基于单片机的电动机转速测量系统设计

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 In the project practice, measuring rotational speed is often necessary in many situations. Along with the wide application of microcomputer, especially with the emergence of high cost-effective single chip microcomputer, the rotational speed is often measured by digital methods centered on single chip microcomputer. The design mainly use SPCE061A as the control core, and is made up of the Hall sensor, LED digital kinescope, HIN232CPE level conversion, and a SPGT62C19B motor control module. Introduce the serial communication of the data from rotational speed measuring system, which gives full scope to performance of SPCE061A. The key point of this paper is measuring the rotational speed and displaying it at 4-bit LED. It has advantages such as simple hardware circuit, good software capabilities, fast measuring speed, high precision, reliable control system, high cost-effective and so on. Keyword： SPCE061A single-chip computer； rotational speed; sensor 目录 1绪论 1 1.1直流电机调速系统的发展历史和现状 1 1.2测速方法的发展 2 1.3测速系统的分类及组成 3 1.4 课题任务及要求 3 1.5本文内容及章节安排 4 2直流电机数字测速方法 5 2.1数字测速方法 5 2.1.1 M法测速 5 2.1.2 T法测速 6 2.1.3 M/T 法测速 7 2.2各种测速方法的精度指标 8 2.2.1分辨率 8 2.2.2测速误差率 9 2.3测速方法的比较和选择 10 2.4本章小结 11 3直流电机测速系统的总体方案设定 12 3.1测速与显示系统总体方案设计 12 3.2直流电机测速系统硬件方案论证 13 3.3直流电机数字测速基本原理 13 3.4转速测量与显示方案设计 14 3.5本章小结 14 4测速系统硬件设计 15 4.1凌阳单片机简介 15 4.1.1凌阳十六位单片机 15 4.1.2 凌阳 SPCE061A 单片机 15 4.2转速测量单元 16 4.2.1模组平面图 17 4.2.2 SPGT62C19B芯片控制直流电机 19 4.2.3转速测量电路 20 4.3数码管显示单元 21 4.4本章小结 22 5测速系统软件设计 23 5.1总体软件结构框架 23 5.2各模块单元软件框架 23 5.2.1直流电机测速 23 5.2.2数码管显示 24 5.2.3主程序流程 25 5.3本章小结 30 6系统总体调试和结果分析 31 6.1系统调试与结果分析 31 6.2故障调试及解决方式 32 6.3联调结果 33 结论 36 社会经济效益分析 37 参考文献 38 致 谢 39 附录I SPCE061A系统原理图 40 附录II单片机程序 41 附录III元器件清单 51 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Micro controller unit,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，晶闸管一电动机调速 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； C2）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