电动机转速测量系统设计
[摘要] 采用基于VC++的上位机软件作为转速测量平台，下位机采用ATmega8单片机作为控制核心，用直流电动机作为受控对象。转速由增量式编码器测得，用PWM的方法控制电动机，电动机转速数据通过RS232接口实时传送到上位机。上位机软件可将转速数据绘成曲线图，通过曲线图可测量电动机在不同时刻的转速。
[关键词] 电动机转速测量VC++
电动机转速测量系统设计，采用ATmega8单片机作为控制核心，用自带增量式编码器测速的直流电动机作为受控对象，转速信号反馈到单片机，并充分利用单片机内部的PWM调制器控制直流电动机的转速，同时将电动机转速实时传送到上位机，基于VC++的电动机转速测量系统分析平台以曲线图形式将电动机转速变化情况直观地呈现在上位机软件平台上。通过软件平台上的刻度尺，可直接读取电动机的实时转速并可储存测量的转速数据。
1.转速测量系统方案
电动机转速测量系统的方案组成框图如图1所示。
ATmega8单片机为控制核心，通过其片内PWM调制器产生控制电动机的PWM信号，经过功率放大电路放大后驱动直流电动机，增量式编码器用于采集直流电动机的转速信号，转换为TTL电平后反馈到单片机，单片机对反馈的数据进行处理后，通过RS232接口将采集到的电动机转速数据实时发送到上位机，基于VC++编程开发的“电动机转速测量分析平台”不断接收来自单片机发来的转速数据，并将之绘成曲线图，使电动机的转速变化一目了然。
系统中的直流电动机选用的是Sankyo生产的直流电动机，该电动机额定电压为12 V、额定电流为0.05 A,、额定转速为1 500 rpm，该电动机还自带增量式编码器，输出频率为60 ppr，其频率与电动机的转速成比例关系，编码器输出为TTL电平方波信号，可直接作为单片机计数器的触发信号，测量编码器输出信号的频率即可获得电动机的转速数据。
电动机的转速数据通过RS232接口传输到上位机，电动机转速测量分析平台接收到单片机传送的电动机转速数据后，将之绘成曲线，从界面上的坐标刻度可测量出某一时刻的电动机转速值。
图1 电动机转速测量系统方案组成框图
2.转速测量系统硬件设计
电动机转速测量系统的硬件电路包括：单片机控制电路、直流电动机驱动电
路。
单片机最小系统电路选用AVR单片机中的ATmega8作为系统控制核心，ATmega8为高性能、低功耗的8位AVR微处理器，其内部集成了两个具有独立预分频器8位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器[2]。利用ATmega8的1个8位定时器/计数器对转速TTL方波信号进行计数从而计算出电动机的实时转速，用16位定时器/计数器的相位频率可调PWM模式实现电动机的调速。
直流电动机的驱动电路采用功率集成电路L293D。L293D是功率驱动器，其输出电流可达600 mA、最大峰值电流为1.2 A、最高工作电压为36 V，可以驱动感性负载，如小型直流电动机、继电器、步进电动机、开关电源的大功率晶体管等。
单片机控制电路和直流电动机驱动电路分别如图2、图3所示。
图2 单片机控制电路
图3直流电动机驱动电路
3.转速测量系统软件设计
电动机转速测量系统的软件设计内容包括下位机测控程序设计和上位机软件界面的程序设计。
3.1 下位机测控程序设计
直流电动机的转速范围设计为1 000±30% rpm，即700~1 300 rpm。电动机产生的转速信号频率为700~1 300 Hz，对应的转速信号周期为1428~769 μs。由于该信号的频率比较低，转速测量时间又很短，为了达到一定的测量分辨率和精度，必须采用信号周期测量法。
在转速信号的一个周期内，对单片机内部8 MHz脉冲进行计数，计数结果为 N ，用式（1）即可计算出电动机的转速 n 。转速测量可分辨到1 rpm。
（1）
在转速测量程序中还对采样数据进行了数字滤波，目的是缩小采集数据的误差。当采集10次计数值 N 后，先用冒泡法进行排序，再去掉最大值和最小值，最后取余下数据的平均值作为 N 的测量值。
测控程序承担控制调节PWM占空比以直流电动机的转速、检测电动机转速、计算转速误差、传输转速数据到上位机等任务。
3.2 上位机程序的设计
上位机采用VC++6.0编写，电动机闭环控制特性分析平台界面如图4所示。
图4 电动机闭环控制特性分析平台
分析平台主要分为两部分：菜单栏、绘图区。菜单栏包括开始测速、停止测量、重新测量、保存图形、数据查询、数据查询与速度设置等五个菜单项；绘图区用于将转速数据绘成曲线图，横坐标为时间，每小刻度为0.1 s，纵坐标为转速，每小刻度为20 rpm，在进行测速并绘制曲线时，在绘图区左上方有实际速度、设置速度、速度误差等数字量直接显示。
4.转速测量系统的调试与运行
经过对系统的硬件电路、程序代码、PWM频率、上位机软件的调试和反复试验，电动机转速测量系统下位机能够正常、稳定地工作，上位机能实现转速的曲线绘制、保存和查询。
当系统正常运行时，测得的电动机转速测量分析平台绘出的曲线如图4所示。
从图中可以看出，2分11秒时刻，发送“电动机转速降低10%”命令，电动机转速经振荡后逐渐趋于稳定，通过该曲线图，可直接读出实时转速误差。保存图形后，可供日后查询并分析电动机的运转情况。
在调试过程中，结合电动机的电气时间常数，测定了电动机合适的PWM控制频率（1.5 KHz为佳）。在所设计的直流电动机正常工作转速范围内，测试了电动机的转速稳态误差，电动机的转速稳态精度≤2.0%。
5.结论
电动机转速测量系统设计经测试，电动机能实现较精确的控制，单片机能准确采集到电动机的转速信号。同时，上位机软件能与下位机实现数据通信，并在其绘图区绘制出电动机转速的曲线图，通过界面上的刻度直接读出电动机的转速并直观显示出实际速度、设置速度、速度误差等数据。
参考文献：
[1]董景新，赵长德，熊沈蜀等. 控制工程基础[M].北京:清华大学出版社，2003.
[2]ATMEL 8-bit with 8K Bytes In-System Programmable Flash ATmega8 ATmega8L[M].ATMEL Corporation 2003.