嵌入式系統(tǒng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)

　　這篇職稱評定論文發(fā)表了嵌入式系統(tǒng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控器件內(nèi)部，為特定應(yīng)用而設(shè)計的專用計算機(jī)系統(tǒng)”，根據(jù)英國電氣工程師協(xié)會的定義，嵌入式系統(tǒng)為控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機(jī)器或用于工廠運(yùn)作的設(shè)備。

　　關(guān)鍵詞：職稱評定論文,霍爾傳感器,直流電機(jī)

　　直流電機(jī)因其開關(guān)頻率高、低速運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，動態(tài)性能好、功率高，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代自動化工業(yè)中。本文提出了一種基于單片機(jī)測量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法。以AT89C51單片機(jī)為核心，通過霍爾傳感器(A3144E)輸出的直流電機(jī)的脈沖信號來計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用單片機(jī)的外部中斷和定時編程算法，將所獲得的速度顯示在數(shù)碼管上，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時獲取，并用按鍵來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速擋位，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)速度和反轉(zhuǎn)速度[1]。采用驅(qū)動芯片L9110S驅(qū)動電機(jī)，該芯片有兩個輸出，這兩個輸出端能直接驅(qū)動的直流電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動，此芯片具備較好的抗干擾能力和電機(jī)驅(qū)動能力[2]。以單片機(jī)為核心，通過LabView提供的串口將采集到的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，在LabView環(huán)境下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并進(jìn)行相關(guān)控制。測試結(jié)果表明：該檢測系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和調(diào)速效果。

　　1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

　　該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，由霍爾傳感器(A3144E)、直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動芯片(L9110S)、按鍵、數(shù)碼管、軟件LabView等幾部分組成。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。1.1霍爾傳感器根據(jù)霍爾效應(yīng)設(shè)計的霍爾傳感器，在磁場中能檢測磁場并能感應(yīng)周圍磁場的變化。霍爾傳感器小體積、高靈敏度、高精確度、高可靠性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)軸測速系統(tǒng)中獲取脈沖信號，計算轉(zhuǎn)速值[3]。霍爾傳感器有線性和開關(guān)型兩種類型，線性霍爾傳感器輸出的是模擬信號，而開關(guān)型霍爾傳感器輸出的是數(shù)字信號[4]。該系統(tǒng)運(yùn)用的單極性開關(guān)型霍爾傳感器(A3144E)，霍爾傳感器的組成由電壓調(diào)整器、霍爾電壓發(fā)生器、差分放大器、史密特觸發(fā)器，溫度補(bǔ)償電路和集電極開路的輸出級幾部分組成。

　　在一定條件下，當(dāng)有磁感應(yīng)強(qiáng)度輸入時，就會有一個數(shù)字電壓信號的輸出。由霍爾傳感器的原理可知，當(dāng)垂直于磁場方向的霍爾傳感器通電流并且此電流垂直于磁場時，霍爾元件就能產(chǎn)生在一個在該磁場強(qiáng)度下相對應(yīng)的霍爾電勢差。霍爾電勢差存在的條件下，當(dāng)保持電流不變，改變磁場強(qiáng)度的大小，霍爾電勢差會發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)霍爾元件相對于磁鋼運(yùn)動并切割磁力線時，霍爾傳感器的輸出端就會有電壓信號的輸出[6]。1.2驅(qū)動芯片L9110S是兩通道功率放大專用集成電路器件，專門為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計。該芯片有兩個輸入，兼容TTL/CMOS電平，抗干擾性良好;兩個輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正向和反向運(yùn)動，電流驅(qū)動能力較強(qiáng);每通道的持續(xù)電流：750～800mA，峰值電流：1.5～2.0A;輸出飽和壓降較低;由內(nèi)置的鉗位二極管釋放的感性負(fù)載反向沖擊電流，確保了驅(qū)動繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管時的可靠性和安全性。引腳功能如表1所示。驅(qū)動芯片L9110S能驅(qū)動一個直流電機(jī)，并且能控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)狀態(tài)。

　　2測速原理

　　數(shù)字測量方法主要有測頻率法和測周期法。該系統(tǒng)研究主要采用測頻率法。單位時間內(nèi)，獲得信號的數(shù)量就是信號的頻率。在單位時間間隔內(nèi)，根據(jù)獲得的脈沖數(shù)計算轉(zhuǎn)速。從某種程度上，該系統(tǒng)測速情況下的頻率即轉(zhuǎn)速。測速就是測頻。霍爾傳感器在磁場中總是能產(chǎn)生相同大小的電壓并且與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即能在低速情況下獲得精確的測量結(jié)果。霍爾傳感器的安裝位置決定了輸出信號的強(qiáng)弱，為了獲得最佳信號效果，通過多次實(shí)驗(yàn)，確定霍爾傳感器距離電機(jī)外殼的最佳安裝位置。磁鋼在旋轉(zhuǎn)過程中能產(chǎn)生的垂直磁場和平行磁場的信號，霍爾傳感器能感應(yīng)這種磁場信號，轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)一周的過程中能產(chǎn)生一個或多個固定的脈沖，通過霍爾傳感器獲取該脈沖并送入單片機(jī)中進(jìn)行計數(shù)，通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，能輸出直流電機(jī)的一個轉(zhuǎn)速值。在轉(zhuǎn)盤上增加幾個磁鋼可以提高檢測的精度[5]。

