电机速度变化跟踪仪的设计与制作

许维革 王名杰

(烟台职业学院机械工程系1，山东 烟台 264670;烟台职业学院电气工程系2，山东 烟台 264670)

0 引言

为了准确研究速度控制系统的稳态性能和动态性能，最方便和直接的方法是通过速度控制系统的性能曲线来研究，但是要获得速度控制系统的实际性能曲线是比较困难的，为此研制了电机速度变化跟踪仪。该跟踪仪的工作原理是记录载体做恒速运动，在与之垂直方向上有一个记录笔在记录载体上画出曲线。该曲线就是速度控制系统实际速度的变化曲线。

1 系统的结构组成

速度控制系统主要由两部分组成，一是做恒速运动的记录载体控制系统，二是跟随速度控制系统速度变化做跟随运动的记录笔随动控制系统［1］。恒速运行的记录载体控制系统由AC/DC电源转换器［2］、无刷直流电动机驱动器、无刷直流电动机［3］、恒速运行记录载体和无刷直流电动机转子位置检测开关等部分组成;记录笔随动控制系统由被测系统速度给定信号、被测系统电动机的速度反馈信号、数字P调节器、判断电机旋转方向的逻辑控制电路、直流电动机驱动电路、直流电动机、记录笔机械手和正反向限位保护电路等组成。电机速度变化跟踪仪的结构框图如图1所示。

图1 电机速度变化跟踪仪结构框图Fig.1 Structure of the tracking instrument for motor speed variation

2 恒速运行的记录载体控制系统

恒速运行的记录载体控制系统的AC/DC直流电源由一台单相C型变压器、二极管组成的单相桥式整流电路和电容器滤波电路组成。为了提高系统的AC/DC转换效率、减少设备的体积，系统采用高效单相C型变压器作为交流电压变换器。AC/DC直流电源为记录载体的给定速度信号和无刷直流电动机驱动电路提供直流电源，无刷直流电动机驱动电路采用PWM控制方式驱动无刷直流电动机［4］，无刷直流电动机的位置检测通过霍尔传感器实现［5］。恒速运行记录载体控制系统的结构框图如图2所示。

图2 恒速运行的记录载体控制系统结构图Fig.2 Structure of the control system of recording carrier in constant speed movement

霍尔元件是一种较为常用的磁敏元件，在霍尔元件的输入端通以控制电流，当霍尔元件受外磁场作用时，其输出端便有电势信号输出;当没有外界磁场作用时，其输出端无电势信号。通常把霍尔元件嵌在定子电枢铁心的表面，根据霍尔元件输出的信号便可判断转子的磁极位置，将信号放大整形后便可作为无换向器电动机驱动电路的参考信号。由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它是对模拟量进行检测，输出为模拟量。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成，它是对数字量进行检测输出为数字量。由于对转子位置的检测，属于数字量检测，因此，采用开关型霍尔传感器作为位置检测元件。

恒速运行记录载体通常根据需要可以采用相应的载体，如质量较好的白板纸和可视性较好的传输带。无刷直流电动机驱动器根据预定的速度输出控制信号。该控制信号控制无刷直流电动机旋转，无刷直流电动机通过同步带轮和同步带带动记录载体做环形恒速旋转。

3 记录笔随动控制系统

记录笔随动控制系统的结构框图如图3所示。

图3 记录笔机械手随动控制系统的结构框图Fig.3 Structure of the recording pen manipulator servo control system

由图3可以看出，记录笔随动控制系统由被测系统的给定信号、被测系统的反馈信号、STC90C58RD+单片机系统、6位液晶显示器［6］和按键、永磁式直流电机PWM驱动器、永磁式直流电动机、机械传动机构、往复运动软体记录笔和正反向极限限位开关等部分组成。

3.1 系统的工作原理

记录笔随动控制系统首先将被测系统的给定信号进行高频滤波，然后经过一个电位器选取合适的电压范围即0～5 V;同理被测系统的速度反馈信号进行高频滤波后，经过一个电位器选取合适的电压范围即－5 V ～ 0，分别送入 STC90C58RD+单片机的 P1.0、P1.1管脚进行A/D变换。将被测系统给定信号和被测系统反馈信号的模拟量转换为数字信号存储在STC90C58RD+单片机内，STC90C58RD+单片机将获得的数字信号通过6位液晶显示器进行显示，通过按键将系统的各种极限值输入并保存在EEPROM中。STC90C58RD+单片机通过计算输出控制信号并加到永磁式直流电机PWM驱动器［7］的输入端，作为永磁式直流电机PWM驱动器的输入信号。永磁式直流电机PWM驱动器根据输入信号的大小和方向，输出相应的PWM驱动信号。PWM驱动信号加在永磁式直流电机两端，控制永磁式直流电机的旋转方向和旋转速度。永磁式直流电机的旋转方向和旋转速度通过机械传动机构带动软体记录笔做往复的跟随运动，在记录载体上留下被测系统的速度变化轨迹。该速度变化轨迹就是速度控制系统的动态性能曲线，其为改进系统性能提供了真实的参考依据。为了使软体记录笔在规定范围内运动，在软体记录笔的两端分别采用电磁式感应传感器［8］作为极限保护开关。

