基于单片机的电动机转速测量系统设计.docx

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基于单片机的电动机转速测量系统设计

摘要

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合。

随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能价格比的单片机的出现，转速测量普遍采用以单片机为核心的数字式测量方法。

本文基于SPCE061A单片机实现数字测速功能。

在电机运行过程中，对其进行监控，即对电机转速进行测量，并显示，从而掌握电机运行的基本状况。

本设计主要用SPCE061A作为控制核心，由霍尔传感器、LED数码显像管、HIN232CPE电平转换、SPGT62C19B电机控制模组构成。

详细介绍了单片机的测量转速系统数据的串行通讯，充分发挥了单片机的性能。

本文重点是测量速度并显示在4位LED数码管上。

其优点是硬件电路简单，软件功能完善，测量速度快、精度高、控制系统可靠，性价比较高等。

关键字：

SPCE061A单片机；转速；传感器

Abstract

Intheprojectpractice,measuringrotationalspeedisoftennecessaryinmanysituations.Alongwiththewideapplicationofmicrocomputer,especiallywiththeemergenceofhighcost-effectivesinglechipmicrocomputer,therotationalspeedisoftenmeasuredbydigitalmethodscenteredonsinglechipmicrocomputer.

ThedesignmainlyuseSPCE061Aasthecontrolcore,andismadeupoftheHallsensor,LEDdigitalkinescope,HIN232CPElevelconversion,andaSPGT62C19Bmotorcontrolmodule.Introducetheserialcommunicationofthedatafromrotationalspeedmeasuringsystem,whichgivesfullscopetoperformanceofSPCE061A.Thekeypointofthispaperismeasuringtherotationalspeedanddisplayingitat4-bitLED.Ithasadvantagessuchassimplehardwarecircuit,goodsoftwarecapabilities,fastmeasuringspeed,highprecision,reliablecontrolsystem,highcost-effectiveandsoon.

Keyword：

SPCE061Asingle-chipcomputer；rotationalspeed;sensor

1绪论

转速测量在电机运行的过程中，对其平稳性进行监测，有效地反映电机的状况。

单片机的英文名称是Microcontrollerunit，缩写为MCU，又称为微控制器。

它是一种面向控制的大规模集成电路芯片，具有功能强、体积小、可靠性高、应用简单灵活，因而使用非常广泛，有力地推动各行业的技术发展和更新换代。

1.1直流电机调速系统的发展历史和现状

随着时代的进步和科技的发展，拖动控制的电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义。

长期以来，直流电机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，这主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制；同时具有良好的起动性能，能较平滑和经济地调节速度。

因此采用直流电机调速可以得到良好的动态特性。

由于直流电动机具有优良的起、制动性能，宜与在广泛范围内平滑调速。

在轧钢机、矿井卷机、挖掘机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控硅电力拖动的领域中得到广泛应用。

近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础。

长期以来，由于直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统，因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要位置。

变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压。

可控直流电源采用静止可控整流器，以获得可调的直流电压。

电机调速系统的发展历史为：

1957年，晶闸管问世，到了六十年代，已产生出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管年代。

到今天，晶闸管—电动机调速系统成为直流调速系统的主要形式。

V—M系统中V是晶闸管可控硅整流器。

它可以是单相、三相、或更多相数、半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发器装置GT的开展电压来移动触发脉冲的相位、即可改变整流电压的Ud，从而实现平滑调速。

和旋转变流机组拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能上也显示较大的优越性，晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体三极管来开展，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大装置。

在开展作用的快速性方面，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。

直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用，调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济在80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广，但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300hz以下），使得电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。

于是在90年代出现了以IGBT为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案。

近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动系统的基础，直流调速拖动系统的性能指标优于交流调速系统。

