基于AVR 微处理器的高精度转速测量装置研制

黄敦华， 季 君

（北京电子科技职业学院， 北京 100176）

0 引言

转速测量是电气传动控制系统中的重要环节， 尤其是单片微处理器速度快、功能强、价格低等优点，使全数字化的转速测量装置的精度与功能提升成为可能。 本设计采用了AVR 单片微机处理器作为核心控制器，改进了M/T 测速方法，提出了转速自动修正算法，使转速能从低速到高速自动平滑切换， 已应用到了转速测量的实际系统中。

1 转速测量硬件结构设计

转速测量硬件系统采用 “AVR 单片微机处理器+检测转换+转速显示+反馈保护”的技术方案，设计出了硬件电路结构图如图1 所示。

图1 转速测量硬件结构框图

核心控制器采用AVR 嵌入式单片微机处理器ATmega128，硬/软件资源优于其它型号单片机，高级C 语言编程，时钟频率高，指令运行速度快（一个时钟周期执行一条指令，而MSC-51 单片机或SOC 需要12 个时钟周期才能执行一条指令）。8 位低功耗的嵌入式微处理器，具有先进的指令及单周期指令执行时间， 使得数据吞吐率高达1M IPS/MHZ；具有128K 字节的可编程flash。 4K 字节EEPROM，4K 字节SRAM，53 个通用I/O 线，32 个通用寄存器， 实时时钟RTC，4 个比较模式和PWM 功能的定时器/计数器，8 通道10 位ADC 等，片内资源丰富。

其它硬件模块包括D/A 输出模块TLC5615、 显示模块MAX7219、光电隔离模块H11L1、高速光电耦合器、电源电路提供±12VDC、5VDC 的电压给硬件系统。

工作原理是：增量式光电编码器与交流电动机（或直流电动机）同轴安装，实时检测电动机的转速，并把电动机转速就地转换成正交脉冲A、B，A、B 通过光电隔离器送入ATmega128 核心控制器。 根据设计控制软件与算法转换成转速送MAX7219 进行显示；转换成0～±10V 进行电压反馈输出等功能。

2 转速测量软件功能设计

（1） 转速测量自动修正算法。 本设计采用M/T 法进行转速测量，光电编码器实时检测电动机转速，并把电动机转速转换成A、B 脉冲数，送入转速测量装置核心控制器，可同时得到高频脉冲的时钟个数，如图2 所示。 但在转速脉冲频率与高频脉冲时钟频率相差较大时， 误差也较大。 为了解决这个问题，本设计对M/T 法进行了改进。

图2 M/T 法波形图

假设光电编码器每转一圈输出600 个脉冲 （下面计为P），AVR 微处理器内部计数脉冲频率f（k）为1MHz，且在第k 个采样周期内。

光电编码器的输出脉冲的个数为M1（k），电动机实际转速为n（k），AVR 微处理器内部定时器计数值为M2（k），输出的电压信号为u（k）。

第k－1 个采样周期时刻转速为n（k－1），则可以采用如下递推公式计算当前转速：

M/T 法测速公式（1）进行改进后，转速测量自动修正算法表达式为：

从上述计算公式可以看出， 由于实时根据上一个采样周期测得的速度n（k－1）修正M1（k），所以可以采用一个计算公式（4）即可实现高速乃至低速的转速平滑测量；当速度低于16r/min 时，将M1（k）定为1/4，确保在甚低速时也可以高精度测量实际转速。

转速的极性取决于电动机的实际旋转方向， 当电动机逆时针为正方向（n（k）＞0），反之为负方向（n（k）≤0）。实际旋转方向可以通过比较增量式光电编码器的输出信号A、B 的相位关系确定： 当信号A 超前于信号B 时，表明电动机逆时针旋转；反之相反。

（2）转速测量软件设计。转速测量软件采用模块化程序结构的技术方案，采用C 语言设计出了“计数中断程序（定时器T1 对光电编码器输出的A、B 正交脉冲的两个边沿进行计数，产生每个输入脉冲序列的频率f）、定时中断程序（定时器T2 的周期寄存器设置一周期，开始对定时器T1 进行计数定时，当定时器T2 的周期到时，进入中断读出定时器T1 的计数器的数字）、 转速自动修正子程序、 转速显示子程序、 反馈电压输出子程序及保护子程序”等，主程序如图3 所示。

图3 主程序流程图

3 转速测量功能实现

研制的“高精度转速测量装置”集检测、转换、控制、显示、反馈功能于一体，通用于交流电动机和直流电动机的转速测量中（如图4 所示）；开发的嵌入式转速测量自动修正控制算法，能够根据当前的转速自动修正M1（k），即使转速变化较大时（2＜n（k）＜2000）转速输出刷新周期也能基本维持在20ms 不变，使转速自动平滑切换，并将转速信号变成与转速成正比的电压反馈信号输出；改进了传统的M/T 测速法，从而保证了在低成本下，完成0～±2000r/min 的高精度转速测量，克服了转速测量中的误差大的问题。

技术指标：转速测量范围1～±2000r/min，转速分辨率为1 转，输出电压分辨率为10mV，输出电压刷新速率为50 次/秒，反馈电压输出信号范围为0～±10V。 该转速测量装置具有检测时间短、测量精确度高、使用寿命长、通用性强等优点。

图4 高精度转速测量的现场应用

4 结束语

该转速测量装置涵盖了“AVR 单片微机处理器、 转速自动修正算法、 改进的M/T 法、光电隔离及液晶显示”等多种先进技术，集测量、转换、控制、显示及反馈功能于一体，实现了交、直流电动机的转速通用测量。 实际应用结果证明了该转速测量装置的通用性强，检测时间短，测量精确度高与技术先进的特点。