基于单片机的电机转速测量系统

兰州交通大学

毕业设计文献综述

题目：基于单片机的电机转速测量系统

Title:Motor speed measuring system based on single chip

microcomputer

姓名：韦宝芸

学号：201203563

班级：机设1202班

摘要

本文首先叙述了单片机测量转速的系统构成及转速测量的几种常用方法，分析了相应方法在测量上的特点、误差和计算。其次，针对特定的应用环境，设计出一种基于 80C51单片机的全数字式测速系统，详细阐述了系统的工作原理，指出产生误差的可能原因，并给出了具体解决的方法；根据系统要求编制了源程序，分析其工作流程。最后，对构建的系统利用仿真机进行调试，对测量指标进行了分析、比较并提出改进方案。

关键词：单片机、转速、测量精度

Abstract

This paper first discussed some ways for rotary speed measure. It analyzed characters and errors of these ways. Second, it designed full digital measure system based on a Single-Chip Microprocessor(80C51) responding to special application, stated the working theory of the system and the methods to solve the errors, writed the working programmes by A51 assemble language. Finally, this system implementation was confirmed by using of Keil-51 simulator. The characters on the error margin and accuracy was summarized.

Keywords : Single-Chip Microprocessor、rotary speed 、measureprecision Keil-51

引言

0、单片机测控系统

单片机可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。在这个领域中，有不少是采用通用CPU单板机或通用计算机系统。随着单片机技术的发展，大部分都可以用单片机系统或单片机加通用机系统来代替。如气轮机电液调节系统、调速系统等。典型的应用系统是单片机要完成工业测控功能所必须具备的硬件结构系统，它包括系统扩展和系统配置两部分内容。整个系统由基本部分和测控增强部分及外设增强部分构成。基本部分是外围芯片的扩展及功能键盘、显示器配置，通过总线连接而成，测控增强部分主要是传感器接口与伺服驱动控制接口。它们直接与工业现场相连，是干扰进入的主要通道，一般要采取隔离措施。

对于数字量（频率、周期、相位、计数）的采集后可通过 I/O 口输入，数字脉冲可直接作为计数输入、测试输入、I/O 口输入或中断源输入进行事件计数定时计数、实现脉冲的频率、相位及计数测量。对于模拟量的采集，则应通过 A/D 变换后送入总线口，I/O 口或扩展 I/O 口，并配以相应的 A/D 转换控制信号及地址线。对于开关量的采集则一般通过 I/O 口或扩展 I/O口线。应用系统可根据任何一种输入条件或内部运行结果进行输出控制。开关量输出控制有时序开关、逻辑开关、信号开关阵列等，通常，这些开关量也是通过 I/O 口或扩展 I/O 口输出。模拟量的输出常为伺服驱动控制，控制输出通过 D/A 变换后送入伺服驱动电路。

1、转速测量在国民经济中的应用

转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。下面列举二例加以说明。

1.1、 转速测量在调速系统中的应用

直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广范围内平滑调速，所以长期以来在要求调速指标较高的场合获得了广泛应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，其变频调速的应用范围日益扩大，但它的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较高，在某些领域短时间内还难以取直流调速系统，调速系统便应运而生了。调速系统主电路线路简单，所用的功率元件少；开关频率高，可达到 1000～4000ＨZ，电流易连续，谐波少，脉动小，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳态精度高，因而调速范围宽；调速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；直流电源采用三相整流时，电网功率因数高，可广泛用于交通、工矿企业等电力传动系统中。

转速测量部分

本测量系统采用 89C51 单片机控制，利用霍尔元件由转速产生的脉冲，对转速进行测量，转速由单片机的 P0 口输出，同时当电机转速超过设定值时，通过单片机的Ｐ1 口输出信号，驱动响铃报警。性能特点：

（1）89C51 配合晶体管的双极式可逆 PWM 变换器构成直流电机驱动系统，可获得高性能的调速性能指标

（2）直流电机驱动系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，加之采用硬软件结合的微机控制方式，提高了系统的可靠性和抗干扰。

（3）转速测量系统采用软件实现，动态显示容易，超限报警方便，提高了系统的灵活性。

（4）由变换器构成直流电机驱动系统，可有效克服以往的直流调速中的谐波大、功率因数低的问题，是一种节能的调速方案。

1.2、 变M/T法在风力发电机并网控制中的应用

发电机叶轮吸收的功率，一部分用来克服叶轮旋转的阻力矩，其余部分转变为电能。叶轮通过硬质齿面增速齿轮箱带动4极200kW异步发电机。主叶轮转速达到 40rpm时：发电机转速达到同步转速，应并入电网发电，发电机转速低于同步转速时应脱离电网。对合闸时具有大电流冲击特性的异步发电机来说，除采用软切入并网技术外，还应满足在同步转速点切入的严格要求。自然界的风速风

向变化是难以预测的随机变量，加上叶轮转动时的巨大惯量和强电磁干扰。因此，风力发电机的安全并/脱电网是风机控制的关键技术。自动并/脱电网的主要根据是发电机的实时转速，采用准确、快速的转速测量方法尤为重要。用变M/T法测速以4个转速计数脉冲(m1=4)为一个测算周期。在风力发电机并入电网控制中，变M/T法能够较好地满足并网对发电机转速的精度要求。同时，随着电机转速不断的提高，4个转速脉冲之间的时间总和相应减少，测算周期也相也就是应缩短，这也正好满足发电机并网时对转速测量快速性的要求。有效地防止了在高风速起动时，风机因超过并网而飞车造成的并网失败。

2、转速测量方法概述

转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计数式方法是用某种方式读出一定时间内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量的变化；同步式是利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速，根据不同的转换方式，一般的转速测试可用机械式转速表、发电机式转速表以及频闪式测速表，但在有些情况下，其测量精度，瞬时稳定度不能满足更高的要求，因此，在测量方法和传感器的选择上显得尤为重要。常用的传感器种类有光电传感器、电磁式传感器、电容式传感器等，而测量方法上有测量转速周期、转速频率等。

就转速测量原理而言，大体可分为三大类，一是用单位时间内测得物体的旋转角度来计算速度，例如在单位时间内，累计转速传感器发出的N个脉冲，即为该单位时间的速度。这种以测量频率来实现测量转速的方法，称测频法。即“M”法；另一类是在给定的角位移距离内，通过测量这一角位移的时间来进行测速的方法，称测周法，即“T”法，如给定的角位移?θ，传感器便发出一个电脉冲周期，以晶体震荡频率而产生的标准脉冲来度量这一周期时间，再经换算可得转速。这两种测速方法各有优缺点，“M”法一般用于高速测量，在转速较低时，测量误差较大，而且，检测装置对转速分辨能力也变差；而“T”法一般用于低速测量，速度越低测量精度越高，但在测量高转速时，误差较大；结合这两种测量方法就可以地出第三种测量方法，即‘M/T’法结合这两种方法的优点，一方面

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