變化，高 速時，相當于 M 法測速 ； 低速時， 1M ?1，自動進入T 法測速。 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 8 圖 M/T 測速 通過上面的分析可知： M 法測量轉速在極端情況下會產(chǎn)生 177。1 個轉速脈沖的誤差，而 T 法在極端情況下，時間的測量會產(chǎn)生 177。1 個高頻脈沖周期。由于轉速脈沖的頻率遠小于高頻脈沖的頻率，因此如果用轉速脈沖信號的上升沿 (或下降沿 ) 來同步計數(shù)器的起止，在預定的測速時間內，轉速脈沖信號的計數(shù)值將為整數(shù) (無誤差 ) ，只有高頻時鐘脈沖會產(chǎn)生 177。1 的誤差，因其很小，影響可以忽略，所以用 M/T法實現(xiàn)測速具 有較高的測速精度。 各種測速方法的精度指標 分辨率 分辨率是用來衡量一種測速方法對被轉速變化的分辨能力的，在數(shù)字測速方法中，用改變一個計數(shù)字所對應的轉速變化量來表示分辨率，用Ｑ表示。設被測轉速由 n1 變?yōu)?n2 時，引起測量計數(shù)值改變了一個字，則測速裝置的分辨率是 Q=n1—n2（轉 /分） （ ） Q 越小，測速裝置的分辯能力越強； Q 越小，系統(tǒng)控制精度越高。 (1) M 法測速的分辨率 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 9 在 M 法測速中，當計數(shù)值由 1M 變?yōu)?1M ＋ 1 時，按式（ ）。相應的轉速由60M1/ZTc 變?yōu)?60（ M1＋ 1/） ZTc，則 M 法測速分辨率為 ： ? ? ZTZTMT 6060Z 1M60Q 11 ??? － （ ） 可見， M 法測速的分辨率與實際轉速的大小無關。從式（ ）還可看出，要提高分辨率（即減小 Q），必須增大 Tc 或 Z。但在實際中，兩者都受到限制，增大Z 受到脈沖發(fā)生器制造工藝的限制，增大 Tc 勢必使采樣周 期變長。 (2) T 法測速的分辨率 為了使結果得到正值， T 法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數(shù)由 M2 變?yōu)?M2－1 時轉速的變化量，于是 ? ? ? ?160 ff601MZ 60 fQ 22 0202 0 －－－ MZMZM ?? （ ） 綜合（ ）和（ ），可得 Znn －0260fZn? （ ） 由上式可以看出， T 法測速的分辨率與轉速高低有關，轉速 越低， Q 值越小，分辨能力越強。這也說明， T 法更適于測量低速。 3 ） M/T 法測速的分辨率 ? ?1M60fQ 22 10 －MZM? （ ） M/T 法測速在高速段與 M 法相近，在低速段與 T 法相近，所以兼有 M 法和 T法的特點，在高速和低速都有較強的分辨能力。 測速誤差率 計 算 測速誤差率是指測速裝置對實際轉速測量的精確程度，常用測量值與實際值的相對誤差來表示，即 %100nn ???? （ ） 測速誤差率反映了測速方法的準確性，測量誤差越小，準確度越高，系統(tǒng)控制精度越高。的大小取決于測速元件的制造精度和測速方法。 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 10 （ 1） M 法測速誤差率 在 M 法測速中，測速誤差決定于 脈沖發(fā)生器的制造精度，以及脈沖發(fā)生器輸出脈沖前沿和測速時間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等等，最多可能產(chǎn)生 1 個脈沖的誤差。因此， M 法測速誤差率的最大值為 ? ?1 0 0 %M11 0 0 %ZT6 0 MZT1M60ZT6 0 M1C1C1c1m a x ????－—? （ ） 由上式可知， δmax 與 M1 成反比，即轉速愈低， M1 愈小，誤差率愈大。 （ 2 ） T 法測速誤差率 采用 T 法測速時，產(chǎn)生誤差的原因與 M 法中相仿， M2 最多可能產(chǎn)生 1 個脈沖的誤差。