一种任意整数周期的高精度测速系统设计

　　0　引言

　　在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合,例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验运转和控制中,常需要分时或连续测量、显示其转速或瞬时转速。为了能精确地测量转速,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速,随着微型计算机的广泛应用,特别是高性能/价格比的微处理器的涌现,转速测量普遍采用了以微处理器为核心的数字法,智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构[1]。

　　目前,常用的数字式转速测量方法主要有3种[2],分别是M法(频率法)、T法(周期法)和M/T法(频率/周期法)。M法是在既定的检测时间内,测量所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速,适合于高速测量; T法是测量相邻两个转速脉冲信号的时间来测定转速,适合于低速测量; M/T法是同时测量检测时间和在此时间内的转速脉冲信号的个数来确定转速,该种方法既能适合高速测量,也能适合低速测量。为了克服传统T法测量的不足,笔者设计了一种能够测量任意整数个周期的转速测量系统,通过改变测量系统测量的完整周期个数,可以实现不同速度区间转速的精确测量。

　　1　系统构成及工作原理

　　实现电机转速脉冲信号任意整数周期的高精度测速系统由测速码盘、比较整形电路和速度测量电路组成。从系统组成不难看出,系统转速采集模块采用的是数字式转速测量方法,测速装置是每周产生N个脉冲的增量式光电编码盘,它将速度信号转换成电脉冲信号,经过放大整形后,获得相同频率的方波信号,通过测量该方波信号的频率,进而得到电机转速[3]。设电机转速为ω,单位为r/min,电机端部码盘为n1位,所记的完整电机脉冲个数为n2,定时器的时钟频率为n3,单位为MHz,所记个数为n4,可以得到电机转速为:

　　2　系统软硬件结构设计

　　2·1　系统硬件电路设计与改进[4-6]

　　在传统的T法(周期法)转速测量中,无论是单纯采用单片机外中断的方式,还是采用外扩82C53计数器的方式,都是通过单片机响应两次中断来启停单片机内部的定时器实现的。该种方法虽然实现了电机转速的测量,但是存在测量范围窄,不灵活的缺点;如果要测量N个完整周期,实现起来就比较困难,即便是实现了,也会随着转速的升高,导致单片机系统中断阻塞,测速失败。

　　为了实现电机转速脉冲信号任意个完整周期的准确测量,设计了系统转速测量电路。如图1 (a)所示,由单片机89C51、计数器82C53、反相器、D触发器和模拟开关组成。在电机转速脉冲信号下降沿触发下, 82C53计数器开始作减一计数,同时电机转速脉冲信号反相后的上升沿触发D触发器翻转,产生高电平,经模拟开关和反相器反相后产生一下降沿,触发单片机产生中断,在中断服务程序中,启动单片机内部定时器(或外扩82C53计数器的一路,需外接高频晶振脉冲)开始计时,并断开模拟开关;当82C53计数器由初值减为零,也即完整个转速测量周期结束, 82C53计数器产生一高电平,经反相器反相后产生一下降沿,触发单片机产生中断,在中断服务程序中,停止单片机内部定时器(或外扩82C53计数器的一路,需外接高频晶振脉冲)停止计时,并接通模拟开关。根据系统参数和所测定的完整电机转速脉冲信号所用时间,根据式(1)即可算得电机转速。