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絞車轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)論文
1.引言
在當(dāng)前系統(tǒng)與設(shè)備中越來(lái)越多的用到電動(dòng)機(jī),而電機(jī)轉(zhuǎn)速是最重要的控制、測(cè)量參數(shù),往往電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性是影響整個(gè)系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性的關(guān)鍵。因此,產(chǎn)生了很多針對(duì)具體應(yīng)用對(duì)象的轉(zhuǎn)速測(cè)量方式,其中最為常用的是測(cè)速發(fā)電機(jī)和光電編碼器測(cè)速方式。這兩種測(cè)速方式在精度和反應(yīng)速度都能很好滿足要求,但它的硬件成本偏高。
本文在追求測(cè)速精度、反應(yīng)速度與硬件成本平衡的原則下提出了一種測(cè)速與判斷轉(zhuǎn)向的方法。以單片機(jī)為核心的簡(jiǎn)易電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng),用兩路接近開(kāi)關(guān)作為測(cè)量絞車轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的敏感元件,經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理,能夠?qū)崟r(shí)、精確測(cè)速的功能,通過(guò)模擬電路輸出與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)電壓幅值。
2.實(shí)現(xiàn)原理
絞車是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪來(lái)帶動(dòng)絞車轉(zhuǎn)動(dòng),本文采用雙傳感器測(cè)量方法,利用接近開(kāi)關(guān)作為轉(zhuǎn)速檢測(cè)探頭,選擇合適的測(cè)速齒輪,在本設(shè)計(jì)中選擇的傳動(dòng)齒輪與絞車轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致,傳動(dòng)齒輪與絞車的轉(zhuǎn)速比為100:1。將接近開(kāi)關(guān)固定在轉(zhuǎn)速軸上,調(diào)整接近開(kāi)關(guān)與齒輪之間的距離,保證當(dāng)接近開(kāi)關(guān)位于齒頂時(shí),接近開(kāi)關(guān)響應(yīng),接近開(kāi)關(guān)位于齒根時(shí),接近開(kāi)關(guān)不響應(yīng)。傳感器結(jié)構(gòu)安裝示意圖及總體原理框圖如圖1所示。
如圖1所示,接近開(kāi)關(guān)輸出的脈沖通過(guò)整形電路后到單片機(jī),單片機(jī)對(duì)脈沖采用周期測(cè)速法采樣計(jì)算轉(zhuǎn)速,即在齒輪兩個(gè)齒之間的定時(shí)器的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式如公式(1)所示。
式(1)中為絞車轉(zhuǎn)速,單位為r/min;100為絞車與齒輪的轉(zhuǎn)速比;t為一個(gè)脈沖周期的采集時(shí)間,單位為s;D為測(cè)速齒輪的直徑;N為測(cè)速齒輪的齒數(shù)。
在測(cè)速接近開(kāi)關(guān)逆時(shí)針?lè)较虬惭b一個(gè)測(cè)向接近開(kāi)關(guān),使得兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)的脈沖相差小半個(gè)齒間脈沖。當(dāng)絞車順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),測(cè)向接近開(kāi)關(guān)脈沖下降時(shí),測(cè)速接近開(kāi)關(guān)在齒尖處;絞車逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),測(cè)向接近開(kāi)關(guān)脈沖下降時(shí),測(cè)速接近開(kāi)關(guān)在齒根處,由此可判斷絞車轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
3.硬件電路設(shè)計(jì)
絞車轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x控制電路采用飛利浦生產(chǎn)的P89C51RD2FA單片機(jī)作為微處理器進(jìn)行核心程序的設(shè)計(jì),來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。原理框圖如圖2所示。