因此， T 法測速誤差率的最大值為 ? ? 1 0 0 %1M 11 0 0 %ZT6 0 MZMf601MZ6 0 f2C12020m a x ???? －—－? （ ） 低速時，脈沖發(fā)生器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖個數(shù) M2 多，所以誤差率小，測速精度高，故 T 法測速適用于低速段。 兩種測速方法的比較： M 法測速在高速段分辨率強； T 法測速在低速段分辨率強； （ 3 ） M/T 法測速誤差率 在低速時 M/T 法趨向于 T 法，在高速段 M/ T 法測速相當于 T 法的 M1 次平均，而在這 M1 次中最多產(chǎn)生一個高頻時鐘脈沖的誤差。因此， M/T 法測速可在較寬的轉速范圍內，具有較高的測速精度 。 測速方法的比較和選擇 從測量分辨率上看， T 法測低速時分辨率較高，但隨著轉速的增大，分辨率變壞； M 法則相反，高速時分辨率較高。而低速時分辨率變低；同步 M/T 法結合了前兩者的優(yōu)點，在整個轉速范圍內有較高的分辨率。從測量精度上看， T 法測速的 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 11 測 量精度隨著轉速的增加而減小； M 法的測速精度在高速時較高。而在低速時變低；同步 M/T 法的測速精度介于二者之間。綜合以上兩方面，同步 M/T 法是一種比較好的方法。在許多系統(tǒng)中都采用這種方法。 雖然 M/T 法有這么多優(yōu)點，但也有不少問題： 1) 實時性差。因為需要同步，所以實際定時時間滯后于設定時間，具有遲滯性。 2) 測速精度具有非線性。在寬轉速范圍內，測速誤差逐漸遞增，不均勻。這不利于在整個轉速范圍內實現(xiàn)高精度轉速控制。 3) 同步 M/T 法和 T 法一樣，計數(shù)時鐘都利用單片機內部定時器的時鐘很難做到與轉速脈沖同步， 即使做到與轉速脈沖同步，測量的計數(shù)誤差也會給測量精度帶來影響。在同步 M/T 法中，測量精度本質上并沒有顯著提高。 而且要得到高精度測量，對各個環(huán)節(jié)要求都比較高，這樣就使整個系統(tǒng)的價格昂貴，否則 M/T 法的精度就無法保證。所以采用 M 法就能達到要求。為提高測速精度。本文提出一種新方法，即改進的 M 法。該方法在高速時精度很高，只要能增加低速時的盤脈沖 ， 就能解決在低速時測量精度低的問題。 本章小結 本章充分介紹了關于直流電機的測速系統(tǒng)的相關內容，具體直流電機測速的分類、方法。在本章中 經(jīng) 過比較決定運用數(shù)字測速中的 M 法 進行試驗。 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 12 3 直流電機測速系統(tǒng)的總體方案設定 直流電機測速系統(tǒng)的整個設計中最重要的部分是直流電機轉速的測量，本設計使用凌陽 16 位 SPCE061A 單片機為直流電機轉速調節(jié)的主控制芯片，其較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的指令系統(tǒng)，從硬件和軟件兩部分來改善系統(tǒng)性能，使研制成的直流電機控制系統(tǒng)具有很好的快速性和準確性，符合設計要求。 測速與顯示系統(tǒng)總體方案設計 在電機轉速測量系統(tǒng)中，可以利 用光電變換的方法，將電機的轉速測量出來。在設計型實驗中，測速對象為額定電壓 5V 的直流電動機，其轉速受電樞電壓控制，用改變電樞電壓的方法進行電機調整。為了知道電機的實際轉速，需要實時監(jiān)測電機軸的轉速，方法是電機的軸上連接一個碼盤，通過光電開關將轉速換為電脈沖信號，通過計數(shù)等電路，測量出電機的實際轉速。電機轉速的測量范圍為 30 — 60r/min，用 4 位七段數(shù)碼管顯示出相應的電動機轉速。