因此，直流调速系统在很长一段时间内在调速系统领域内仍将占重要位置。

1.2测速方法的发展

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。

其中应用最广的是光电式，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。

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

所以，本文选着数字测速的方法进行试验。

1.3测速系统的分类及组成

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号。

其中应用最广的是光电式，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。

由于数字测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

1.4课题任务及要求

本毕业设计要求利用单片机实现电机转速的测量和显示。

主要内容有：

（1）测速电路设计，包括测速脉冲产生、整形、计数等；

（2）电机转速计算，编程实现测速方法功能；

（3）转速显示功能实现，分析实验结果，根据实际情况进行方法改进。

要求直流电机速度测量包括下列功能：

（1）可设定电机的转动方向、转速；

（2）可实时测量电机的实际转速，并在LED数码管上显示出来。

基本要求：

（1）学习直流电机基本理论和知识，阅读主要参考文献，收集有关资料，复习自动化、计算机控制等相关知识，了解常规电机调速方法；

（2）根据毕设任务要求学习数字测速方法并根据运行情况进行改进，掌握基本的方案设计思路、软件流程和相应的实现方式；

（3）掌握一种编程语言，编写程序实现相应功能，细致调试以达到预期效果，并会分析程序结果；

（4）进行模拟实验；

（5）撰写论文15000字左右，翻译3000～5000字外文资料。

1.5本文内容及章节安排

本文对直流电机控制系统的设计进行了详细的介绍，共分六章。

第1章简要介绍了课题相关的的研究背景及整个任务的要求安排及；第2章是针对此次课题的任务进行总体方案介绍；第3章具体介绍了直流电机测速系统的总体方案设定，包括直流电机的测速方案、显示方案，直流电机的控制方案的设计；第4章阐述了直流电机控制系统的硬件设计，包括SPCE061A最小系统，SPGT62C19B电机驱动芯片，转速测量电路，数码管显示电路的设计；第5章阐述了直流电机控制系统的软件设计，包括转速测量子程序，数码管显示子程序的设计；第6章是针对硬件调试、软件调试和整机连调的结果进行了具体的分析和说明。

2直流电机数字测速方法

2.1数字测速方法

数字测速具有测速精度高、分辨能力强、受器件影响小等优点，被广泛应用于调速要求高、调速范围大的调速系统和伺服系统。

数字测速方法主要有：

由光电脉冲发生器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。

常用的脉冲数字（P/D）转换方法有三种：

（1）M法—脉冲直接计数方法；

（2）T法—脉冲时间计数方法；

（3）M/T法—脉冲时间混合计数方法。

2.1.1M法测速

地在一定的时间Tc内测取光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数

，用以计算这段时间内的平均转速，称作M法测速（如图2.1所示）。

把

除以Tc就可得到脉冲发生器输出脉冲的频率f1=

/Tc,所以又称频率法。

电动机每转一圈共产生Z个脉冲（Z＝倍频系数*光电脉冲发生器码盘孔数或光栅数），把f1除以Z就得到电动机的转速，在习惯上，时间Tc以秒为单位，而转速是以每分钟的转数r/min为单位，则电动机的转速为：

（2.1）

在上式中，Z和Tc均为常数，因此转速n正比于脉冲个数

。

高速是

大，量化误差较小，随着转速的降低误差增大，转速过低时

将小于1，测速装置便不能正常工作。

所以M法测速只适用于高速段。

测速时间、光电脉冲发生器输出脉冲如图2.1所示：

图2.1M法测速

2.1.2T法测速

在光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的间隔时间内，用一个计数器对已知频率为f0的高频时钟脉冲进行计数，并由此来计算转速，称作T法测速（如图2.2所示）。

在这里测速时间源于光电脉冲发生器输出脉冲的周期，所以又称周期法。

在T法测速中，准确的测速时间Tt是用所得的高频时钟脉冲个数

计算出来的，即Ｔt=

/

，则电动机转速为

（2.2）

高速时

小，量化误差大，随着转速的降低误差减小，所以T法测速适用于低速段，与M法恰好相反。

光电脉冲发生器输出脉冲、测速时间、高频时钟脉冲如图2.2所示：

图2.2T法测速

2.1.3M/T法测速

把M法和T法结合起来，即检测Tc时间内光电脉冲发生器所产生的脉冲信号个数

，又检测同一时间间隔内的高频时钟脉冲个数

，用来计算转速，称作M/T法测速。

设高频时钟脉冲的频率为

则准确的测速时间Tt＝

/

而电动机转速为：

（2.3）

采用M/T法测速时，应保证高频时钟脉冲计数器与光电脉冲发生器输出脉冲计数器同时开启与关闭，以减少误差（如图2.3），只有等到光电脉冲发生器输出脉冲前沿到达时，两计数器才同时允许开始或停止计数。