　　3系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　控制系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。3.1轉(zhuǎn)速測量與顯示模塊3.1.1轉(zhuǎn)速測量該系統(tǒng)采用單極性開關(guān)型霍爾傳感器A3144E實(shí)施轉(zhuǎn)速測量。將固定有磁鋼的非磁轉(zhuǎn)盤固定在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，目的是為了當(dāng)啟動電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤也能夠隨著電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)動，并且與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動速度同步，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器能夠感應(yīng)磁鋼轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的磁場變化，并產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，通過記錄單位時間內(nèi)獲得的脈沖數(shù)，計算電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。在控制系統(tǒng)原理圖2中，霍爾傳感器A3144E的輸出引腳OUT與單片機(jī)的定時/計數(shù)器1(P3.3)引腳相連，引腳OUT外接一個上拉電阻。當(dāng)霍爾傳感器感應(yīng)到磁鋼的磁場時，引腳OUT端輸出一個低電平，反之，引腳OUT端輸出一個高電平。

　　霍爾傳感器的電平從高到低的過程中，下降沿可觸發(fā)外部中斷1計數(shù)，每輸入一個脈沖，計數(shù)器加1，通過控制計數(shù)的時間即可計算出計數(shù)器數(shù)值對應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。3.1.2顯示模塊轉(zhuǎn)速顯示采用四位共陽極數(shù)碼管顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值，字碼線經(jīng)過上拉排阻接單片機(jī)的P0引腳，四位位碼線分別接單片機(jī)的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引腳(如圖2所示)。通過軟件編程，能夠?qū)@得的電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示在數(shù)碼管上。3.2轉(zhuǎn)速控制模塊控制系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機(jī)，通過八個按鍵控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，按鍵可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、全高速、高速、低速、次低速等六種速度形式[7]。八個按鍵與單片機(jī)的P1引腳相連(如圖2所示)。3.3電機(jī)驅(qū)動模塊。電機(jī)驅(qū)動采用驅(qū)動芯片L9110S，該芯片有兩組輸入和輸出，輸入IA和IB分別與單片機(jī)的P2.1和P2.2引腳相連(如圖2所示)，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，OA和OB與電機(jī)相連，驅(qū)動電機(jī)。驅(qū)動芯片上的引腳5和引腳6接+5V的高電平，引腳1和引腳4接低電平。驅(qū)動芯片功能引腳如表1所示。

　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計電路的基礎(chǔ)上，根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行的程序設(shè)計，包括獲取A3144E采集的脈沖信號、脈沖計數(shù)、轉(zhuǎn)速顯示和按鍵對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制等部分。總體程序流程圖如圖3所示。根據(jù)圖2的硬件電路設(shè)計原理圖可知，單片機(jī)的外部中斷1工作在計數(shù)模式下，對霍爾傳感器獲取的脈沖計數(shù);定時/計數(shù)器T0工作在定時模式下，控制計數(shù)的時間。轉(zhuǎn)速值的計算公式如下：式中：n為轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分鐘;N為采樣時間內(nèi)脈沖，N=256*TH0+TL0;T為采樣時間，單位：分鐘;m為每轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。根據(jù)編程的原則，將轉(zhuǎn)速值分解為四位，分別顯示在數(shù)碼管上，通過單片機(jī)的P0口和P2.4，P2.5，P2.6，P2.7引腳分別控制字選和位選。電機(jī)驅(qū)動通過L9110S上的OA和OB控制。

　　5系統(tǒng)仿真與結(jié)論

　　上位機(jī)LabView的初始界面、低速、高速、全高速條件下，速度、平均速度及波形如圖4所示。啟動系統(tǒng)，連接硬件設(shè)備，測試三種轉(zhuǎn)速條件下，LabView軟件界面上所顯示的速度、平均速度和波形。由圖6可知，三組數(shù)據(jù)誤差也在正常范圍內(nèi)，說明此檔位下速度穩(wěn)定，外界干擾較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。由圖7可知，三組數(shù)據(jù)誤差超出正常范圍，說明此檔位下速度不穩(wěn)定，外界干擾較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可靠，此組數(shù)據(jù)結(jié)果應(yīng)該舍棄。綜上所述，該系統(tǒng)在低速和高速情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定，在全高速狀態(tài)下，系統(tǒng)受干擾較大。在以后的研究中，可以從如何減少系統(tǒng)的干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能下入手研究，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

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　　作者：龍彬 羅維平 陳璐露 單位：武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院

　　推薦閱讀：《電子機(jī)械工程》(雙月刊)創(chuàng)刊于1998年，由南京電子技術(shù)研究所、中國電子學(xué)會電子機(jī)械工程分會主辦。系中國電子學(xué)會電子機(jī)械工程分會會刊，它是全國唯一的一本電子機(jī)械結(jié)構(gòu)雜志，在全國電子機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)享有相當(dāng)高的聲譽(yù)。