绞车转向和转速测量仪的设计
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1.引言
在当前系统与设备中越来越多的用到电动机,而电机转速是最重要的控制、测量参数,往往电机转速的测量的精度和实时性是影响整个系统的快速性、稳定性的关键。因此,产生了很多针对具体应用对象的转速测量方式,其中最为常用的是测速发电机和光电编码器测速方式。这两种测速方式在精度和反应速度都能很好满足要求,但它的硬件成本偏高。
本文在追求测速精度、反应速度与硬件成本平衡的原则下提出了一种测速与判断转向的方法。以单片机为核心的简易电动机转速测量系统,用两路接近开关作为测量绞车转速、转向的敏感元件,经过单片机数据处理,能够实时、精确测速的功能,通过模拟电路输出与转速对应电压幅值。
2.实现原理
绞车是由电机驱动传动齿轮来带动绞车转动,本文采用双传感器测量方法,利用接近开关作为转速检测探头,选择合适的测速齿轮,在本设计中选择的传动齿轮与绞车转动方向一致,传动齿轮与绞车的转速比为100:1。将接近开关固定在转速轴上,调整接近开关与齿轮之间的距离,保证当接近开关位于齿顶时,接近开关响应,接近开关位于齿根时,接近开关不响应。传感器结构安装示意图及总体原理框图如图1所示。
如图1所示,接近开关输出的脉冲通过整形电路后到单片机,单片机对脉冲采用周期测速法采样计算转速,即在齿轮两个齿之间的定时器的计数个数。转速的计算公式如公式(1)所示。
式(1)中为绞车转速,单位为r/min;100为绞车与齿轮的转速比;t为一个脉冲周期的采集时间,单位为s;D为测速齿轮的直径;N为测速齿轮的齿数。
在测速接近开关逆时针方向安装一个测向接近开关,使得两个接近开关的脉冲相差小半个齿间脉冲。当绞车顺时针转动时,测向接近开关脉冲下降时,测速接近开关在齿尖处;绞车逆时针转动时,测向接近开关脉冲下降时,测速接近开关在齿根处,由此可判断绞车转动方向。
3.硬件电路设计
绞车转向与转速测量仪控制电路采用飞利浦生产的P89C51RD2FA单片机作为微处理器进行核心程序的设计,来实现所需的功能。原理框图如图2所示。
绞车两路传感器的脉冲信号通过光隔隔离后输入到微处理器的外部中断端口,微处理器采集两路脉冲之间的相位差转换成相应的数字信号,微处理器控制DA电路将数字信号转换成模拟信号输出给经过放大后的H桥电路,H桥电路输出的电压信号的幅值反映了转速的大小,电压的正负反映转速的方向。微处理器通过串口与上位机进行通信,同时检测绞车转速是否超过设定阈值,超过阈值后微处理器控制报警电路报警或停止绞车。
绞车传感器输出是+24V的信号,超出了微处理器的检测范围。为了降低绞车传感器的输出电压和减少干扰,绞车传感器的输出通过光隔隔离后到微处理器的外部中断端口。
光隔选用TLP521-2,它的前端与后端最大电流分别为25mA、10mA,在光隔前端与后端加了2kΩ、1kΩ的电阻限流,传感器的型号通过光隔隔离后进入微处理器的外部中断0、外部中断1端口。
微处理器降处理后的数字信号发给后端模拟电路,后端模拟电路将这些数字信号转换成与转速相对应的电压值。电路如图3所示。
微处理器通过中断方式采集传感器1的一个周期的时间,设置外部中断下降沿触发,当绞车传感器1输出的脉冲到下降沿时,单片机响应外部中断,同时启动计数器,第二个中断来时停止计数器,记录一个脉冲周期的时间,这个时间是和绞车的转速成正比关系。如每个脉冲周期的时间较短,可多次采样得到一个平均值。将采集到的时间(数字量)传输给D/A模块准换成模拟信号。
D/A模块选用采用美国TI公司生产的TLC 5620。它是一款带有串行控制的4路8位电压输出数/模转换器。给D/A模块用参考源供+5V参考电压,可设置TLC5620控制寄存器的RNG位来确定输出电压的放大倍数。设置RNG=0时放大倍数为基准电压的1倍,RNG=1时放大倍数为基准电压的2倍。在本设计中选用1倍的放大倍数,即转速与D/A端输出电压0~5V是对应的。