由于M/T法的计数值

和

都随着转速的变化而变化，高速时，相当于M法测速；低速时，

1，自动进入T法测速。

图2.3M/T测速

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/T法实现测速具有较高的测速精度。

2.2各种测速方法的精度指标

2.2.1分辨率

分辨率是用来衡量一种测速方法对被转速变化的分辨能力的，在数字测速方法中，用改变一个计数字所对应的转速变化量来表示分辨率，用Ｑ表示。

设被测转速由n1变为n2时，引起测量计数值改变了一个字，则测速装置的分辨率是

Q=n1—n2（转/分）（2.4）

Q越小，测速装置的分辩能力越强；Q越小，系统控制精度越高。

（1）M法测速的分辨率

在M法测速中，当计数值由

变为

＋1时，按式（2.1）。

相应的转速由60M1/ZTc变为60（M1＋1/）ZTc，则M法测速分辨率为：

（2.5）

可见，M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。

从式（2.4）还可看出，要提高分辨率（即减小Q），必须增大Tc或Z。

但在实际中，两者都受到限制，增大Z受到脉冲发生器制造工艺的限制，增大Tc势必使采样周期变长。

（2）T法测速的分辨率

为了使结果得到正值，T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变为M2－1时转速的变化量，于是

（2.6）

综合（2.2）和（2.5），可得

（2.7）

由上式可以看出，T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。

这也说明，T法更适于测量低速。

3）M/T法测速的分辨率

（2.8）

M/T法测速在高速段与M法相近，在低速段与T法相近，所以兼有M法和T法的特点，在高速和低速都有较强的分辨能力。

2.2.2测速误差率

计算测速误差率是指测速装置对实际转速测量的精确程度，常用测量值与实际值的相对误差来表示，即

（2.9）

测速误差率反映了测速方法的准确性，测量误差越小，准确度越高，系统控制精度越高。

的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。

（1）M法测速误差率

在M法测速中，测速误差决定于脉冲发生器的制造精度，以及脉冲发生器输出脉冲前沿和测速时间采样脉冲前沿不齐所造成的误差等等，最多可能产生1个脉冲的误差。

因此，M法测速误差率的最大值为

（2.10）

由上式可知，δmax与M1成反比，即转速愈低，M1愈小，误差率愈大。

（2）T法测速误差率

采用T法测速时，产生误差的原因与M法中相仿，M2最多可能产生1个脉冲的误差。

因此，T法测速误差率的最大值为

（2.12）

低速时，脉冲发生器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲个数M2多，所以误差率小，测速精度高，故T法测速适用于低速段。

两种测速方法的比较：

M法测速在高速段分辨率强；

T法测速在低速段分辨率强；

（3）M/T法测速误差率

在低速时M/T法趋向于T法，在高速段M/T法测速相当于T法的M1次平均，而在这M1次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。

因此，M/T法测速可在较宽的转速范围内，具有较高的测速精度。

2.3测速方法的比较和选择

从测量分辨率上看，T法测低速时分辨率较高，但随着转速的增大，分辨率变坏；M法则相反，高速时分辨率较高。

而低速时分辨率变低；同步M/T法结合了前两者的优点，在整个转速范围内有较高的分辨率。

从测量精度上看，T法测速的测量精度随着转速的增加而减小；M法的测速精度在高速时较高。

而在低速时变低；同步M/T法的测速精度介于二者之间。

综合以上两方面，同步M/T法是一种比较好的方法。

在许多系统中都采用这种方法。

虽然M/T法有这么多优点，但也有不少问题：

1）实时性差。

因为需要同步，所以实际定时时间滞后于设定时间，具有迟滞性。

2）测速精度具有非线性。

在宽转速范围内，测速误差逐渐递增，不均匀。

这不利于在整个转速范围内实现高精度转速控制。

3）同步M/T法和T法一样，计数时钟都利用单片机内部定时器的时钟很难做到与转速脉冲同步，即使做到与转速脉冲同步，测量的计数误差也会给测量精度带来影响。

在同步M/T法中，测量精度本质上并没有显著提高。

而且要得到高精度测量，对各个环节要求都比较高，这样就使整个系统的价格昂贵，否则M/T法的精度就无法保证。

所以采用M法就能达到要求。

为提高测速精度。

本文提出一种新方法，即改进的M法。

该方法在高速时精度很高，只要能增加低速时的盘脉冲，就能解决在低速时测量精度低的问题。

2.4本章小结

本章充分介绍了关于直流电机的测速系统的相关内容，具体直流电机测速的分类、方法。

在本章中经过比较决定运用数字测速中的M法进行试验。

3直流电机测速系统的总体方案设定

直流电机测速系统的整个设计中最重要的部分是直流电机转速的测量，本设计使用凌阳16位SPCE061A单片机为直流电机转速调节的主控制芯片，其较高的数据处理能力和丰富的指令系统，从硬件和软件两部分来改善系统性能，使研制成的直流电机控制系统具有很好的快速性和准确性，符合设计要求。

