【正文】 ?單片機(jī)程序 ............................................................................................................... 41 附錄Ⅲ 元器件清單 ........................................................................................................... 51 沈陽(yáng)航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒 論 轉(zhuǎn)速測(cè)量 在 電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，對(duì)其平穩(wěn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效地反映電機(jī)的狀況。 它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片 ， 具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動(dòng)各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代。 長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位，這主要是因?yàn)橹绷麟姍C(jī) 不僅調(diào)速方便，而且在磁場(chǎng)一定的條件下，轉(zhuǎn)速和電樞電壓成正比，轉(zhuǎn)矩容易被控制；同時(shí)具有良好的起動(dòng)性能，能較平滑和經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)速度。 由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的起、制動(dòng)性能，宜與在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。近年來(lái)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時(shí)間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 變壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷史 為： 1957 年，晶閘管問(wèn)世，到了六十年代，已產(chǎn)生出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開(kāi)始進(jìn)入晶閘管年代。 V—M 系統(tǒng)中 V 是晶閘管可控硅整流器。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大的提高，而且在技術(shù)性能上也顯示較大的優(yōu)越性，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 104 以上，其門(mén)極電流可以直接用晶體三極管來(lái)開(kāi)展，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大裝置。 直流電動(dòng)機(jī)因其可以方便地通過(guò)改變電樞電壓和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)寬范圍的調(diào)速而得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)節(jié)電樞串聯(lián)電阻 來(lái)改變電樞上的電壓，是最經(jīng)典的直流電機(jī)調(diào)速方法，有相當(dāng)部分的電能消耗在所串聯(lián)電阻上，很不經(jīng)濟(jì)在 80 年代，以晶閘管為功率開(kāi)關(guān)器件的斬波調(diào)速器以其無(wú)級(jí)、高效、節(jié)能而得到大力推廣，但晶閘管斬波調(diào)速器不足之處是晶閘管一旦被觸發(fā)，其關(guān)斷必須依賴(lài)換流電容和換流電感振蕩產(chǎn)生反壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，換流電容和電感增加了裝置的成本，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流失敗，使系統(tǒng)的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開(kāi)、關(guān)時(shí)間比較長(zhǎng)，加上存在換流環(huán)節(jié)，使得斬波器的工作頻率不能太高（一般在 300hz 以下），使得電機(jī)上的力矩脈動(dòng)和電流脈動(dòng)比 較嚴(yán)重，因此直流斬波調(diào)速呼喚快速自關(guān)斷器件。 近年來(lái)交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時(shí)間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直流調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)。 測(cè)速方法的發(fā)展 目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生 過(guò)模擬測(cè)速法 ( 如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機(jī)轉(zhuǎn)矩或者電機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算 所得 ) 、同步測(cè)速法 ( 如機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀 ) 以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。 傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式 ( 利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等 ) 、電容式 ( 對(duì)高 頻振蕩進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制 ) 等，還有一些特殊的測(cè)速器是利用置于旋 轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來(lái)發(fā) 沈陽(yáng)航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 生脈沖信號(hào)。 由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤(pán)、 CCD 器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所以，本文選著數(shù)字測(cè)速的方法進(jìn)行試驗(yàn)。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測(cè)速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)。而采用光電傳感器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬和測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。 主要內(nèi)容有： （ 1） 測(cè)速電路設(shè)計(jì)，包括測(cè)速脈沖產(chǎn)生、整形、計(jì)數(shù)等 ； 沈陽(yáng)航空 航天大學(xué) 北方科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 （ 2） 電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算，編程實(shí)現(xiàn)測(cè)速方法功能； （ 3） 轉(zhuǎn)速顯示功能實(shí)現(xiàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行方法改進(jìn)。 基本要求： （ 1）學(xué)習(xí)直流電機(jī)基本理論和知識(shí)，閱讀主要參考文獻(xiàn)，收集有關(guān)資料，復(fù)習(xí)自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)控制等相關(guān)知識(shí)，了解常規(guī)電機(jī)調(diào)速方法； （ 2）根據(jù)畢設(shè)任務(wù)要求學(xué)習(xí)數(shù)字測(cè)速方法并根據(jù)運(yùn)行情況進(jìn)行改進(jìn)，掌握基本的方案設(shè)計(jì)思路、軟件流程和相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式； （ 3）掌握一種編程語(yǔ)言，編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)功能，細(xì)致調(diào) 試以達(dá)到預(yù)期效果，并會(huì)分析程序結(jié)果； （ 4）進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)； （ 5）撰寫(xiě)論文 15000 字左右，翻譯 3000～ 5000 字外文資料。