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1、 第 14 页 共 30页 微型计算机的应用研究日志通讯工具一个以微控制器为基础的即时速度测量M. S. Khanniche and Yi Feng Guo 这篇文章主要讲述了一种基于单芯片微控制器的数码式实时控制系统的发展过程，Intel80C196KC.它可以实现速度的准确与高分辨率在一定的范围以内。校准显示这种基于360度的脉动轴译码器的设备可以获得测量精度。这种先进的系统最大的特点是采用模拟与实际测试。并且其性能同时得到实验室与工厂用于成套机械的双重评估。其中代表性的结果我们将在本文中展开讨论。1. 引言在速度控制应用中，其处于不变状态的精确度及强有力的性能依赖于有效的反馈系统，这就需
2、要一种快速而又准确的检测系统在广阔的速度操作范围内提供高分辨率。这种以模拟速度反馈系统的测速传感器的性能是很有限，主要是由于其非线性，温度的变化及组成部分的老化。这些因素严重影响着测试精度，而轴译码器的出现则带来了高性能的数码解决方法。 在实时控制应用中，数码速度检测系统方案必须具有在较短检测时间内达到高精度和高分辨率的特点。报刊杂志已经报道了多种多样的方案，最普遍应用的数码检测方法被认为是T，M，和M/T法，下面我们将每种方法进行简短的描述。 T方法1-3。发动机的速度检测是通过计算两个连续的译码器周期的相互作用的时间来实现的。在低速条件可以获得高分辨率但需使用一个很长的测试时间；然而在高速
3、下，其分辨率也随之下降。 M方法4，5。其速度检测是通用计算译码器周期在一个固定的间隔；计数器值与速度成正比，检波时间必须够长来计算一个充份的数目以使入码器跳动获得一个高度准确度，尤其是在低速变化范围内，由于以上限制，这种方法很难同时获得高精度与快速反应时间。 M/T8方法。这种方法通过结合M方法和T方法的先进性而得到了很在的发展，高频时钟被用来在速度检测周期内将译码器数字化。0745-7138/95/010039+15 $08.0010 1995 Academic Press Limited40 M.S. Khanniche and Y. E Guo、 Figure 1. Speed det
4、ection time vs. the speed range时间，也就是检波时间，决定于在规定的时间内同步化第一个入码器脉冲后。在比较T方法和M方法时，M/T的检波时间具有与众不同的特点。如果我们规定周期是确定的，假如7ms,速度检波时间的特点如图1所示。上面表示出速度检波时间根据实际的速度呈现不同的变化，在低速范围内，它具有比T方法更长的检波时间。随着速度上升，检波时间会逐渐聚合至 7 ms，数传速度回路系统时常需要恒速抽查率，然而这种方法往往由于复杂变化的检波时间而出现应用上的限制。 因此可以得出结论：可以通过M/T方法得到高度测量准确度和分辨率，但它是在低速范围内以延长检波时间为代价。
5、对于速度控制系统快速的动态响应在预期的在整个的速度范围之上，现在的M/T方案仍然不能满足这些必备条件，因此一种以微控制器为基础的即时速度测量得到发展并成熟。在本文中，被推荐的速度测量系统是根据准确度和分辨率而被介绍和分析，在使用这 80 C196 微控制器的即时的实施在第3节被描述。其校准和检测结果在第4节进行展示并讨论。2 推荐的数字速度检测系统 这里推荐的系统针对在全部操作范围上的测量为快速的速度将准确度和解析度最佳化，通过将测量分成两种模式而获得，分别为模式1和模式0，相当于各自在低速和高速范围内操作。模式1主要是以M/T方法为基础，然而延长的检波时间被减少；模式0以T方法为基础，在较低
6、的速度范围内提供高分辨率。在一整个的周期脉冲在整个抽样周期无法被测量到的极端个别情况下，速度检波周期会自动地被延长到八个抽样周。 图2 模式0工作原理图2.1系统方案工作原理 模式0（图2）中的实际速度可由以下公式表示 (1) 其中Tn为在两个连续的入码器脉冲之间的时间；fc为时钟频率，单位Hz;M2为在Tn时间内统计得到的时钟脉冲数目；Ts为抽样时间；P则为译码器的跳动转数模式1（图3），在这种模式下，一个具有高频率的时钟通常用在速度检波周期内计算入码器脉冲，Td则由规定的周期Tt之后同步化第一个入码器脉冲决定，实际的速度Na可由公式2得出： Na= (2) 其中M1入码器脉冲的数目；M2为
7、Td时间内的时钟脉冲数目。 最大的检波时间Tdmax由以下公式决定： Tdmax=Ts =Tt+t (3)42 M.S. Khanniche and Y. F. Guo 图3 模式1的工作原理图 为了获得更加精确化和稳定的反馈信息，规定的检波时间，一般认为稳定且越接近速度抽样时间Ts越好，同样这也应用于整个速度变化范围内。从模式0到模式1的交换标准是将实际的速度与临界值Nc作比较，对应的最大检波时间Td则要保证小于或等于抽样时间Ts. 在所推荐的系统中，例如被规定的模式1的检波周期被描述为比速度回路抽样周期少1 ms 。 Tdmax-Tt1(ms) 临界速度可由以下公式得出 Nc= （5）2.