3.2 STC90C58RD+单片机

宏晶STC90C58RD+单片机是宏晶科技采用第七代加密技术，具有加密性强、很难解密或破解的一种单片机。STC90C58RD+单片机与8051单片机的软件技术完全兼容，方便应用。另外STC90C58RD+单片机具有如下特点:①抗干扰能力和抗静电(ESD保护)能力强，如对于2 kV/4 kV快速脉冲干扰具有抑制能力;②单片机内部的电源供电系统经过特殊处理，允许较宽的电源电压(3.8～5.5 V)，不怕电源抖动;③对环境温度适应性强(－40～85℃);④I/O口经过特殊处理，即 P1、P2、P3和P4都加有弱上拉电阻，在单片机复位后是准双向口;⑤单片机内部的复位电路经过特殊处理，内部集成MAX810专用复位电路，如单片机采用外部晶体的频率在12 MHz以下时，可以省去外部复位电路，简化了单片机系统的外围器件，提高了系统的可靠性;⑥单片机内部的时钟电路经过特殊处理，具有6时钟为一个机器周期和12时钟为一个机器周期两种选择，使用更加灵活;⑦具有8路10位A/D转化器，集成度比较高;⑧具有32 kB Flash程序存储器和29 kB EEPROM存储器;⑨具有在系统可编程(in-system programmability，ISP)和在应用可编程(in-application programmability，IAP)，无需采用专用的编程器和仿真器进行用户程序的下载，可通过串口(P3.0和 P3.1)直接下载用户程序，下载速度快，对于用户8 kB的程序仅用3～5 s就可以下载完毕;⑩有3种方法可以降低单片机系统对外部电磁辐射的措施，即可以禁止ALE输出、采用6时钟一个机器周期的时钟电路和单片机时钟振荡器增益设为1或2;○11具有多种工作模式，它们分别是掉电工作模式(此时芯片典型电流＜0.1 μA)、空闲模式(此时芯片典型电流为2 mA)和正常工作模式(此时芯片典型电流为4～7 mA)，另外掉电模式可由外部中断唤醒，适用于电池供电系统。

针对系统应用，现对STC90C58RD+单片机的部分管脚功能作简要说明。管脚1(ADC0/T2/P1.0)具有3种功能:①作为A/D转换器的输入端;②作为定时器/计数器2的输入端;③标准的I/O口。管脚2(ADC1/T2EX/P1.1)具有3种功能:①作为A/D转换器的输入端;②作为定时器/计数器2的外部标志(该引脚的外部信号由0→1或者1→0都将影响到定时器/计数器2的工作状态);③标准的I/O口。管脚7(ADC6/RXD/P1.6)、管脚 8(ADC7/TXD/P1.7)具有 3 种功能:①作为A/D转换器的输入端;②作为串行口使用;③标准的I/O口。该单片机除了具有8051的标准串行口外，还可以通过系统设置改变串行口的输入端，即由原来的管脚10(RXD/P3.0)和管脚 11(TXD/P3.1)实现改为管脚 7(ADC6/RXD/P1.6)和管脚 8(ADC7/TXD/P1.7)实现，方便实现在系统可编程(ISP)和在应用可编程(IAP)。

4 系统的软件设计

STC90C58RD+单片机控制系统的软件设计流程图如图4 所示［9］。

图4 STC90C58RD+单片机控制系统的软件设计主流程图Fig.4 Main flowchart of STC90C58RD+SCM system software design

系统首先进行系统的初始化处理，通过6位液晶显示器显示各种信息，然后判断信号键值。若为输入信号限幅值［10］按键，则通过输入信号限幅值子程序存储输入信号限幅值。若为反馈信号限幅值按键，则通过反馈信号限幅值子程序存储反馈信号限幅值。若为输出信号限幅值按键，则通过输出信号限幅值子程序存储输入信号限幅值。若限幅值没有全部设定，则继续进行限幅值设定，如果全部设定完毕，则判断是否是放大倍数按键，如果不是，则继续等待;如果是，存储放大倍数A值。然后判断是否有输入信号输入，若没有，则转到等待，直到有输入信号输入。判断输入信号Ug值是否超过限幅值，超过则重新采样，若没有超过则存储输入信号值。接着判断是否有反馈信号输入，若没有则转到等待，直到有反馈信号输入并判断反馈信号Uf值是否超过限幅值，超过则重新采样，若没有超过则存储反馈信号值。计算(Ug－Uf)A的值，并根据(Ug－Uf)A的值产生相应的PWM信号，同时判断其幅值是否超过输出限幅值，若超过则重新计算，若没有超过则输出PWM［11］信号到永磁式直流电机PWM驱动器。

5 结束语

电机速度变化跟踪仪是一种非常直观的检测仪器，它将难以理解的抽象概念“速度变化”转变为人们看得见、摸得着的速度变化曲线，从而增加了人们对“速度变化”的感性认识，为快速直观获得电机速度控制系统的性能曲线提供了方便。

电机速度变化跟踪仪具有以下的特点:①能够非常直观地观测出被测系统动态性能变化，为研究被测系统的动态性能提供了可靠依据，避免了为研究系统的动态性能而进行的大量计算;②结构简单、可靠性高、使用灵活方便、应用范围广;③记录笔随动控制系统数字调节器采用宏晶STC90C58RD+单片机构成最小系统来实现，具有加密性强、不易被破解等优点，有利于知识产权的保护;④系统的动力电机采用节能电动机，系统能耗低。电机速度变化跟踪仪已在实验室使用近1年时间，性能稳定可靠。

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