第 1 章簡(jiǎn)要介紹了課題相關(guān)的的研究背景 及 整個(gè)任務(wù)的要求安排及 ；第 2 章是針對(duì)此次課題的任務(wù)進(jìn)行總體方案介紹；第 3 章具體介紹了直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)的總體方案設(shè)定，包括直流電機(jī)的測(cè)速方案、顯示方案，直流電機(jī)的控制方案的設(shè)計(jì)；第 4 章闡述了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括 SPCE061A 最小系統(tǒng)， SPGT62C19B 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)芯片，轉(zhuǎn)速測(cè)量電路，數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)；第 5 章闡述了直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括轉(zhuǎn)速測(cè)量子程序 ，數(shù)碼管顯示子程序的設(shè)計(jì)；第 6 章是針對(duì)硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和整機(jī)連調(diào)的結(jié)果進(jìn)行了具體的分析和說(shuō)明。 數(shù)字測(cè)速方法主要有： 由光電脈沖發(fā)生器產(chǎn)生與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測(cè)速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。 M 法測(cè)速 地 在一定的時(shí)間 Tc 內(nèi)測(cè)取光電脈沖發(fā)生器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù) 1M ，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱(chēng)作 M 法測(cè)速（如圖 所示）。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn) 一圈共產(chǎn)生 Z 個(gè)脈沖（ Z＝倍頻系數(shù) *光電脈沖發(fā)生器碼盤(pán)孔數(shù)或光柵數(shù)），把 f1 除以 Z 就得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在習(xí)慣上，時(shí)間 Tc 以秒為單位，而轉(zhuǎn)速是以每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù) r/min 為單位，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為： C1ZTM60?n （ ） 在上式中， Z 和 Tc 均為常數(shù)，因此轉(zhuǎn)速 n 正比于脈沖個(gè)數(shù) 1M 。所以 M 法測(cè)速只適用于高速段。在這里測(cè)速時(shí)間源于光電脈沖發(fā)生器輸出脈沖的周期，所以又稱(chēng)周期法。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(yáng)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(lái)，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(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，稱(chēng)作 M/T 法測(cè)速。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。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。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(lái)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(wú)誤差 ) ，只有高頻時(shí)鐘脈沖會(huì)產(chǎn)生 177。 各種測(cè)速方法的精度指標(biāo) 分辨率 分辨率是用來(lái)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(lái)表示分辨率，用Ｑ表示。 (1) M 法測(cè)速的分辨率 沈陽(yáng)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（ ）。從式（ ）還可看出，要提高分辨率（即減小 Q），必須增大 Tc 或 Z。 (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)。 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。的大小取決于測(cè)速元件的制造精度和測(cè)速方法。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。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(zhǎng)，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。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 。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。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。在許多系統(tǒng)中都采用這種方法。因?yàn)樾枰?，所以?shí)際定時(shí)時(shí)間滯后于設(shè)定時(shí)間，具有遲滯性。在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，測(cè)速誤差逐漸遞增，不均勻。 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(lái)影響。 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(wú)法保證。為提高測(cè)速精度。該方法在高速時(shí)精度很高，只要能增加低速時(shí)的盤(pán)脈沖 ， 就能解決在低速時(shí)測(cè)量精度低的問(wèn)題。在本章中 經(jīng) 過(guò)比較決定運(yùn)用數(shù)字測(cè)速中的 M 法 進(jìn)行試驗(yàn)。 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(lái)。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(pán)，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)將轉(zhuǎn)速換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)計(jì)數(shù)等電路，測(cè)量出電機(jī)的實(shí)際轉(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。 圖 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)框圖 沈陽(yáng)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(kāi)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。 圖 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 SPCE061A 單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò) I/O 端口來(lái)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。 61 板的三個(gè)按鍵用來(lái)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。 M 法測(cè)速的工作是利用 4KHz 時(shí)基中斷，當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤(pán)的挖空部分經(jīng)過(guò)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(pán)阻隔紅外對(duì)管時(shí)，該 I/O 口將入高電平。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 。反之，當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤(pán)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)。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(yǔ)言編程即可實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示控制。編寫(xiě) switch case 語(yǔ)句通過(guò)按鍵來(lái)改變?cè)O(shè)定值。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。 試驗(yàn)由硬件部分與軟件部分組成。SPCE061A 單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò) I/O 端口來(lái)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。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)原理框圖如下圖 所示。 P 控制器 電機(jī) 測(cè)速 D/A A/D 沈陽(yáng)航空