电机转速测量系统

收稿日期:2009-02-03

作者简介:高苇,助理工程师,哈尔滨商业大学,电子信息工程。

电机转速测量系统

高 苇

(黑龙江省冶金研究所,哈尔滨 150040)

摘 要:本文介绍了由单片机89C52构成的电机转速测量系统的工作原理、设计思想、软硬件配置及应用方法。该系统具有硬件体积小、成本低、检测精度高、操作方便、智能化较高等特点,应用前景十分广阔。关键词:单片机;喂线机;转速

System of Motor Speed Measurement

Gao Wei

(Heilongjiang Istitute of Metallurgy,Harbin 150040 China)

Abstract:This paper introduces the theory and design of motor rotational speed measurement system based on the single chip processor 89c52and the detail implement.The system has the advantage of small cuba ge,low cost,high accuracy,easy to use and so on and can be applied widely.KeyWords:Single chip processor;Wire feeder;Rotational speed 在工业控制领域当中,经常需要测量电机实时转速,在冶金领域炉外精炼用的喂线机要求将精确量的芯线在一定时间内均匀地喂入钢包中,这就要求测量电机(喂线轮)的转速并计算出芯线的长度。随着微型计算机的广泛应用,特别是高性能单片机的不断推陈出新,转速测量普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。本文提出一种基于89C52单片机的测量控制电机转速的方法:利用霍尔传感器采集脉冲信号,通过单片机进行运算处理和分析,将电机的转速实时显示出来,同时实现对芯线长度的计算。

1 测量系统的工作原理

本系统实现对喂线机中电机转速的测量,并根据机械比、喂线轮直径换算成芯线长度。脉冲测速的方法主要有T 法(测周法)、M 法(测频法)。

(1)测周法:T 法是测量两个脉冲之间的时间换算成周期,从而得到频率。测出产生N 个脉冲内所需要的时间t,则信号的周期为f=N/t,测量

频率误差 f N t/t 2

,相对误差 f/f= t/t,误差主要来自采样的时间误差,低频脉冲情况下误差较小,测量精度高。

(2)测频法:M 法是测量单位时间内的脉数换算成频率。在设定t 时间内,测量产生N 个脉冲,则信号的周期为f=N/t,测量频率误差 f N/t,相对误差 f/f= N/N,误差主要来自脉冲个数!1计数误差,高频脉冲情况下误差较小,测量精度高。

本系统采用M 法进行测速,其测量原理如下:测量转速的霍尔传感器固定在距齿轮外缘3mm 的支架上,在霍尔元件正对面的喂线轮上贴一小块磁钢,当测速的喂线轮经过霍尔传感器正前方时,改变了磁通密度,霍尔传感器则产生一系列脉冲

信号并经过光电耦合器后转化为计数脉冲送入单片机中,单片机将该数据进行处理后就可以得出喂线轮的转速,并将该数据通过串行通讯接口RS232将数据传输到上位机,显示速度变化。单片机测量电机转速的系统原理如图1所示。

单片机测量电机转速主要包括三个过程:信

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第29卷第2期

2009年6月

黑龙江冶金

Heilongjiang Metallurgy

Vol.29 No.2June

2009

号转换、采集过程;信号运算处理、分析过程;速度、

长度显示。

图1 单片机测量电机转速的基本原理

(1)信号转换、采集过程主要是将喂线机电机的转速信号转换成单片机可以处理的信号。首先将电机的转速信号通过霍尔传感器转换成对应频率的脉冲信号,并将脉冲信号送入单片机进行采集。

(2)信号运算处理过程主要是把采入单片机系统的经过转换的信号通过软件和算法进行运算处理和分析,得出喂线机的喂线速度和喂线长度。

(3)单片机C PU 将处理后的数据在LC D 上显示出来。

2 单片机部分的硬件设计

根据工作原理设计出硬件部分包括三部分:信号检测处理部分、信号通讯部分、信号抗干扰部分。

2.1 信号检测处理部分

这个部分主要包括两个方面的内容:(1)检测元件:本系统选用的检测元件为DN6837的开关集成霍尔传感器。集成霍尔元件片内设有稳压电路、施密特电路,通过晶体管的集电极输出信号,并且通过的脉冲信号不需要进行整形。这种传感器具有时滞特性,此特性可以防止噪声干扰。此元件是OC 门,需要在输出端与电源之间接一个1.5k 电阻,为了提高其带负载能力,接一个三极管放大电路,电路如图2

所示。

图2 检测元件的后续电路

(2)处理器:本系统选用ATMEL 公司生产的MCS-51系列AT89C52单片机作为处理器,内置8K 字节电擦除可编程EEPROM 片内程序存储器和256字节RAM,片内程序存储器空间能满足本系统程序存储之需要,可省去片外EPROM 程序存储器和地址锁存器,使电路结构简捷,AT89C52单片机还具有性能价格比高,控制方式可靠,保密性强,功耗低,应用灵活、方便等特点。2.2 信号通讯部分