8、2 速度正常化实际的马达速度有关于速度被正常化叁考数值，速度数值使用微控制器的内建 10-位元 AD 转换器进行数字化。提供一个变换 0-1024 范围。 在这一个应用程序中，最大速度参考被设定在 10V，对一个数传 2046 数值符合要求（发动机额定速度）。其雾规范化的形式可以以下公式表示： Nd= (6) 当Na和Nd被用来各自表示马达的实际速度和被正常化的数传速度时，取代了由Na表示的公式1和公式2，则相应的规范化数传速度检测值可变成： Nd=Kn (7) Nd=Kn (8)而Kn则由以下公式定义： Kn= (9)速度系数Kn 是一个由给定的译码器，、电动机额定速度、微控制单元操作频率的
9、常数。2.3 数字化的考虑方向除了测量系统之外，算术运算中的数字的精确 速度测量运算法则在获得高测量准确度方面也是一个重要的因素，在这发展中，特定的二进定盘点数字的 表示法在计算中经常被使用，举例来说，速率系数Kn，是定义当做 32个位元整数，计数器数 M1和 M2 是 16个位元整数。 因此，藉由指定的二进位的定点计算，数传速度Na是计算损失，当适用于速度控制器运算法则，有一32-位元定盘点数据格式，包括 16个位元二进部分。产生的数传速度反馈值用最后进入被定盘的一16-位元之内被切断内有四个位元二进部分的点编号。这发展的数字表示法很大地改善了有限长度的数字计算精度2.4 精确度和分辨率分析
10、 精确度。速度检测系统的精确度直接受译码器系统的质量影响。那意料着脉冲宽度的最小变化在两个连续的脉冲之间。然而译码器的脉冲差异总是存在而且完全受译码器加工制造工艺的影响。不同的速度检测系统由于不同的加工制造工艺存在的细微错误影响，因此直接导致了在检测精度上的差异。由模式1采用的M/T方法，理想的精度应该由以下公式表示： An= (10) 图4 不同速度检测系统的速度精度差异比较 其中Ap误差百分率，参考图3检测精度同样也由以下公式表示： Int.方法函数中的独立变数的整数部分。 同T方法比较，速度检测是在译码器两个连续脉冲的基础上进行计算，分割错误在这情况因此显得特别重要。不同的检测系统，采用
11、7ms作为测试时间，图4中的结果清晰地显示一个好的速度测量的系统高度正确测量效果由使入码器的最小分割错误达成。在实际中应用的光学桥译码器，RS-341-581 ，存在10% 分割错误。而M/T法具有比其他方案更高的测量精度。这样的结果也同样能反应出可以通过提高译码器脉冲来改善测量精度，在这个推论下，产生了一种特别设计的外部逻辑接口来使译码器的脉冲成加倍地提高。分辨率。在这种检测系统中，分辨率被定义为时钟计数器值改变为1时速度的变化差额： 利用同样的光学桥译码器，以及上面提到的特殊外部逻辑接口，脉冲每旋转一次可产生2的脉冲，图5呈现的是在假设应用时钟频率为750KHz的条件下不同方案的分辨率模拟图。结果明显地显示通过作用M/T法可以在速度的整个操作范围内获得较高的分辨率。对比之下，M方法在低速条件下只能获得低的分辨率，T方法在高速条件下得到的分辨率也很低。 图5 不同速度检测方案下得到的分辨率比较以上结果证明：使用两种检测系统，具有快速反馈的系统能够获得不失真的高分辨。2. 基于80C196-的微控制器速度实时检测系统3.1 硬件设计 外部逻辑接口电路用来使译码器脉冲成双倍地放大，因此能提高精确度；桥译码器以 90 相移提供两个输出讯号，因此在通过两个相异的相位，译码器的脉冲变成了双倍，电路图表如图6中所示。双重线接收机 DS8820被用来除去杂音