TLC5620的控制端口有数据输入端DATA,时钟输入端CLK,数据装载控制端LOAD和转载DAC控制端LDAC。如图3所示,这四个控制端口与微控制器的普通I/O端口连接,微控制器通过控制这四个端口来实现数模转换。当控制LOAD和LDAC均为高时,在每一个CLK时钟的下降沿数据被锁存到DATA端,当所有的数据位都被锁入DATA端后,拉低LOAD,串行数据从串行输入寄存器移入被选中的DAC通道,拉低LDAC,更新输出端电压,之后置LDAC为高位,可以保持更新后的电压值。
在本设计中只用到一路通道,通过设置控制寄存器的通道更新选择位来选择DACA通道,该通道电压通过放大器放大,通过调节电位器R53使电压输出到要求的范围。通过放大的电压到H桥电路,H桥电路是通过微处理器控制选通桥通路来使电压具有正负。H桥电路在本设计中的功能实现电压正负的换向。如图3所示,桥电路选用4个高速、低功耗的光隔PVA3354N搭建。
设置微处理器中断1下降沿触发,当绞车传感器2输入脉冲到下降沿触发中断1,此时判断绞车传感器1的输出是高电平还是电平。如为高电平,绞车转速为正方向(顺时针方向),单片机通过P2.0、P2.1脚控制选通H桥的N12和N14,N13与N15端截止。“转速+”端为放大器输出端电压,“转速-”端接地,转速输出端为正电压。反之,选通H桥的N13和N15,N12与N14端截止。“转速+”端接地,“转速-”端为放大器输出端电压,转速输出端为负电压。 检测到绞车转速超过限定的阈值后,单片机控制控制蜂鸣器报警,同时限制D/A模块输出+5V的幅值,直到转速降为阈值以下。
4.软件设计
由于测速法涉及到比较多的运算,用汇编不太方便实现,所以软件编程采用的是C语言编程,它不仅处理运算方便,且具有更强的可读性。编译环境为Keil uVision3。
程序采用模块化程序设计思想,采用了双中断模式。具体可分为主程序模块,INT0中断服务程序模块,INT1中断服务程序模块,D/A数模转化程序模块,计数器初始化子程序,串口收发中断服务程序模块,软件延时程序模块等。
主程序为一个循环程序,等待外部中断0的两次产生,计算一个脉冲周期之间的时间。ExtenFlag0是外部中断0产生两次中断后的标志位,当计算的转速大于报警转速阈值控制蜂鸣器报警,若转速持续升高超过极限转速时蜂鸣器报警,同时指示转速幅值维持最大输出,绞车停机。CNTNum为0.1ms定时器的计数数量,在外部中断0第一次产生时触发定时器,每来一次定时器中断,计数CNTNum增加一次,外部中断0第二次产生时停止计数器。定时器初值为oxFFA3,设置为自动重载,定时器每0.1ms产生一个定时中断。当CNTNum大于6000(600S)时认为,绞车处于停机状态,控制转速幅值输出0。当转速处于最低转速和最高极限转速之间,转换成对应的转速幅值完成一次的转速测量。将外部中断标志清零后等待下一个两次外面中断0的完成进入转速测量的循环。主程序的流程图如图4所示。
转速的测量是通过测量传感器一个脉冲周期的时间计算得来
的,脉冲周期的时间主要有两部分组成,一部分是0.1ms的整数倍,一部分是0.1ms的小数倍。计算公式如式(2)所示,单位是0.1ms。 公式(2)中CNTNum为0.1ms定时中断计数,TH0为计数器0高位,TL0为计数器0的低位,0xFFA3为计数初值,0xFFFF为计数最大值。
单片机检测外部中断0的下降沿后,进入中断INTO程序。第一次进入中断程序启动计数器,中断标志位加一,退出中断。第二次进入中断程序停止计数器,记录计数器的值,中断标志位加一,退出中断。
检测到外部中断1的下降沿后,进入中断INT1程序。判断传感器1输出的是高电平还是低电平,如若为高电平控制转速输出为正向,反之为负向。
5.结束语>
通过绞车实际测速说明,这种使用两路传感器作为外部测量设备,采用单片机的双中断模式来测量计算转速和判断转向的方法能够实时的反应绞车当前的转速转向,具有分辨率高和反应速度快。同时在设计上采用的器件较少而且较容易试验,具有良好实用性和经济性的特点。