【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 脈沖發(fā)生器輸出脈沖的周期，所以又稱周期法。在 T 法測(cè)速中，準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間 Tt 是 用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù) 2M 計(jì)算出來的，即Ｔ t= 2M /f ，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為 20f60ZTt60 ZMn ?? （ ） 高速時(shí) 2M 小，量化誤差大，隨著轉(zhuǎn)速的降低誤差減小，所以 T 法測(cè)速適用于低速段，與 M 法恰好相反。光電脈沖發(fā)生器輸出脈 沖、測(cè)速時(shí)間、高頻時(shí)鐘脈沖如圖 所示： 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 T 法測(cè)速 M/T 法測(cè)速 把 M 法和 T 法結(jié)合起來，即檢測(cè) Tc 時(shí)間內(nèi)光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù) 1M ，又檢測(cè)同一時(shí)間間隔內(nèi)的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù) 2M ，用來計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱作 M/T 法測(cè)速。設(shè)高頻時(shí)鐘脈沖的頻率為 0f ,則準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間 Tt＝ 2M /0f ,而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為： 201f60Z T t60 ZMMn ?? （ ） 采用 M/T 法測(cè)速時(shí)，應(yīng)保證高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器與光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖計(jì)數(shù)器同時(shí)開啟與關(guān)閉，以減少誤差（如圖 ），只有等到光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖前沿到達(dá)時(shí)，兩計(jì)數(shù)器才同時(shí)允許開始或停止計(jì)數(shù)。由于 M/T 法的計(jì)數(shù)值 1M 和 2M都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高 速時(shí)，相當(dāng)于 M 法測(cè)速 ； 低速時(shí)， 1M ?1，自動(dòng)進(jìn)入T 法測(cè)速。 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 M/T 測(cè)速 通過上面的分析可知： M 法測(cè)量轉(zhuǎn)速在極端情況下會(huì)產(chǎn)生 177。1 個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的誤差，而 T 法在極端情況下，時(shí)間的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生 177。1 個(gè)高頻脈沖周期。由于轉(zhuǎn)速脈沖的頻率遠(yuǎn)小于高頻脈沖的頻率，因此如果用轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的上升沿 (或下降沿 ) 來同步計(jì)數(shù)器的起止，在預(yù)定的測(cè)速時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)值將為整數(shù) (無誤差 ) ，只有高頻時(shí)鐘脈沖會(huì)產(chǎn)生 177。1 的誤差，因其很小，影響可以忽略，所以用 M/T法實(shí)現(xiàn)測(cè)速具 有較高的測(cè)速精度。 各種測(cè)速方法的精度指標(biāo) 分辨率 分辨率是用來衡量一種測(cè)速方法對(duì)被轉(zhuǎn)速變化的分辨能力的，在數(shù)字測(cè)速方法中，用改變一個(gè)計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，用Ｑ表示。設(shè)被測(cè)轉(zhuǎn)速由 n1 變?yōu)?n2 時(shí)，引起測(cè)量計(jì)數(shù)值改變了一個(gè)字，則測(cè)速裝置的分辨率是 Q=n1—n2（轉(zhuǎn) /分） （ ） Q 越小，測(cè)速裝置的分辯能力越強(qiáng)； Q 越小，系統(tǒng)控制精度越高。 (1) M 法測(cè)速的分辨率 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 在 M 法測(cè)速中，當(dāng)計(jì)數(shù)值由 1M 變?yōu)?1M ＋ 1 時(shí)，按式（ ）。相應(yīng)的轉(zhuǎn)速由60M1/ZTc 變?yōu)?60（ M1＋ 1/） ZTc，則 M 法測(cè)速分辨率為 ： ? ? ZTZTMT 6060Z 1M60Q 11 ??? － （ ） 可見， M 法測(cè)速的分辨率與實(shí)際轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。從式（ ）還可看出，要提高分辨率（即減小 Q），必須增大 Tc 或 Z。但在實(shí)際中，兩者都受到限制，增大Z 受到脈沖發(fā)生器制造工藝的限制，增大 Tc 勢(shì)必使采樣周 期變長。 (2) T 法測(cè)速的分辨率 為了使結(jié)果得到正值， T 法測(cè)速的分辨率定義為時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)由 M2 變?yōu)?M2－1 時(shí)轉(zhuǎn)速的變化量，于是 ? ? ? ?160 ff601MZ 60 fQ 22 0202 0 －－－ MZMZM ?? （ ） 綜合（ ）和（ ），可得 Znn －0260fZn? （ ） 由上式可以看出， T 法測(cè)速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速 越低， Q 值越小，分辨能力越強(qiáng)。這也說明， T 法更適于測(cè)量低速。 3 ） M/T 法測(cè)速的分辨率 ? ?1M60fQ 22 10 －MZM? （ ） M/T 法測(cè)速在高速段與 M 法相近，在低速段與 T 法相近，所以兼有 M 法和 T法的特點(diǎn)，在高速和低速都有較強(qiáng)的分辨能力。 