系统设计为了精确显示反映速度变化,设计一个通过串行通讯接口RS232传输数据信号,选用了MAX232芯片,将信号传输到上位机,通过软件接口显示速度变化,从而准确实现速度在线检测。

2.3 信号抗干扰部分

(1)反向隔离:光电隔离电路主要功能是为了防止外部信号与单片机CPU 产生干扰,将外部矩形方波电压信号再经过一个TLP521-1光电隔离器进行隔离,然后再一次经过74LS14施密特反向器整型后进入单片机C PU 系统,且CP U 加隔离后进入驱动系统。

(2)看门狗:为了系统设计可靠性,采用了MAX705复位/看门狗电路,主要功能是防止程序运行时失控和提供外部复位功能。当系统受到干扰,程序发生?飞逸#或?死机#时,看门狗可以使程序复位。

(3)抗干扰稳压电源:主要为控制器其它各部分电路提供可靠的工作电源。电源电压首先经DC~DC 变压器降压,再经整流、滤波及不同的稳压电路之后,一方面为给定电路提供稳定的设定电压,另一方面也为驱动执行电路提供可靠的工作电源。外部信号提供的工作电源电压为DC24V,而设计的硬件控制接口工作电压为DC5V,因此需要设计个电源模块由DC24V 转换为DC5V,即DC~DC 转换电源模块。

3 系统的软件设计

该系统的软件设计思想采用模块程序设计思想,将该程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块,这样不仅设计简单而且调试比较方便、直观。

本系统软件可分为主程序、数据处理程序、按键处理程序、中断服务子程序和显示程序五个部分。其中主程序主要完成初始化功能,包括显示器的初始化、显示缓存的初始化、定时器的初始化、外部中断的初始化以及标志位的初始化。

(下转37页)

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黑 龙 江 冶 金第29卷

图2 双模控制器系统框图

地址设为0x260。

xPC 不提供对光电编码器的支持,所以需要自行开发这些板卡在xPC 下的驱动程序。这里采用C 代码编写S 函数的方法实现驱动模块。码盘S 函数中输出函数如下:

static void mdlOutputs(SimStruct *S,int-T tid){#ifndef MATLAB-MEX-FILE

uint16-T Val,tVal;uint-T baseAddr =B ASE;real-T *y;

y=ssGetOutputPortSignal(S,0);tVal =rl32eInpW ((unsigned short )(baseAd

dr));

Val =(tVal&0xfffc)>>2;y[0]=Val;#endif}

由于Matlab 环境下m 文件编写的模块无法进行实时仿真,所以各模块都使用Simulink 编制,确实不宜用Simulink 编制的,可以使用C 代码编写S

函数的方法实现。

搭建好MATLAB/Simulink 下的模型后,就可以通过RTW 生成c 代码,下载到目标机中,对转台的位置进行实时控制了。xPC 提供了多种操作实时仿真的方法,可以在宿主机上用MATLAB 的命

令行,或者通过宿主机上xPC 的远程控制工具控制实时仿真。

3 结 语

本文实现了转台控制系统的实时仿真,在Matlab/Simulink/RTW/xPC 环境下实现了整个系统的软件。在纯数学仿真阶段编制算法的Simulink 模型可直接用于实时仿真,便于快速原型化。

参考文献

[1]杨 涤,李立涛,杨 旭,等.系统实时仿真开发环境与应用[M].清华大学出版社.2002(3):189-207.[2]The Math works inc.xPC Target User ?s Guide [EB/OL ].[2006-12-06].http://www.math https://www.360docs.net/doc/2711682091.html,/access/helpdesk/help/pdf-doc/xpc/xpc-target-ug.pd f.[3]刘小莉,韩加蓬.MATLAB/xPC 环境下数据采集系统的设计[J].山东理工大学学报(自然科学版).2007,21(4):28-30.

[4]翟 坤,杨 涤,刘振刚,曲 溪.采用xPC 实现转台的位置伺服系统[J].系统工程与电子技术.2005,27(4):737-739.

(上接34页

)

图3 主程序流程图

4 结 语

此系统提出了以AT89C52单片机为核心控制,通过对硬件软件的设计,完成了对喂线机中电机转速的在线检测控制系统,利用了单片机优越的编程、控制性能,充分发挥单片机的核心地位,集机电一体化技术、智能仪器仪表技术于一体,以达到使系统高度集成化,且系统硬件结构简单合理,具有十分广阔的应用前景。

参考文献

[1]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M ].北京航天航空大学出版社,1990.[2]谭浩强.C 语言程序设计[M].清华大学出版社,1991.

[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社,1992.

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第2期于月芬:基于xPC 的转台控制实时仿真系统设计