它涉及光電轉換、放大、整形、倍頻、計數(shù)、譯碼、顯示及計數(shù)、顯示之間時序關系的控制。電動機轉速測量系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 電動機轉速測量系統(tǒng)框圖 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 13 直流電機測速系統(tǒng)硬件方案論證 本系統(tǒng)由一塊 SPCE061A 精簡開發(fā)板（ 61 板）和一塊電機控制模組構成，以 SPCE061A 為核心，包括電機驅動、按鍵、 LED 數(shù)碼管等模塊。系統(tǒng)的結構框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)的結構框圖 SPCE061A 單片機作為主控芯片，通過 I/O 端口來控制 SPGT62C19B 電機驅動芯片，從而實現(xiàn)對直流電機的控制。電機模組上的光柵轉盤和紅外對管將直流電機的轉動信息反饋給單片機，單片機針對測得的實際轉速來調節(jié) SPGT62C19B 的控制狀態(tài)，從而 使轉速由 4 位數(shù)碼管顯示出來。 61 板的三個按鍵用來對直流電機的轉動方向和轉速等進行設定。 直流電機數(shù)字測速基本原理 本文采用 M 法（頻率法）對直流電機測速。 M 法測速的工作是利用 4KHz 時基中斷，當光柵轉盤的挖空部分經(jīng)過紅外對管時，與之連接的單片機 I/O 口將輸入低電平；而光柵轉盤阻隔紅外對管時，該 I/O 口將入高電平。以 4KHz 作為采樣頻率，檢測該 I/O 端口的電平狀態(tài)并計數(shù)，即可通過一段時間內的計數(shù)值計算出電機轉速。同時將轉速反饋到單片機中，顯示轉速的結果實現(xiàn)直流電機的調速 。 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 14 轉速測量與顯示方案設計 硬件部分：測 速部分由光柵轉盤和紅外對管組成，當紅外發(fā)射管與紅外接收管之間被直流電機光柵轉盤的不透明部分遮擋時，紅外接收管處于截止狀態(tài)。反之，當光柵轉盤的通光槽轉至紅外對管之間時，紅外接收管處于導通狀態(tài)。當電機每轉動一周，紅外接收管將接收到 4次紅外光，通過定時計數(shù)的方法計算出電機轉動速度。顯示部分 模組提供了 4位共陰極 LED數(shù)碼管 ，將單片機與 LED數(shù)碼管相連利用 C語言編程即可實現(xiàn)數(shù)碼管顯示控制。 軟件部分：開始時，編寫電機轉速設定 SetSpeed()與方向設定 SetDirection()，通過按鍵設定初始轉速與方向。編寫 switch case 語句通過按鍵來改變設定值。啟動電機，測速計數(shù)器加 1，定時計數(shù)器加 1。達到給定時間，計算電機轉速并保存電機轉速，測速計數(shù)器清零，定時計數(shù)器清零。返回主程序重新開始測速。 試驗由硬件部分與軟件部分組成。硬件部分由一塊 SPCE061A 和一塊電機控制模組構成，以 SPCE061A 為核心，包括電機驅動、按鍵、 LED 數(shù)碼管等模塊。SPCE061A 單片機作為主控芯片，通過 I/O 端口來控制 SPGT62C19B 電機驅動芯片，從而實現(xiàn)對直流電機的控制。軟件部分通過凌陽公司提供的軟件 ，在該軟件編寫環(huán)境下針對直流電機系統(tǒng)要求對單片機編寫相應的 C 語言程序實現(xiàn)對直流電機的控制。直流電機轉速控制系統(tǒng)原理框圖如下圖 所示。 圖 直流電機轉速控制系統(tǒng)的原理框圖 本章小結 本章主要講述了直流電流轉速測量及顯示方案的設定，直流電機控制轉速的方案的設定。 P 控制器 電機 測速 D/A A/D 沈陽航空 航天大學 北方科技學院畢業(yè)設計（論文） 15 4 測速系統(tǒng)硬件設計 本系統(tǒng)采用 SPCE061A 單片機作為主控制器，采用 61 板配備的 3 個按鍵作為輸入部分