高精度便攜式轉(zhuǎn)速測量儀

王海峰(哈爾濱電工學(xué)院)

1  引言

隨著電機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，對電機(jī)轉(zhuǎn)速測量的精度和頻率響應(yīng)的要求越來越高^[1,2]。目前廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)速測量儀器高精度的測量很復(fù)雜，傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的安裝較困難，有時根本無法實(shí)現(xiàn)，而較簡單的測量方法又無法得到高精度的轉(zhuǎn)速測量值。為此設(shè)計一種簡便、快速、高精度便攜式的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量儀。

2測量原理

    為了實(shí)現(xiàn)高精度的測量，轉(zhuǎn)速傳感器選用光學(xué)編碼器，編碼器的轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，在編碼的信號輸出端將產(chǎn)生2400個矩形脈沖，通過對編碼器輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)和脈沖周期的測量，即可測得與編碼器同軸的電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速，可達(dá)到很高的測試精度。  很多的測量場合都為在線測量，在電機(jī)軸端安裝固定式傳感器不方便，所以考慮采用手持式，依靠編碼器傳動軸與被測電機(jī)軸端的摩擦實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的傳遞。為了避免編碼器振動與損壞，傳動軸與編碼器的連接采用軟連接方式。為了保證傳動軸端與被測電機(jī)軸端有足夠的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速測量準(zhǔn)確，為此設(shè)計了如圖1所示的軟連傳動裝置。

    采用圖1所示的軟連裝置，既可以保證測量的準(zhǔn)確性，又可以避免旋轉(zhuǎn)編碼器受力損壞，同時在使用中簡便易行，與MCS～96單片計算機(jī)可構(gòu)成完善的各種速度測量裝置，可廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制與制造領(lǐng)域。

3硬件組成

    本測量裝置由MCS一8098單片計算機(jī)、旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器、輸入整形電路和顯示電路構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    考慮到有些測量需保留整個測量過程的轉(zhuǎn)速值，數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)配置8K  E—PROM2764，8K RAM，MCS一8098為復(fù)用總線，用74LS373實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與地址低8位的分離，MCS一8098的ALE信號有效時，74LS373的輸出鎖定數(shù)據(jù)為地址總線的低8位。裝置的顯示部分由共陰極LED數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，74LS273八D鎖存器輸出鎖存字型碼，HS02～HSO5為MCS一8098高速輸出信號引腳，用其輸出數(shù)碼顯示位的選擇。

    電機(jī)轉(zhuǎn)速信號是由編碼器測出的，編碼器的輸出經(jīng)過整形電路后變成矩形脈沖。這一信號分別送入HSI_o和HSI_i，HSI為高速輸入引腳。HSI₀設(shè)置為計數(shù)工作方式，對轉(zhuǎn)速脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，HSI1設(shè)置為定時工作方式，對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)時間進(jìn)行定時及轉(zhuǎn)速脈沖的周期進(jìn)行測量，從而測得電機(jī)穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)的轉(zhuǎn)速值。

4軟件編制

    編碼器的輸出為一系列脈沖信號(見圖3)，其分度是非常精確的。對電機(jī)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的測量可以計數(shù)單位時間內(nèi)編碼器的輸出脈沖數(shù)。設(shè)在tc時間內(nèi)計數(shù)的脈沖數(shù)為N₁，則有下述算式：

     式(1)中n_c為被測電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。通常可以取定時時間t_c為1_s。設(shè)由MCS一8098的高速輸入引腳HSI_o．對編碼器的輸出脈沖計數(shù)，在計數(shù)的起始時刻啟動HSI。腳開始定時，定時1_s后引起中斷，并讀入HSI。腳輸入脈沖的計數(shù)值。經(jīng)過式(1)的運(yùn)算即可得出穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速值。電機(jī)穩(wěn)態(tài)速度測量軟件框圖如圖4所示。

    當(dāng)對被測電機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量時，考慮到編碼器的分度非常精確，為提高測量的頻率響應(yīng)可以測量編碼器輸出脈沖的一個脈沖的周期。通過運(yùn)算得出電機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速。設(shè)編碼器輸出脈沖的周期為t_c，則有電機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速n_v：

  在對電機(jī)的瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測量時，MCS一8098的HSI。引腳作為計數(shù)器輸入，且設(shè)定為上升沿有效，同時編碼器的輸出脈沖接至HSI1引腳。這一上升沿在計數(shù)有效的時刻觸發(fā)，使定時器開始定時，當(dāng)HSI。接收到下一個脈沖的上升沿時刻引起中斷，同時讀出定時時間值，即可計算出被測電機(jī)的瞬時轉(zhuǎn)速值。

5結(jié)語

該測量裝置操作簡便，測量準(zhǔn)確，采用光學(xué)編碼器為轉(zhuǎn)速傳感器，并設(shè)計為非固定安裝式，擴(kuò)大了裝置的使用范圍。該裝置可對各類電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速的快速測量，在電的科研與生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用價值.

參考文獻(xiàn)

1王宗培，陳敏祥，姜淑忠．可變步距角混合式步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)．電工電能