【摘　要】　闡述了一種利用INTEL8098單片機和旋轉(zhuǎn)式光電編碼器構(gòu)成的數(shù)字實時轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)途徑和軟件設(shè)計方法，對系統(tǒng)的性能作了分析和評估。
???? 關(guān)鍵詞：單片機，電動機，轉(zhuǎn)速測量

　　在工業(yè)過程實時控制中，轉(zhuǎn)速的檢測與控制常占很大比重，它對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差及動態(tài)響應(yīng)性能都有著至關(guān)重要的影響。對于此類應(yīng)用來講，一個在較大速度范圍內(nèi)具有高分辨率的快捷而準(zhǔn)確的測速系統(tǒng)是必不可少的。傳統(tǒng)的模擬式測速儀，由于受非線性、溫度變化和元件老化等因素的影響，使其在轉(zhuǎn)速檢測過程中很難滿足快速性和準(zhǔn)確性要求。為此，一種具有高性能的數(shù)字式測速器件——旋轉(zhuǎn)式光電編碼器便應(yīng)運而生，它可與計算機直接接口。
　　在以光電編碼器構(gòu)成的測速系統(tǒng)中，常用的測速方法有三種，分別為T法、M／T法和M法。T法是通過編碼器兩個相鄰脈沖的時間間隔來確定轉(zhuǎn)速的，很顯然，該方法適合速度比較低的場合，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，其準(zhǔn)確性較差。M法是利用一段固定的時間間隔內(nèi)的編碼脈沖數(shù)來確定轉(zhuǎn)速，其性能特點正好與T法相反，比較適于高速場合。而M／T法則是前兩種方法的結(jié)合，從而使得在整個速度范圍內(nèi)都有較好的準(zhǔn)確性。
　　總的看來，利用M／T法可獲得較高的檢測精度，但是對于低速，該方法需要較長的檢測時間才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，這樣就無法滿足一個轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)的快速動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)。本文提出一種基于微機控制的實時速度檢測系統(tǒng)以便在整個范圍內(nèi)都能滿足響應(yīng)的精度及動態(tài)響應(yīng)要求。

1　設(shè)計基本思想
?? 對于一個轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)來說，其關(guān)鍵在于能夠使其測速結(jié)果在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性和分辨率為最佳并滿足快速的動態(tài)響應(yīng)要求。為了達到這個目的，將速度范圍分為兩部分并分別采用兩種方式進行檢測。第一種方式（方式1）采用T法，對應(yīng)于高速段，其原理如圖1所示。

　　設(shè)時鐘頻率為f，編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，則對應(yīng)的實際轉(zhuǎn)速為：
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　　圖1中，Ts為采樣周期；Tn為編碼器輸出脈沖的周期；M2為Tn期間所計時鐘脈沖數(shù)。
　　第二種方式（方式2）對應(yīng)于低速段，采用M／T法，相應(yīng)原理如圖2所示。
??? 圖2中，M1為編碼脈沖數(shù)；M2為Td期間時鐘脈沖總數(shù)。實際轉(zhuǎn)速可用下式表示：
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2　硬件實現(xiàn)
　　計算機調(diào)速系統(tǒng)中大都采用光電編碼器來測量轉(zhuǎn)速，由于它的輸出為數(shù)字（脈沖）量，可以與計算機的接口直接相連。但是，光電編碼器在低速時輸出脈沖數(shù)很少，采用一般的計數(shù)方法很難保證準(zhǔn)確性。為此，除了采用前述的基本思路外，同時利用8098單片機的高速輸入口進行計數(shù)，以提高測速結(jié)果的精度。
2．1　8098單片機高速輸入口
　　8098單片機的高速輸入單元HIS有4個引腳，每個引腳都有事件觸發(fā)功能，可以檢測出事件的變化，而某一引腳上事件發(fā)生的間隔可由8098內(nèi)部的定時器1來捕獲。在具體的應(yīng)用中，這些特定的功能都可以通過8098相應(yīng)的控制寄存器來編程和控制，以事先設(shè)定好高速輸入單元HIS的事件形式。在本系統(tǒng)中利用定時器1來記錄兩個脈沖之間的時間間隔。
2．2　硬件組成
　　光電編碼器與電動機主軸直接聯(lián)接，從而使編碼器轉(zhuǎn)速與電機完全一致。為了提高測量精度和分辨率，本系統(tǒng)將編碼器的輸出脈沖進行了四倍頻。具體做法是：首先，利用一個外部邏輯接口電路將其二倍頻，然后作為8098內(nèi)部定時器2的輸入時鐘。由于8098的定時器2是一個上升沿和下降沿都觸發(fā)

的計數(shù)器，這樣，二倍頻的信號經(jīng)定時器2后就變?yōu)樗谋额l，從而簡化了硬件電路的設(shè)計。光電編碼器具有兩路輸出且相位互差90°，這使得二倍頻的實現(xiàn)尤為容易，只需異或。同時，在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時編碼器兩路信號的超前和滯后關(guān)系也不相同，因此將它們接到8098的高速輸入口，以進行正、反轉(zhuǎn)的判斷。相應(yīng)的硬件電路如圖3所示。
3　軟件設(shè)計
　　程序設(shè)計的關(guān)鍵在于：能夠在定時條件下及時進行兩種檢測方式的轉(zhuǎn)換，以減少對速度采樣的影響。對于此類問題，通常采用設(shè)置標(biāo)志的方法來實現(xiàn)。其程序流程如圖4所示。
4　性能分析
　　對于轉(zhuǎn)速檢測系統(tǒng)，其性能的好壞主要取決于準(zhǔn)確性和分辨率。而準(zhǔn)確性直接受到光電編碼器性能的影響，這是因為編碼器在制造過程中所形成的

分割誤差總是存在的。選用不同的方法應(yīng)盡可能減少因這種誤差所帶來的影響。在本系統(tǒng)中，對應(yīng)于方式2（M／T法）的準(zhǔn)確性可用下式表示：
　　A＝Ap／〔int（PNTt／60）＋1〕
其中，Ap為分割誤差。由于轉(zhuǎn)速檢測是在編碼器相鄰兩個脈沖的基礎(chǔ)上進行計算，與方式1（T法）相比，其分割誤差稍大一些，因此應(yīng)選用具有高精度的光電編碼器。
??? 檢測的分辨率是指當(dāng)時鐘計數(shù)器值M2每變化1時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量。本系統(tǒng)可采用下式表示：
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　　結(jié)果表明，M／T法可在整個低速范圍內(nèi)獲得高分辨率，M法在高速段分辨率較低，T法在低速段分辨率較低。而本系統(tǒng)采用M／T法和T法相結(jié)合，故可在全速范圍內(nèi)獲得高分辨率。
5　結(jié)束語
　　通過使用本文所述兩種檢測方法及相應(yīng)電路，可在不損失精度和分辨率的前提下獲得快速響應(yīng)。實驗表明，在使用1024脈沖／轉(zhuǎn)的光電測速器時，可獲得±0．03％的檢測精度，用于標(biāo)準(zhǔn)的電機驅(qū)動系統(tǒng)和自動調(diào)速系統(tǒng)，以獲得較好的控制精度。

　

1　Habibullah B，Singh H，Soo K L，Ong L C．A NewDigitalSpeedTransducer．IEEETransactions onIndustrial Electronics Contr．Instrum．，Vol．25：339～342