中心議題：
- 介紹轉(zhuǎn)速測(cè)量及控制的基本原理
- 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)
- 測(cè)試該系統(tǒng)并得出結(jié)論
解決方案：
- 采用單片機(jī)C8051F060作為主控制器
- 采用C8051F060片內(nèi)的D／A轉(zhuǎn)換器DAC0的輸出控制直流電機(jī)的電壓
- 采用C8051F060中的INT0中斷對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)
引 言
隨著單片機(jī)的不斷推陳出新，特別是高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量控制普遍采用了以單片機(jī)為核心的數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。本文介紹了一種由單片機(jī)C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)速測(cè)量及控制的基本原理
a.轉(zhuǎn)速測(cè)量原理
轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有M法(測(cè)頻法)、T法(測(cè)周期法)和MPT法(頻率周期法)，該系統(tǒng)采用了M法(測(cè)頻法)。由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)衡量，在變換過(guò)程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤(pán)邊沿，轉(zhuǎn)盤(pán)隨測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤(pán)下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉(zhuǎn)盤(pán)隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：
式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號(hào)周期
根據(jù)式(1)即可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外磁場(chǎng)B，在沿平面方向兩端加外電場(chǎng)，則使電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，結(jié)果在器件的2個(gè)側(cè)面之間產(chǎn)生霍爾電勢(shì)。其大小和外磁場(chǎng)及電流大小成比例。霍爾開(kāi)關(guān)傳感器由于其體積小、無(wú)觸點(diǎn)、動(dòng)態(tài)特性好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，故在測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在這里選用美國(guó)史普拉格公司(SPRAGUE)生產(chǎn)的3000系列霍爾開(kāi)關(guān)傳感器3013，它是一種硅單片集成電路，器件的內(nèi)部含有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開(kāi)路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡(jiǎn)單<輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點(diǎn)。
b.轉(zhuǎn)速控制原理
直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)，可以采用C8051F060片內(nèi)的D／A轉(zhuǎn)換器DAC0的輸出控制直流電機(jī)的電壓從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在這里采用簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器算法(簡(jiǎn)單的加一、減一法)。比例調(diào)節(jié)器的輸出系統(tǒng)式為：
式中：Y為調(diào)節(jié)器的輸出；e(t)為調(diào)節(jié)器的輸人，一般為偏差值；Kp為比例系數(shù)。
從式(2)可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出Y與輸入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)，這是一種最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差e(t)有關(guān)外，主要取決于比例系數(shù)Kp，比例調(diào)節(jié)系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性也越大。反之，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)作用越弱。對(duì)于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是存在靜差，對(duì)于擾動(dòng)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。對(duì)于擾動(dòng)較大，慣性也比較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調(diào)節(jié)器就難于兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調(diào)節(jié)規(guī)律比較復(fù)雜的PI(比例積分調(diào)節(jié)器)或PID(比例、積分、微分調(diào)節(jié)器)算法。
系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計(jì)
a.硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)7079最終在LED上顯示測(cè)試結(jié)果。此外，還可以根據(jù)需要調(diào)整控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，硬件組成由圖1所示。
控制器C8051F060主要完成轉(zhuǎn)速脈沖的采集、16為定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)定時(shí)、運(yùn)算比較，片內(nèi)集成的12位DAC0控制轉(zhuǎn)速，并且通過(guò)7279顯示接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示等多項(xiàng)功能。系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK等于18432000，T0定時(shí)1 ms，初始化時(shí)TH0=(-SYSCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，輸出轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)N，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速值。將1 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速值換算成1 min內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速值，并在LED上輸出測(cè)量結(jié)果。
b.軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用C8051F060中的INT0中斷對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T1工作于外部事件計(jì)數(shù)方式對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)；T0工作于定時(shí)器方式均工作于方式1。每到1 s讀一次計(jì)數(shù)值，此值即為脈沖信號(hào)的頻率，根據(jù)式(1)可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加工于電機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)，故將實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值比較，若大于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值則減小DAC0的數(shù)值，若小于轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值則增加DAC0的值調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到轉(zhuǎn)速值等于預(yù)設(shè)定的值，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，主程序和T0中斷流程圖如圖2、3所示。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
首先在軟件中給出轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值，即給定常量speed的值，觀察速度穩(wěn)定后七段數(shù)碼管的數(shù)值，比較實(shí)際測(cè)量的轉(zhuǎn)速值和預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速值，計(jì)算測(cè)量誤差，評(píng)價(jià)測(cè)量的準(zhǔn)確性，測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和誤差分析繪制了測(cè)量誤差曲線，如圖4所示。誤差分析表明，轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差在5％以?xún)?nèi)，并且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增加測(cè)量誤差愈小，呈指數(shù)形式下降，函數(shù)關(guān)系如式(3)所示。
結(jié) 論
本測(cè)速系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器敏感速率信號(hào)，具有頻率響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。霍爾傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理后，通過(guò)單片機(jī)對(duì)連續(xù)脈沖記數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)控，并且充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，有很高的性?xún)r(jià)比。經(jīng)過(guò)測(cè)試并對(duì)誤差進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差在5％以?xún)?nèi)，并且在測(cè)量范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高測(cè)量精度越高。所以該系統(tǒng)在一般的轉(zhuǎn)速檢測(cè)和控制中均可應(yīng)用。
