基于DSP的电梯限速器测试仪速度检定系统设计

崔　磊　崔　江　陈　未

(1.南京航空航天大学自动化学院，南京 210016；2.南京市计量监督检测院，南京 210037)

0　引言

在电梯限速器的生产和测量领域，测试仪是对电梯限速器进行校准和测试的标准仪器[1-4]，其核心控制器一般采用单片机完成[5-6]，其优点是成本较低，速度测量与控制都能满足测量的要求。测试仪主要用于检测电梯限速器的运行线速度或转速。经过一段时间的使用之后，测试仪的测量性能会有所下降，对于电梯限速器的转速测量准确度会有下降趋势。因此，测试仪的定期性能检定对计量部门而言是一个十分重要的任务。目前，市场上对于测试仪的研制较多，但是能够对测试仪检定的仪器不多。

本文探讨了在测试仪检定中对于速度进行检定的一种系统实现方法，其主要目的是能够产生和测量预先设定的目标转速，并用于和测试仪测量的转速进行比较，以评估电梯限速器测试仪的速度测量性能是否满足进一步使用的要求。本文讨论了该系统的硬件和软件实现，最后给出了系统的部分测量数据，验证了本方案的可行性。

1　硬件系统设计

电梯限速器测试仪速度检定系统主要由键盘管理电路、DSP、液晶显示模块(LCM)、DAC、无刷直流电机(BLDC)和电机控制器、光电编码器等组成。BLDC控制器采用24V直流供电，并将其逆变为BLDC电机所需的交流电压，电机转速为伺服控制，控制精度高(转速控制误差约1%)。整个硬件系统的结构框图如图1所示。

图1　硬件系统框图

1.1　键盘管理电路和LCD显示

这部分是速度参数设定部分和显示部分(即人机接口电路)。DSP控制器根据通过键盘设置的转速大小控制电机的转速，并将测到的转速值的大小在LCM上显示(此处采用分辨率为128×64的点阵式汉字液晶显示模块)。

1.2　DSP控制器

硬件系统的核心控制器选用美国TI的TMS320LF2407A控制器[7]。该DSP控制器具有控制精度高(字长16位)，实时性好(单周期指令最快25ns)，功能强(包括事件管理器和丰富的外设资源)，低功耗(供电电源3.3V)等优点。DSP控制器作为装置的核心器件，主要的功能是控制外围电路，根据设定的转速值大小来控制电机的转动，并对采集到的数据进行计算和处理。

1.3　DA转换器及信号调理电路

在本系统的设计中，采用了无刷直流电机及其控制器作为速度的动力产生装置。此处，电机的速度控制需要一个模拟电压(调速电压：0～5V，速度范围：1～3200r/min)。此处的DAC选用串行的数/模转换器MAX5121[8]，与DSP的SPI(串行外设接口)接口连接。本系统中选择的DAC具有12位的分辨率，转换速率快，且线性度好。

经过DAC转换得到的电压，不能直接送给电机控制器，必须先经过信号调理。调理电路电路图如图2所示，其中DA_out是数/模转换器转换得到的电压，经过前一个运算放大器MA时进行电压的大小调整，后一个运算放大器MA1起到电气隔离和缓冲的作用。mc_avi是经过调理电路后得到的电压。R1、R2是设计该调理电路放大倍数时两个不可缺少的电阻参数，使得产生电压mc_avi在0～5V之间。

图2　数/模转换信号的调理电路

1.4　光电编码器

在本文中，电机的转速测量采用2000线旋转编码器实现，其测量精度高，抗磁干扰性能好，响应速度快。电机在转动过程中，编码器会输出A、B、Z三路信号，其中A和B是两路正交的脉冲信号，Z是方向信号，对编码器产生的一路信号进行处理就能够计算得到电机的转速。

1.5　转速信号调理电路

电机转动时，光电编码器会产生相应的转速脉冲信号，产生的信号不能直接送给DSP进行处理，必须先经过脉冲信号的调理电路，否则产生的脉冲信号由于电压过高可能会烧毁DSP，同时产生的信号由于毛刺影响转速的测量精度。转速信号的调理电路十分简单，采用74LS14施密特反相器进行两级缓冲即可。

2　软件设计

软件采用汇编语言编写，包括初始化、转速参数的人机接口输入、速度控制(即数模转换)、转速采集和显示等。

初始化程序包括系统初始化、时间管理器初始化、SPI初始化、外设初始化等。系统初始化设置系统倍频在40MHz，这样可以实时计算后续的速度等参数；事件管理器初始化主要包括定时器、计数器设置等；SPI初始化主要设置DSP与MAX5121器件之间的高速串行通信配置[7-8]；外设初始化包括对LCM的DSP输入输出(I/O)控制等信息。下面给出一段SPI程序代码，用于对SPI进行初始化设置。

SPLK #004FH,SPICCR;下降沿发送数据，一次数据发送16位

SPLK #06H,SPICTL;SPI禁止中断，使能主机模式，主机工作下允许发送;

SPLK #07H,SPIBRR;SPI的波特率是5Mb/s

LDP #DP_PF2

LACL MCRB

AND #0H

OR#001CH

SACL MCRB;设置通用引脚为SPI功能

…

速度控制主要借助于对MAX5121的参数输入确定，该器件通过接收DSP发出的串行输入数字量，输出一个对应的模拟电压。在普通单片机的转速测量中，一般采用M/T法配合进行速度的测量。而在本系统中，由于旋转编码器旋转一周能够输出2000个脉冲信号，考虑到电机的最小转速为60r/min，故此处采用了计数法进行测量，简化了程序设计。另外，在进行速度测量中，采用了定时计数方法，即定时一定的时间，然后计算该段时间内的脉冲个数。经过试验发现，定时10ms足够满足速度的计算要求。另外，针对电机在控制中速度有一定的波动，采用了数字滤波方法，即计算多次速度值大小并取中值滤波方法加以计算。

3　测试结果分析与讨论

速度检定是电梯限速器测试仪检定中的一项重要内容。而速度检定的主要核心为转速，表1给出了本系统在设定的目标转速(假设为b)下的转速测量值(假设为a)。以及与标准转速表(型号：SHIMPO DT-207L，准确度0.2级)的测量值(假设为c)比对。

表1　测量转速、标准转速表(0.2级准确度)的测量结果

在表1中，给出了转速测量的相对误差δ，该指标利用0.2级标准转速表的值作为标准，该误差的定义如下：

δ=|a-c|/c×100%

另外，给出了电机速度的控制误差β，该指标是利用人机接口输入的转速值作为标准量，其定义如下：

β=|a-b|/b×100%

从表1可以看出，本系统的整机电机速度控制误差范围在5%以内(除第一个误差值较大)，影响该误差的因素主要是由直流电机控制器决定(接近1%控制准确度)；其次，DAC信号调理电路中的运放信号漂移也会影响这个误差值的大小。由于速度检定主要考虑系统对速度的测量准确度，本系统的速度测量准确度与标准转速表相比已经十分接近，可以认为本系统的测量准确度十分接近0.2级计量表的准确度，完全可以检定普通电梯限速器测试仪的速度(一般测量准确度1%左右)。

4　结论

设计了一个基于DSP系统的电梯限速器测试仪的速度检定系统，该系统可以根据设置产生所需的转速，并测量该转速的实际大小，测量准确度接近0.2级转速表的性能。

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