CN100480704C - 一种高精度宽范围的测速方法及电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度、宽范围测速方法和电路，方法微当被测系统中的电机转速低于临界转速，测量N个完整电机脉冲所用时间，算出电机转速为ω₁，当被测系统中的电机转速高于临界转速，测量采样时间内电机脉冲个数，算出电机转速ω₂。采用计数器、触发器、反相器、模拟开关、微处理器组成的数字电路，解决易受外界干扰的问题，采用相对误差相等的临界转速，使得被测系统测量精度提高，解决了被测系统的不能从低速到高速连续测量问题。被测系统易出现中断阻塞，采用模拟开关，可以在两次中断中开启和关闭微处理器的定时器，实现多个电机脉冲周期的精确计时，克服被测系统中断阻塞的不足。本发明适用机电控制过程中需要在宽范围内精确测量电机转速的场合。

Description

一种高精度宽范围的测速方法及电路

技术领域

本发明属于机电控制领域，涉及一种高精度、宽范围测速电路。

背景技术

在工程实践中，经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验运转和控制中，常需要分时或连续测量、显示其转速或瞬时转速。为了能精确地测量转速，还要保证测量的实时性，要求能测得瞬时转速，随着微型计算机的广泛应用，特别是高性能/价格比的微处理器的涌现，转速测量普遍采用了以微处理器为核心的数字法，智能化微电脑式代替了一般机械式或模拟量结构。目前，常用的数字式转速测量方法主要有三种，分别是M法(频率法)、T法(周期法)和M/T法(频率/周期法)。M法是在既定的检测时间内，测量所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速，适合于高速测量；T法是测量相邻两个转速脉冲信号的时间来测定转速，适合于低速测量；M/T法是同时测量检测时间和在此时间内的转速脉冲信号的个数来确定转速，该种方法既能适合高速测量，也能适合低速测量，但在速度精度要求特别高的场合，如高精度飞轮控制方面也无能为力。由于传统测量方法例如用触发器来实现计数器计数功能具有电路复杂、容易受外界干扰；而单纯采用82C53计数器，则由于82C53计数器打入计数初值需要外界被测脉冲的一个上升沿和紧随其后的一个下降沿才能实现，从而导致82C53计数器在计数时容易出现多记一个电机脉冲或者少记一个电机脉冲的情况，降低系统的测量精度；例如《电脑学习》(1999年4月第2期37页)所述的“采用8253定时器实现转速测量的方法”，只能实现对单个电机脉冲周期的计数，当电机转速相对提高时，则会降低测速精度；如果采用微处理器中断方式实现对N个完整电机脉冲的计数，则会出现中断阻塞，影响微处理器正常工作，所以上述技术不能实现对电机转速进行高精度、宽范围的测量。

发明内容

为了解决上述背景技术容易受外界干扰、测量精度低、记多个电机脉冲周期系统易出现中断阻塞、被测系统的不能从低速到高速连续测量的问题，本发明的目的是克服现有电机测速技术方面的不足，提供一种既能测量低速，又能测量高速的高精度、宽范围的测速电路。

本发明的方法：

当被测系统中的电机转速低于临界转速ω，测量n₂个完整电机脉冲所用时间T₁，算出电机转速为ω₁为： ${\mathrm{\ω}}_1=60\·n_2/(2^{n_1}\·T1),$ 其中电机端部码盘为n₁位，所记的完整电机脉冲个数为n₂，所用时间为T₁；

当被测系统中的电机转速高于临界转速ω，测量采样时间ΔT₁内电机脉冲个数，算出电机转速ω₂为： ${\mathrm{\ω}}_2=60\·n_3/(2^{n_1}\·{\mathrm{\ΔT}}_1),$ 其中电机端部码盘为n₁位，采样时间为ΔT₁，电机脉冲个数为n₃。

所述临界转速ω是根据被测系统低速阶段测量相对误差与高速阶段测量相对误差相等来求取的速度。

在低速阶段，利用高频晶振对被测系统电机脉冲个数计时，低速时的相对误差ε₁为：

${\mathrm{\ϵ}}_1={\mathrm{\ω}}_1\·2^{n_1}/{60n}_2\·n_4\×{10}^6$

其中电机转速为ω₁，电机端部码盘为n₁位，所记的完整电机脉冲个数为n₂，定时器的时钟频率为n₄。

在高速阶段的采样时间内，对被测系统测量电机脉冲个数计数，则高速时的相对误差ε₂为：

${\mathrm{\ϵ}}_2=60/2^{n_1}\×{\mathrm{\ω}}_2\×{\mathrm{\ΔT}}_1$

其中电机转速为ω₂，电机端部码盘为n₁位，采样时间为ΔT₁。

根据电机端部码盘为n₁位，低速测量时所记的完整电机脉冲个数为n₂，定时器的时钟频率为n₄，高速测量时的采样时间为ΔT₁，得到临界转速ω为：

$\mathrm{\ω}=\frac{60\×{10}^3}{2^{n_1}}\·\sqrt{\frac{n_2\·n_4}{{\mathrm{\ΔT}}_1}}.$

