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絞車轉向和轉速測量儀的設計論文
1.引言
在當前系統(tǒng)與設備中越來越多的用到電動機,而電機轉速是最重要的控制、測量參數(shù),往往電機轉速的測量的精度和實時性是影響整個系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性的關鍵。因此,產(chǎn)生了很多針對具體應用對象的轉速測量方式,其中最為常用的是測速發(fā)電機和光電編碼器測速方式。這兩種測速方式在精度和反應速度都能很好滿足要求,但它的硬件成本偏高。
本文在追求測速精度、反應速度與硬件成本平衡的原則下提出了一種測速與判斷轉向的方法。以單片機為核心的簡易電動機轉速測量系統(tǒng),用兩路接近開關作為測量絞車轉速、轉向的敏感元件,經(jīng)過單片機數(shù)據(jù)處理,能夠實時、精確測速的功能,通過模擬電路輸出與轉速對應電壓幅值。
2.實現(xiàn)原理
絞車是由電機驅動傳動齒輪來帶動絞車轉動,本文采用雙傳感器測量方法,利用接近開關作為轉速檢測探頭,選擇合適的測速齒輪,在本設計中選擇的傳動齒輪與絞車轉動方向一致,傳動齒輪與絞車的轉速比為100:1。將接近開關固定在轉速軸上,調整接近開關與齒輪之間的距離,保證當接近開關位于齒頂時,接近開關響應,接近開關位于齒根時,接近開關不響應。傳感器結構安裝示意圖及總體原理框圖如圖1所示。
如圖1所示,接近開關輸出的脈沖通過整形電路后到單片機,單片機對脈沖采用周期測速法采樣計算轉速,即在齒輪兩個齒之間的定時器的計數(shù)個數(shù)。轉速的計算公式如公式(1)所示。
式(1)中為絞車轉速,單位為r/min;100為絞車與齒輪的轉速比;t為一個脈沖周期的采集時間,單位為s;D為測速齒輪的直徑;N為測速齒輪的齒數(shù)。
在測速接近開關逆時針方向安裝一個測向接近開關,使得兩個接近開關的脈沖相差小半個齒間脈沖。當絞車順時針轉動時,測向接近開關脈沖下降時,測速接近開關在齒尖處;絞車逆時針轉動時,測向接近開關脈沖下降時,測速接近開關在齒根處,由此可判斷絞車轉動方向。
3.硬件電路設計
絞車轉向與轉速測量儀控制電路采用飛利浦生產(chǎn)的P89C51RD2FA單片機作為微處理器進行核心程序的設計,來實現(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通過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換成相應的數(shù)字信號,微處理器控制DA電路將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出給經(jīng)過放大后的H橋電路,H橋電路輸出的電壓信號的幅值反映了轉速的大小,電壓的正負反映轉速的方向。微處理器通過串口與上位機進行通信,同時檢測絞車轉速是否超過設定閾值,超過閾值后微處理器控制報警電路報警或停止絞車。
絞車傳感器輸出是+24V的信號,超出了微處理器的檢測范圍。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,傳感器的型號通過光隔隔離后進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)字信號發(fā)給后端模擬電路,后端模擬電路將這些數(shù)字信號轉換成與轉速相對應的電壓值。電路如圖3所示。
微處理器通過中斷方式采集傳感器1的一個周期的時間,設置外部中斷下降沿觸發(fā),當絞車傳感器1輸出的脈沖到下降沿時,單片機響應外部中斷,同時啟動計數(shù)器,第二個中斷來時停止計數(shù)器,記錄一個脈沖周期的時間,這個時間是和絞車的轉速成正比關系。如每個脈沖周期的時間較短,可多次采樣得到一個平均值。將采集到的時間(數(shù)字量)傳輸給D/A模塊準換成模擬信號。
D/A模塊選用采用美國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)/模轉換器。給D/A模塊用參考源供+5V參考電壓,可設置TLC5620控制寄存器的RNG位來確定輸出電壓的放大倍數(shù)。設置RNG=0時放大倍數(shù)為基準電壓的1倍,RNG=1時放大倍數(shù)為基準電壓的2倍。在本設計中選用1倍的放大倍數(shù),即轉速與D/A端輸出電壓0~5V是對應的。
