中心議題：
- 介紹轉(zhuǎn)速測量及控制的基本原理
- 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計
- 測試該系統(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中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)
引 言
隨著單片機(jī)的不斷推陳出新，特別是高性價比的單片機(jī)的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測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)行測量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)速測量及控制的基本原理
a.轉(zhuǎn)速測量原理
轉(zhuǎn)速的測量方法很多，根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M法(測頻法)、T法(測周期法)和MPT法(頻率周期法)，該系統(tǒng)采用了M法(測頻法)。由于轉(zhuǎn)速是以單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運動。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)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號的周期與電機(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為輸出方波信號周期
根據(jù)式(1)即可計算出直流電機(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B，在沿平面方向兩端加外電場，則使電子在磁場中運動，結(jié)果在器件的2個側(cè)面之間產(chǎn)生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例。霍爾開關(guān)傳感器由于其體積小、無觸點、動態(tài)特性好、使用壽命長等特點，故在測量轉(zhuǎn)動物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在這里選用美國史普拉格公司(SPRAGUE)生產(chǎn)的3000系列霍爾開關(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、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡單<輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點。
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。在這里采用簡單的比例調(diào)節(jié)器算法(簡單的加一、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)及時的特點，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。對于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時將會引起自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的主要缺點是存在靜差，對于擾動的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時將會引起自激振蕩。對于擾動較大，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
a.硬件設(shè)計
本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過7079最終在LED上顯示測試結(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為定時計數(shù)器計數(shù)定時、運算比較，片內(nèi)集成的12位DAC0控制轉(zhuǎn)速，并且通過7279顯示接口芯片實現(xiàn)數(shù)碼顯示等多項功能。系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時鐘SYSCLK等于18432000，T0定時1 ms，初始化時TH0=(-SYSCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，輸出轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)N，計算電機(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上輸出測量結(jié)果。
b.軟件設(shè)計
本系統(tǒng)采用C8051F060中的INT0中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)。定時器T1工作于外部事件計數(shù)方式對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)；T0工作于定時器方式均工作于方式1。每到1 s讀一次計數(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，根據(jù)式(1)可計算出電機(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)，故將實際測得的轉(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，這樣就實現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，主程序和T0中斷流程圖如圖2、3所示。
實驗測試結(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，比較實際測量的轉(zhuǎn)速值和預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速值，計算測量誤差，評價測量的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)實驗測試和誤差分析繪制了測量誤差曲線，如圖4所示。誤差分析表明，轉(zhuǎn)速測量誤差在5％以內(nèi)，并且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增加測量誤差愈小，呈指數(shù)形式下降，函數(shù)關(guān)系如式(3)所示。
結(jié) 論
本測速系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器敏感速率信號，具有頻率響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等特點。霍爾傳感器的輸出信號經(jīng)信號調(diào)理后，通過單片機(jī)對連續(xù)脈沖記數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測控，并且充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，有很高的性價比。經(jīng)過測試并對誤差進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的測量誤差在5％以內(nèi)，并且在測量范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速越高測量精度越高。所以該系統(tǒng)在一般的轉(zhuǎn)速檢測和控制中均可應(yīng)用。