3.1测速与显示系统总体方案设计

在电机转速测量系统中，可以利用光电变换的方法，将电机的转速测量出来。

在设计型实验中，测速对象为额定电压5V的直流电动机，其转速受电枢电压控制，用改变电枢电压的方法进行电机调整。

为了知道电机的实际转速，需要实时监测电机轴的转速，方法是电机的轴上连接一个码盘，通过光电开关将转速换为电脉冲信号，通过计数等电路，测量出电机的实际转速。

电机转速的测量范围为30—60r/min，用4位七段数码管显示出相应的电动机转速。

它涉及光电转换、放大、整形、倍频、计数、译码、显示及计数、显示之间时序关系的控制。

电动机转速测量系统框图如图2.4所示。

图2.4电动机转速测量系统框图

3.2直流电机测速系统硬件方案论证

本系统由一块SPCE061A精简开发板（61板）和一块电机控制模组构成，以SPCE061A为核心，包括电机驱动、按键、LED数码管等模块。

系统的结构框图如图3.1所示。

图3.1系统的结构框图

SPCE061A单片机作为主控芯片，通过I/O端口来控制SPGT62C19B电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。

电机模组上的光栅转盘和红外对管将直流电机的转动信息反馈给单片机，单片机针对测得的实际转速来调节SPGT62C19B的控制状态，从而使转速由4位数码管显示出来。

61板的三个按键用来对直流电机的转动方向和转速等进行设定。

3.3直流电机数字测速基本原理

本文采用M法（频率法）对直流电机测速。

M法测速的工作是利用4KHz时基中断，当光栅转盘的挖空部分经过红外对管时，与之连接的单片机I/O口将输入低电平；而光栅转盘阻隔红外对管时，该I/O口将入高电平。

以4KHz作为采样频率，检测该I/O端口的电平状态并计数，即可通过一段时间内的计数值计算出电机转速。

同时将转速反馈到单片机中，显示转速的结果实现直流电机的调速。

3.4转速测量与显示方案设计

硬件部分：

测速部分由光栅转盘和红外对管组成，当红外发射管与红外接收管之间被直流电机光栅转盘的不透明部分遮挡时，红外接收管处于截止状态。

反之，当光栅转盘的通光槽转至红外对管之间时，红外接收管处于导通状态。

当电机每转动一周，红外接收管将接收到4次红外光，通过定时计数的方法计算出电机转动速度。

显示部分模组提供了4位共阴极LED数码管，将单片机与LED数码管相连利用C语言编程即可实现数码管显示控制。

软件部分：

开始时，编写电机转速设定SetSpeed（）与方向设定SetDirection（），通过按键设定初始转速与方向。

编写switchcase语句通过按键来改变设定值。

启动电机，测速计数器加1，定时计数器加1。

达到给定时间，计算电机转速并保存电机转速，测速计数器清零，定时计数器清零。

返回主程序重新开始测速。

试验由硬件部分与软件部分组成。

硬件部分由一块SPCE061A和一块电机控制模组构成，以SPCE061A为核心，包括电机驱动、按键、LED数码管等模块。

SPCE061A单片机作为主控芯片，通过I/O端口来控制SPGT62C19B电机驱动芯片，从而实现对直流电机的控制。

软件部分通过凌阳公司提供的软件unSPIDE2.0.0D，在该软件编写环境下针对直流电机系统要求对单片机编写相应的C语言程序实现对直流电机的控制。

直流电机转速控制系统原理框图如下图3.2所示。

图3.2直流电机转速控制系统的原理框图

3.5本章小结

本章主要讲述了直流电流转速测量及显示方案的设定，直流电机控制转速的方案的设定。

4测速系统硬件设计

本系统采用SPCE061A单片机作为主控制器，采用61板配备的3个按键作为输入部分，直流电机及其驱动电路采用凌阳大学提供的“电机控制模组”。

下面分别对凌阳单片机以及相关模块的特性进行具体介绍。

4.1凌阳单片机简介

1

2

3

4

4.1

4.1.1凌阳十六位单片机

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，DigitalSignalProcessing）等领域。

凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。

它具有以下特点：

（1）体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展；

（2）具有较强的中断处理能力；

（3）高性能价格比；

（4）功能强、效率高的指令系统；

（5）低功耗、低电压。

4.1.2凌阳SPCE061A单片机

SPCE061A是