TLC5620的控制端口有數(shù)據(jù)輸入端DATA,時鐘輸入端CLK,數(shù)據(jù)裝載控制端LOAD和轉載DAC控制端LDAC。如圖3所示,這四個控制端口與微控制器的普通I/O端口連接,微控制器通過控制這四個端口來實現(xiàn)數(shù)模轉換。當控制LOAD和LDAC均為高時,在每一個CLK時鐘的下降沿數(shù)據(jù)被鎖存到DATA端,當所有的數(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。
在本設計中只用到一路通道,通過設置控制寄存器的通道更新選擇位來選擇DACA通道,該通道電壓通過放大器放大,通過調節(jié)電位器R53使電壓輸出到要求的范圍。通過放大的電壓到H橋電路,H橋電路是通過微處理器控制選通橋通路來使電壓具有正負。H橋電路在本設計中的功能實現(xiàn)電壓正負的換向。如圖3所示,橋電路選用4個高速、低功耗的光隔PVA3354N搭建。
設置微處理器中斷1下降沿觸發(fā),當絞車傳感器2輸入脈沖到下降沿觸發(fā)中斷1,此時判斷絞車傳感器1的輸出是高電平還是電平。如為高電平,絞車轉速為正方向(順時針方向),單片機通過P2.0、P2.1腳控制選通H橋的N12和N14,N13與N15端截止�！稗D速+”端為放大器輸出端電壓,“轉速-”端接地,轉速輸出端為正電壓。反之,選通H橋的N13和N15,N12與N14端截止�！稗D速+”端接地,“轉速-”端為放大器輸出端電壓,轉速輸出端為負電壓。 檢測到絞車轉速超過限定的閾值后,單片機控制控制蜂鳴器報警,同時限制D/A模塊輸出+5V的幅值,直到轉速降為閾值以下。
4.軟件設計
由于測速法涉及到比較多的運算,用匯編不太方便實現(xiàn),所以軟件編程采用的是C語言編程,它不僅處理運算方便,且具有更強的可讀性。編譯環(huán)境為Keil uVision3。
程序采用模塊化程序設計思想,采用了雙中斷模式。具體可分為主程序模塊,INT0中斷服務程序模塊,INT1中斷服務程序模塊,D/A數(shù)模轉化程序模塊,計數(shù)器初始化子程序,串口收發(fā)中斷服務程序模塊,軟件延時程序模塊等。
主程序為一個循環(huán)程序,等待外部中斷0的兩次產(chǎn)生,計算一個脈沖周期之間的時間。ExtenFlag0是外部中斷0產(chǎn)生兩次中斷后的標志位,當計算的轉速大于報警轉速閾值控制蜂鳴器報警,若轉速持續(xù)升高超過極限轉速時蜂鳴器報警,同時指示轉速幅值維持最大輸出,絞車停機。CNTNum為0.1ms定時器的計數(shù)數(shù)量,在外部中斷0第一次產(chǎn)生時觸發(fā)定時器,每來一次定時器中斷,計數(shù)CNTNum增加一次,外部中斷0第二次產(chǎn)生時停止計數(shù)器。定時器初值為oxFFA3,設置為自動重載,定時器每0.1ms產(chǎn)生一個定時中斷。當CNTNum大于6000(600S)時認為,絞車處于停機狀態(tài),控制轉速幅值輸出0。當轉速處于最低轉速和最高極限轉速之間,轉換成對應的轉速幅值完成一次的轉速測量。將外部中斷標志清零后等待下一個兩次外面中斷0的完成進入轉速測量的循環(huán)。主程序的流程圖如圖4所示。
轉速的測量是通過測量傳感器一個脈沖周期的時間計算得來
的,脈沖周期的時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。計算公式如式(2)所示,單位是0.1ms。
公式(2)中CNTNum為0.1ms定時中斷計數(shù),TH0為計數(shù)器0高位,TL0為計數(shù)器0的低位,0xFFA3為計數(shù)初值,0xFFFF為計數(shù)最大值。
單片機檢測外部中斷0的下降沿后,進入中斷INTO程序。第一次進入中斷程序啟動計數(shù)器,中斷標志位加一,退出中斷。第二次進入中斷程序停止計數(shù)器,記錄計數(shù)器的值,中斷標志位加一,退出中斷。
檢測到外部中斷1的下降沿后,進入中斷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速輸出為正向,反之為負向。
5.結束語>
通過絞車實際測速說明,這種使用兩路傳感器作為外部測量設備,采用單片機的雙中斷模式來測量計算轉速和判斷轉向的方法能夠實時的反應絞車當前的轉速轉向,具有分辨率高和反應速度快。同時在設計上采用的器件較少而且較容易試驗,具有良好實用性和經(jīng)濟性的特點。
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