电机转速的高精度快速测量

　　文章编号: 1001—9944 (2000) 06—0041—04 电机转速的高精度快速测量α 高玉芹 (彭城大学 计算机系, 江苏徐州　221008) 摘　要: 本文介绍了数字式电机转速的高精度快速测量方法、软硬件实现及误差和精度分析, 并重点介绍了提 高M öT 法测试精度和速度的计数同步电路的设计方法。 关键词: 全数字; 电机转速; 测试精度; 误差 中图分类号: T P212. 12　　文献标识码: B 　　转速是电动机极为重要的一个状态参数, 它 的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特 性的测试以及故障检测与诊断的准确性。 1　转速的测量原理 由于光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高 分辨率和高精度的优点, 因而常用于高精度电机 转速的测量。其工作原理是: 与电机同轴的光电编 码器随电机的旋转, 产生与转速成正比的两相 (A 相、B 相) 相隔 Πö2 的电脉冲信号, 经四倍频电路 倍频后, 产生四倍频转速脉冲信号, 对其在一定时 间内进行计数, 再根据转盘上的开槽数 (电机转动 一圈发出的脉冲数) , 通过计算即可实现测速。选 用四倍频电路是为降低成本, 可以选用每转线数 较少的脉冲发生器, 但又希望在转速很低时测速 器能在很短的时间内获得高精度的测速值。 2　常用数字式转速测量方法及误差分析 常用的数字式转速测量方法主要有以下 3 种: (1) M 法 (频率法) 在规定的检测时间内, 检测光电脉冲发生器 所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测 时间一定, 但检测的起止时间具有随机性, 因此 M 法测量转速在极端情况下会产生±1 个转速脉 冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出 的转速脉冲信号的个数较大时, 才有较高的测量 精度, 因此M 法适合于高速测量。 (2) T 法 (周期法) 它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个 转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速 脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号 进行计数来实现的。在极端情况下, 时间的测量会 产生±1 个高频脉冲周期, 因此 T 法在被测转速 较低 (相邻两个转速脉冲信号时间较大) 时, 才有 较高的测量精度, 所以 T 法适合于低速测量。 (3) M öT 法 (频率ö周期法) 它是同时测量检测时间和在此检测时间内光 电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确 定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数, 因此 只要“同时性”处理得当,M öT 法在高速和低速时 都具有较高的测速精度。 通过上面的分析可知:M 法测量转速在极端 情况下会产生±1 个转速脉冲的误差, 而 T 法在 极端情况下, 时间的测量会产生±1 个高频脉冲 周期。由于转速脉冲的频率远小于高频脉冲的频 率, 因此如果用转速脉冲信号的上升沿 (或下降 沿) 来同步计数器的起止, 在预定的测速时间内, 转速脉冲信号的计数值将为整数 (无误差) , 只有 高频时钟脉冲会产生±1 的误差, 因其很小, 影响 可以忽略, 所以用M öT 法实现测速具有较高的 测速精度。 3　硬件电路的实现 M öT 法实现高精度测速, 关键是如何实现计 数的同步。以下给出 3 种方法: ·14· 自动化与仪表　第 15 卷　2000 年　第 6 期 α 收稿日期: 200025210 (磁盘稿) 方法 1: 由A T 89C2051 单片机扩展一片可编 程定时ö计数器 8253、计数同步电路、高频时钟电 路、四倍频器和光电脉冲发生器组成, 测速部分的组成如图 1 所示。 　　8253 内含 3 个相同的 16 位可预值的减法计 数器, 每个计数器均有独立的时钟输入端CL K, 时钟输出端OU T 和门控输入端 GA T E, 通过编 程设置其工作方式。在图 1 中, 计数器 1 和计数器 2 采用方式 0 作为计数器, 分别对转速脉冲信号 和高频脉冲信号进行计数。A T 89C2051 的 T 0 采 用定时器方式 1, 用于控制采样周期 (如果 8253 的计数器 0 没有使用, 也可以用计数器 0 对高频 脉冲信号计数来控制采样周期)。同步计数电路由 D 型触发器和门电路组成。A T 89C2051 同时启动 内部的定时器 T 0 和发出启动测速信号, 使 P1. 1 由 0 变为 1。