測(cè)速誤差率 計(jì) 算 測(cè)速誤差率是指測(cè)速裝置對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確程度，常用測(cè)量值與實(shí)際值的相對(duì)誤差來表示，即 %100nn ???? （ ） 測(cè)速誤差率反映了測(cè)速方法的準(zhǔn)確性，測(cè)量誤差越小，準(zhǔn)確度越高，系統(tǒng)控制精度越高。的大小取決于測(cè)速元件的制造精度和測(cè)速方法。 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 （ 1） M 法測(cè)速誤差率 在 M 法測(cè)速中，測(cè)速誤差決定于 脈沖發(fā)生器的制造精度，以及脈沖發(fā)生器輸出脈沖前沿和測(cè)速時(shí)間采樣脈沖前沿不齊所造成的誤差等等，最多可能產(chǎn)生 1 個(gè)脈沖的誤差。因此， M 法測(cè)速誤差率的最大值為 ? ?1 0 0 %M11 0 0 %ZT6 0 MZT1M60ZT6 0 M1C1C1c1m a x ????－—? （ ） 由上式可知， δmax 與 M1 成反比，即轉(zhuǎn)速愈低， M1 愈小，誤差率愈大。 （ 2 ） T 法測(cè)速誤差率 采用 T 法測(cè)速時(shí)，產(chǎn)生誤差的原因與 M 法中相仿， M2 最多可能產(chǎn)生 1 個(gè)脈沖的誤差。因此， T 法測(cè)速誤差率的最大值為 ? ? 1 0 0 %1M 11 0 0 %ZT6 0 MZMf601MZ6 0 f2C12020m a x ???? －—－? （ ） 低速時(shí)，脈沖發(fā)生器相鄰脈沖間隔時(shí)間長，測(cè)得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù) M2 多，所以誤差率小，測(cè)速精度高，故 T 法測(cè)速適用于低速段。 兩種測(cè)速方法的比較： M 法測(cè)速在高速段分辨率強(qiáng)； T 法測(cè)速在低速段分辨率強(qiáng)； （ 3 ） M/T 法測(cè)速誤差率 在低速時(shí) M/T 法趨向于 T 法，在高速段 M/ T 法測(cè)速相當(dāng)于 T 法的 M1 次平均，而在這 M1 次中最多產(chǎn)生一個(gè)高頻時(shí)鐘脈沖的誤差。因此， M/T 法測(cè)速可在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，具有較高的測(cè)速精度 。 測(cè)速方法的比較和選擇 從測(cè)量分辨率上看， T 法測(cè)低速時(shí)分辨率較高，但隨著轉(zhuǎn)速的增大，分辨率變壞； M 法則相反，高速時(shí)分辨率較高。而低速時(shí)分辨率變低；同步 M/T 法結(jié)合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)有較高的分辨率。從測(cè)量精度上看， T 法測(cè)速的 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 測(cè) 量精度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減??； M 法的測(cè)速精度在高速時(shí)較高。而在低速時(shí)變低；同步 M/T 法的測(cè)速精度介于二者之間。綜合以上兩方面，同步 M/T 法是一種比較好的方法。在許多系統(tǒng)中都采用這種方法。 雖然 M/T 法有這么多優(yōu)點(diǎn)，但也有不少問題： 1) 實(shí)時(shí)性差。因?yàn)樾枰剑詫?shí)際定時(shí)時(shí)間滯后于設(shè)定時(shí)間，具有遲滯性。 2) 測(cè)速精度具有非線性。在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測(cè)速誤差逐漸遞增，不均勻。這不利于在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速控制。 3) 同步 M/T 法和 T 法一樣，計(jì)數(shù)時(shí)鐘都利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的時(shí)鐘很難做到與轉(zhuǎn)速脈沖同步， 即使做到與轉(zhuǎn)速脈沖同步，測(cè)量的計(jì)數(shù)誤差也會(huì)給測(cè)量精度帶來影響。在同步 M/T 法中，測(cè)量精度本質(zhì)上并沒有顯著提高。 而且要得到高精度測(cè)量，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)要求都比較高，這樣就使整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格昂貴，否則 M/T 法的精度就無法保證。所以采用 M 法就能達(dá)到要求。為提高測(cè)速精度。本文提出一種新方法，即改進(jìn)的 M 法。該方法在高速時(shí)精度很高，只要能增加低速時(shí)的盤脈沖 ， 就能解決在低速時(shí)測(cè)量精度低的問題。 本章小結(jié) 本章充分介紹了關(guān)于直流電機(jī)的測(cè)速系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容，具體直流電機(jī)測(cè)速的分類、方法。在本章中 經(jīng) 過比較決定運(yùn)用數(shù)字測(cè)速中的 M 法 進(jìn)行試驗(yàn)。 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 3 直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的總體方案設(shè)定 直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)中最重要的部分是直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，本設(shè)計(jì)使用凌陽 16 位 SPCE061A 單片機(jī)為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的主控制芯片，其較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的指令系統(tǒng)，從硬件和軟件兩部分來改善系統(tǒng)性能，使研制成的直流電機(jī)控制系統(tǒng)具有很好的快速性和準(zhǔn)確性，符合設(shè)計(jì)要求。 測(cè)速與顯示系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 在電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)中，可以利 用光電變換的方法，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量出來。在設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)中，測(cè)速對(duì)象為額定電壓 5V 的直流電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速受電樞電壓控制，用改變電樞電壓的方法進(jìn)行電機(jī)調(diào)整。