絞車兩路傳感器的脈沖信號(hào)通過(guò)光隔隔離后輸入到微處理器的外部中斷端口,微處理器采集兩路脈沖之間的相位差轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào),微處理器控制DA電路將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出給經(jīng)過(guò)放大后的H橋電路,H橋電路輸出的電壓信號(hào)的幅值反映了轉(zhuǎn)速的大小,電壓的正負(fù)反映轉(zhuǎn)速的方向。微處理器通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信,同時(shí)檢測(cè)絞車轉(zhuǎn)速是否超過(guò)設(shè)定閾值,超過(guò)閾值后微處理器控制報(bào)警電路報(bào)警或停止絞車。
絞車傳感器輸出是+24V的信號(hào),超出了微處理器的檢測(cè)范圍。為了降低絞車傳感器的輸出電壓和減少干擾,絞車傳感器的輸出通過(guò)光隔隔離后到微處理器的外部中斷端口。
光隔選用TLP521-2,它的前端與后端最大電流分別為25mA、10mA,在光隔前端與后端加了2kΩ、1kΩ的電阻限流,傳感器的型號(hào)通過(guò)光隔隔離后進(jìn)入微處理器的外部中斷0、外部中斷1端口。
微處理器降處理后的數(shù)字信號(hào)發(fā)給后端模擬電路,后端模擬電路將這些數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的電壓值。電路如圖3所示。
微處理器通過(guò)中斷方式采集傳感器1的一個(gè)周期的時(shí)間,設(shè)置外部中斷下降沿觸發(fā),當(dāng)絞車傳感器1輸出的脈沖到下降沿時(shí),單片機(jī)響應(yīng)外部中斷,同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,第二個(gè)中斷來(lái)時(shí)停止計(jì)數(shù)器,記錄一個(gè)脈沖周期的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間是和絞車的轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。如每個(gè)脈沖周期的時(shí)間較短,可多次采樣得到一個(gè)平均值。將采集到的時(shí)間(數(shù)字量)傳輸給D/A模塊準(zhǔn)換成模擬信號(hào)。
D/A模塊選用采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TLC 5620。它是一款帶有串行控制的4路8位電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。給D/A模塊用參考源供+5V參考電壓,可設(shè)置TLC5620控制寄存器的RNG位來(lái)確定輸出電壓的放大倍數(shù)。設(shè)置RNG=0時(shí)放大倍數(shù)為基準(zhǔn)電壓的1倍,RNG=1時(shí)放大倍數(shù)為基準(zhǔn)電壓的2倍。在本設(shè)計(jì)中選用1倍的放大倍數(shù),即轉(zhuǎn)速與D/A端輸出電壓0~5V是對(duì)應(yīng)的。
TLC5620的控制端口有數(shù)據(jù)輸入端DATA,時(shí)鐘輸入端CLK,數(shù)據(jù)裝載控制端LOAD和轉(zhuǎn)載DAC控制端LDAC。如圖3所示,這四個(gè)控制端口與微控制器的普通I/O端口連接,微控制器通過(guò)控制這四個(gè)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。當(dāng)控制LOAD和LDAC均為高時(shí),在每一個(gè)CLK時(shí)鐘的下降沿?cái)?shù)據(jù)被鎖存到DATA端,當(dāng)所有的數(shù)據(jù)位都被鎖入DATA端后,拉低LOAD,串行數(shù)據(jù)從串行輸入寄存器移入被選中的DAC通道,拉低LDAC,更新輸出端電壓,之后置LDAC為高位,可以保持更新后的電壓值。
在本設(shè)計(jì)中只用到一路通道,通過(guò)設(shè)置控制寄存器的通道更新選擇位來(lái)選擇DACA通道,該通道電壓通過(guò)放大器放大,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R53使電壓輸出到要求的范圍。通過(guò)放大的電壓到H橋電路,H橋電路是通過(guò)微處理器控制選通橋通路來(lái)使電壓具有正負(fù)。H橋電路在本設(shè)計(jì)中的功能實(shí)現(xiàn)電壓正負(fù)的換向。如圖3所示,橋電路選用4個(gè)高速、低功耗的光隔PVA3354N搭建。
設(shè)置微處理器中斷1下降沿觸發(fā),當(dāng)絞車傳感器2輸入脈沖到下降沿觸發(fā)中斷1,此時(shí)判斷絞車傳感器1的輸出是高電平還是電平。如為高電平,絞車轉(zhuǎn)速為正方向(順時(shí)針?lè)较?,單片機(jī)通過(guò)P2.0、P2.1腳控制選通H橋的N12和N14,N13與N15端截止。“轉(zhuǎn)速+”端為放大器輸出端電壓,“轉(zhuǎn)速-”端接地,轉(zhuǎn)速輸出端為正電壓。反之,選通H橋的N13和N15,N12與N14端截止�！稗D(zhuǎn)速+”端接地,“轉(zhuǎn)速-”端為放大器輸出端電壓,轉(zhuǎn)速輸出端為負(fù)電壓。 檢測(cè)到絞車轉(zhuǎn)速超過(guò)限定的閾值后,單片機(jī)控制控制蜂鳴器報(bào)警,同時(shí)限制D/A模塊輸出+5V的幅值,直到轉(zhuǎn)速降為閾值以下。