从图 2 可以看出, 这时计数器 1 和计 数器 2 并没有立即开始计数, 而是在CP 脉冲上 升沿的的作用下Q 变为高电平后, 与门打开, 使 转速脉冲信号和高频脉冲信号分别到达CL K1 和 CL K2 输入端, 计数才开始; 当定时器 T 0 定时时 间到使 P1. 1 由 1 变为 0 时, 计数器 1 和计数器 2 并没有立即停止计数, 而是在CP 下一个脉冲上 升沿的作用下Q 变为低电平后, 与门关闭, CL K1 和CL K2 输入端无信号输入, 才停止计数器计数。 因此D 型触发器的输出Q 作为控制闸门, 在闸门 信号Q = 1 的时间内计数器才真正实现计数。从 图 2 可以看出, 在闸门信号Q = 1 的时间内通过 的转速脉冲信号的个数m P 为整数, 因而大大提 高了测速精度。P1. 2 用于在中断服务程序中检测 Q 是否变为 0, 从而读取 8253 计数器 1 和计数器 2 的计数值。8253 的计数频率≤2. 6M H z, 如果高 频脉冲信号的频率大于此值, 可以选用 8254 芯 片。8254 芯片可以处理高达 10M H z 的信号频率。 四倍频电路及波形如图 3 所示, G1、G2 为异 或门。由图3可见 , E 点波形的频率是A 点频率 的 4 倍, 但 E 点的波形的占空比不一定为 50% , 与 RC 的时间常数有关, RC 时间常数选择原则 是: 当电动机运转于最高转速时脉冲宽度约为C 点波形周期的 1ö4 左右。 方法 2: 硬件组成和波形如图 4 所示, 当Q = 1 时 8253 计数,Q = 0 时停止计数。原理在此不再 详述。 ·24· 计算机应用 ·34· 自动化与仪表　第 15 卷　2000 年　第 6 期 　　方法 3: 上述方法 1 和方法 2 由于只使用一 块 8253 芯片, 在Q = 1 时 8253 进行计数, 而在Q = 0 时停止计数, 并且 8253 不能立即启动计数。 在A T 89C2051 在中断服务程序中读取 8253 计数 器 1 和计数器 2 的计数值, 重新设定内部定时器 的初值和 8253 计数器 1 和计数器 2 的计数初值, 重新启动 T 0 和发出测速启动信号后并在CP 下 一个脉冲上升沿的作用下Q 变为高电平后, 8253 才重新开始计数, 因此 8253 总要有计数的停止时 间, 这样降低了转速的采样频率。为了实现快速测 量, 特作改进, 硬件组成和波形如图 5 所示。 由图 5 可见, 使用了两块 8253 芯片交替工 作, 当一块 8253 正在计数时, CPU 在CP2 下降沿 (即单稳电路由暂稳态结束恢复到稳态的下降沿) 作用下产生外部中断请求, 在中断服务程序中根 据 P1. 1 的状态判断当前是哪一个计数器在工 作, 从而读取刚刚停止工作的另一块芯片在上一 采样周期的计数值, 并重新设置其计数初值, 为下 一采样周期的重新计数作好准备, 这样可以快速 实现电机瞬时值的测量。 在采样定时器发出的采样脉冲信号上升沿的 作用下Q 0 置 1, 则D 1= 1。在四倍频脉冲信号的 上升沿的作用下,Q 1 置 1, 而Q 1 为单稳电路的触 发信号, Q 1 的上升沿触发单稳电路工作, 单稳电 路输出脉冲的下降沿有 3 个作用: 触发器 G1 和 G0 清零; 产生 IN T 0 的外部中断请求; 使触发器 G2 产生翻转, 切换 1# 8253 和 2# 8253 的工作。 采样周期不能太小, 必须在单稳电路由暂稳态结 束恢复到稳态且 CPU 在中断服务程序中读取 8253 的计数值, 从外部中断 0 返回后才能发出第 2 个测速采样脉冲。因此, 在采样周期确定后, 要 合理选择单稳电路的RC 值使采样周期 T≥Tp0 + T re+ 外部中断 0 的响应时间 (其中 Tp0 为单 稳电路的输出脉冲宽度, T re 为恢复时间)。 4　软件设计 方法 3 的主程序和 T 0 以及外部中断 0 中断 服务程序的框图如图 6 所示。 由于 8253 为减法计数器, 初始化时设其定时 器 1 和定时器 2 的计数初值均为O FFFFH , 这样 当计数结束后, 将定时器中的计数结果读出取反, 即可得到m p 和m c 的值。PSW. 5 为用户标志, 初 始化为 0, 当产生外部中断, 在中断服务程序中读 取 8253 的计数值后, 使 PSW. 5 置 1, 从而在主程 序中根据 PSW. 5 的状态来处理新的计数值。 5　结束语 本文介绍的转速测量方法简单, 实用可靠, 满 足了工作要求。■ [参考文献 ] [ 1 ] 何立民. 单片机应用文集[M ]. 北京航空航天大学出 版社, 1992. [ 2 ] 李　华. M CS251 系列单片机实用接口技术[M ]. 北京 航空航天大学出版社, 1993. [ 3 ] 刘晓明, 刘宗行, 郭　珂. 一种全数字新型高精度频率 测量方法[J ]. 电子测量技术, 1997, 3. [ 4 ] 周良权. 数字电子技术基础 [M ]. 高等教育出版社, 1996. H igh Prec ision H igh Speed M ea sure GAO Y u-q in ·44· 计算机应用