為了知道電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速，方法是電機(jī)的軸上連接一個(gè)碼盤，通過光電開關(guān)將轉(zhuǎn)速換為電脈沖信號(hào)，通過計(jì)數(shù)等電路，測(cè)量出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量范圍為 30 — 60r/min，用 4 位七段數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。它涉及光電轉(zhuǎn)換、放大、整形、倍頻、計(jì)數(shù)、譯碼、顯示及計(jì)數(shù)、顯示之間時(shí)序關(guān)系的控制。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)框圖 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)硬件方案論證 本系統(tǒng)由一塊 SPCE061A 精簡(jiǎn)開發(fā)板（ 61 板）和一塊電機(jī)控制模組構(gòu)成，以 SPCE061A 為核心，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鍵、 LED 數(shù)碼管等模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 SPCE061A 單片機(jī)作為主控芯片，通過 I/O 端口來控制 SPGT62C19B 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。電機(jī)模組上的光柵轉(zhuǎn)盤和紅外對(duì)管將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)針對(duì)測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié) SPGT62C19B 的控制狀態(tài)，從而 使轉(zhuǎn)速由 4 位數(shù)碼管顯示出來。 61 板的三個(gè)按鍵用來對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速等進(jìn)行設(shè)定。 直流電機(jī)數(shù)字測(cè)速基本原理 本文采用 M 法（頻率法）對(duì)直流電機(jī)測(cè)速。 M 法測(cè)速的工作是利用 4KHz 時(shí)基中斷，當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤的挖空部分經(jīng)過紅外對(duì)管時(shí)，與之連接的單片機(jī) I/O 口將輸入低電平；而光柵轉(zhuǎn)盤阻隔紅外對(duì)管時(shí)，該 I/O 口將入高電平。以 4KHz 作為采樣頻率，檢測(cè)該 I/O 端口的電平狀態(tài)并計(jì)數(shù)，即可通過一段時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)將轉(zhuǎn)速反饋到單片機(jī)中，顯示轉(zhuǎn)速的結(jié)果實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速 。 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 轉(zhuǎn)速測(cè)量與顯示方案設(shè)計(jì) 硬件部分：測(cè) 速部分由光柵轉(zhuǎn)盤和紅外對(duì)管組成，當(dāng)紅外發(fā)射管與紅外接收管之間被直流電機(jī)光柵轉(zhuǎn)盤的不透明部分遮擋時(shí)，紅外接收管處于截止?fàn)顟B(tài)。反之，當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤的通光槽轉(zhuǎn)至紅外對(duì)管之間時(shí)，紅外接收管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，紅外接收管將接收到 4次紅外光，通過定時(shí)計(jì)數(shù)的方法計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。顯示部分 模組提供了 4位共陰極 LED數(shù)碼管 ，將單片機(jī)與 LED數(shù)碼管相連利用 C語言編程即可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示控制。 軟件部分：開始時(shí)，編寫電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定 SetSpeed()與方向設(shè)定 SetDirection()，通過按鍵設(shè)定初始轉(zhuǎn)速與方向。編寫 switch case 語句通過按鍵來改變?cè)O(shè)定值。啟動(dòng)電機(jī)，測(cè)速計(jì)數(shù)器加 1，定時(shí)計(jì)數(shù)器加 1。達(dá)到給定時(shí)間，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速并保存電機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)速計(jì)數(shù)器清零，定時(shí)計(jì)數(shù)器清零。返回主程序重新開始測(cè)速。 試驗(yàn)由硬件部分與軟件部分組成。硬件部分由一塊 SPCE061A 和一塊電機(jī)控制模組構(gòu)成，以 SPCE061A 為核心，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鍵、 LED 數(shù)碼管等模塊。SPCE061A 單片機(jī)作為主控芯片，通過 I/O 端口來控制 SPGT62C19B 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。軟件部分通過凌陽公司提供的軟件 ，在該軟件編寫環(huán)境下針對(duì)直流電機(jī)系統(tǒng)要求對(duì)單片機(jī)編寫相應(yīng)的 C 語言程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理框圖如下圖 所示。 圖 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的原理框圖 本章小結(jié) 本章主要講述了直流電流轉(zhuǎn)速測(cè)量及顯示方案的設(shè)定，直流電機(jī)控制轉(zhuǎn)速的方案的設(shè)定。 P 控制器 電機(jī) 測(cè)速 D/A A/D 沈陽航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 4 測(cè)速系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 SPCE061A 單片機(jī)作為主控制器，采用 61 板配備的 3 個(gè)按鍵作為輸入部分