4.軟件設(shè)計(jì)
由于測(cè)速法涉及到比較多的運(yùn)算,用匯編不太方便實(shí)現(xiàn),所以軟件編程采用的是C語(yǔ)言編程,它不僅處理運(yùn)算方便,且具有更強(qiáng)的可讀性。編譯環(huán)境為Keil uVision3。
程序采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想,采用了雙中斷模式。具體可分為主程序模塊,INT0中斷服務(wù)程序模塊,INT1中斷服務(wù)程序模塊,D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化程序模塊,計(jì)數(shù)器初始化子程序,串口收發(fā)中斷服務(wù)程序模塊,軟件延時(shí)程序模塊等。
主程序?yàn)橐粋�(gè)循環(huán)程序,等待外部中斷0的兩次產(chǎn)生,計(jì)算一個(gè)脈沖周期之間的時(shí)間。ExtenFlag0是外部中斷0產(chǎn)生兩次中斷后的標(biāo)志位,當(dāng)計(jì)算的轉(zhuǎn)速大于報(bào)警轉(zhuǎn)速閾值控制蜂鳴器報(bào)警,若轉(zhuǎn)速持續(xù)升高超過(guò)極限轉(zhuǎn)速時(shí)蜂鳴器報(bào)警,同時(shí)指示轉(zhuǎn)速幅值維持最大輸出,絞車停機(jī)。CNTNum為0.1ms定時(shí)器的計(jì)數(shù)數(shù)量,在外部中斷0第一次產(chǎn)生時(shí)觸發(fā)定時(shí)器,每來(lái)一次定時(shí)器中斷,計(jì)數(shù)CNTNum增加一次,外部中斷0第二次產(chǎn)生時(shí)停止計(jì)數(shù)器。定時(shí)器初值為oxFFA3,設(shè)置為自動(dòng)重載,定時(shí)器每0.1ms產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)中斷。當(dāng)CNTNum大于6000(600S)時(shí)認(rèn)為,絞車處于停機(jī)狀態(tài),控制轉(zhuǎn)速幅值輸出0。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于最低轉(zhuǎn)速和最高極限轉(zhuǎn)速之間,轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速幅值完成一次的轉(zhuǎn)速測(cè)量。將外部中斷標(biāo)志清零后等待下一個(gè)兩次外面中斷0的完成進(jìn)入轉(zhuǎn)速測(cè)量的循環(huán)。主程序的流程圖如圖4所示。
轉(zhuǎn)速的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量傳感器一個(gè)脈沖周期的時(shí)間計(jì)算得來(lái)
的,脈沖周期的時(shí)間主要有兩部分組成,一部分是0.1ms的整數(shù)倍,一部分是0.1ms的小數(shù)倍。計(jì)算公式如式(2)所示,單位是0.1ms。
公式(2)中CNTNum為0.1ms定時(shí)中斷計(jì)數(shù),TH0為計(jì)數(shù)器0高位,TL0為計(jì)數(shù)器0的低位,0xFFA3為計(jì)數(shù)初值,0xFFFF為計(jì)數(shù)最大值。
單片機(jī)檢測(cè)外部中斷0的下降沿后,進(jìn)入中斷INTO程序。第一次進(jìn)入中斷程序啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,中斷標(biāo)志位加一,退出中斷。第二次進(jìn)入中斷程序停止計(jì)數(shù)器,記錄計(jì)數(shù)器的值,中斷標(biāo)志位加一,退出中斷。
檢測(cè)到外部中斷1的下降沿后,進(jìn)入中斷INT1程序。判斷傳感器1輸出的是高電平還是低電平,如若為高電平控制轉(zhuǎn)速輸出為正向,反之為負(fù)向。
5.結(jié)束語(yǔ)>
通過(guò)絞車實(shí)際測(cè)速說(shuō)明,這種使用兩路傳感器作為外部測(cè)量設(shè)備,采用單片機(jī)的雙中斷模式來(lái)測(cè)量計(jì)算轉(zhuǎn)速和判斷轉(zhuǎn)向的方法能夠?qū)崟r(shí)的反應(yīng)絞車當(dāng)前的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向,具有分辨率高和反應(yīng)速度快。同時(shí)在設(shè)計(jì)上采用的器件較少而且較容易試驗(yàn),具有良好實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)。
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