本发明的测速电路包括：计数器、触发器、反相器、模拟开关、微处理器，计数器的第一门控端分别与触发器第一输出端Q、第二清零端相连，计数器的第一输出端与反相器的第二输入端相连，微处理器的外中断端分别与反相器的第二输出端、第三输出端相连，用于实现微处理器对外部中断信号的响应；计数器的时钟端和电机脉冲信号端相连，用于实现对电机脉冲上升沿及紧随其后的下降沿的捕捉；计数器的第二输出端接地，计数器的第二门控端分别与触发器的第一清零端和微处理器的I/O口相连；反相器的第一输入端、第一输出端分别与电机脉冲信号端和触发器的第二时钟端相连，用于实现对电机脉冲下降沿的捕捉；触发器的第一输入端D和第一预置端与高电平相连，用于实现触发器的第一时钟端上升沿触发第一输出端Q翻转；触发器的第一时钟端与电机脉冲信号相连，用于实现对电机脉冲信号上升沿的捕捉；触发器的第二输入端D和第二预置端与高电平相连，用于实现触发器的第二时钟端上升沿触发第二输出端Q翻转；触发器的第二输出端Q与模拟开关的第一输入端相连，模拟开关的第二输入端接地，模拟开关的控制端与微处理器的I/O口相连，用于实现对模拟开关的接通与断开；反相器的第三输入端与模拟开关的输出端相连，用于将触发器捕捉到的电机脉冲的上升沿及紧随其后的下降沿所产生的中断信号传输给微处理器；微处理器的数据双向传输端与计数器的数据双向传输端相连，用于数据在两者之间的传输：微处理器的地址端与计数器的片选及地址端相连，用于实现微处理器对计数器内部定时/计数器的选择；微处理器的读写信号端与计数器的读写信号端相连，用于实现微处理器对计数器的读写操作。

本发明的有益效果是：由于本发明采用计数器、触发器、反相器、模拟开关、微处理器组成的数字电路，电路不容易受外界干扰。由于背景技术低速测量时采用测量多个电机脉冲周期的方法，它只适合于低速测量；高速测量时，采用测量采样时间内电机脉冲个数方法，它只适合于高速测量；本发明采用临界转速将两者结合起来，不但适合于低速测量，而且适合于高速测量。背景技术在临界转速状态下，使得被测系统测量精度最低，本发明采用相对误差相等的临界转速，使得被测系统测量精度提高，被测系统的测量范围可以从低速到高速连续测量。解决了背景技术只能测低速或者只能测高速的不足。背景技术低速时，只能计单个电机脉冲周期，当计多个电机脉冲周期时，被测系统易出现中断阻塞，而本发明采用模拟开关，可以在两次中断中开启和关闭微处理器的定时器，实现多个电机脉冲周期的精确计时，克服了被测系统中断阻塞的不足。

由于本发明具有测量精度高、测量范围宽、测速方便灵活的特点，故能解决工程实践中经常遇到的需要测量电机转速的问题，尤其是高精度机电控制过程中需要在宽范围内精确测量电机转速的场合。

附图说明

图1是本发明测速原理框图

图2是本发明测速程序流程图

图3是本发明中断服务程序1流程图

图4是本发明中断服务程序2流程图

图5是本发明中断服务程序3流程图

图6是本发明实施例

具体实施方式

本发明一种高精度宽范围的测速电路的实施例图1和图6：包括计数器1、触发器2、反相器3、模拟开关4、微处理器5。

计数器1采用含有三个定时/计数器的计数器82C53，选用其中两个，包括：第一门控端，第一输出端、第一时钟端；第二门控端，第二输出端和第二时钟端。

触发器2采用含有两个D触发器的74HC74：

其中一个为第一触发器，包括第一时钟端、第一清零端、第一预置端、第一输入端D和第一输出端Q；

另一个为第二触发器，包括第二时钟端、第二清零端、第二预置端、第二输入端D和第二输出端Q。反相器3采用含有六个反相器的74LS04，选用其中三个反相器包括第一输入端，第一输出端，第二输入端，第二输出端，第三输入端，第三输出端。

模拟开关4采用含有四路可控模拟开关的模拟开关MAX333，采用其中一路，包括第一输入端，第二输入端，第一控制端，第一输出端。微处理器5采用89C52单片机。

如图6所示；

该电路的组成部分都是由集成化电子元件构成，可在市面上直接购买到，82C53计数器的1～8管脚分别与微处理器89C52的32～39管脚相连，作为82C53计数器与微处理器89C52的双向数据总线和地址总线的低8位，82C53计数器的19、20、21管脚分别与微处理器89C52的27、28、26管脚相连，作为地址总线的高8位，82C53计数器的22、23管脚分别与微处理器89C52的17、16管脚相连，作为微处理器89C52对82C53计数器的读写操作信号；82C53计数器的第一时钟端9管脚、第二时钟端端15管脚与D触发器74HC74的第一时钟端3管脚、反相器74LS04的第一输入端1管脚相连后接电机的脉冲信号，实现对电机信号的捕捉，从而计数；82C53计数器1的第二门控端14管脚与D触发器74HC74的第一清零端1管脚相连后接微处理器89C52的第4管脚，82C53计数器的第一门控端11管脚与D触发器74HC74的5管脚第一输出端Q、第二清零端13管脚相连，82C53计数器的第一输出端10管脚与反相器74LS04的第二输入端3管脚相连；D触发器74HC74的2管脚第一输入端D、第一预置端4管脚、第二预置端10管脚、第12管脚为第二输入端D相连后接高电平，实现D触发器74HC74的CLK端出现上升沿时，D触发器74HC74的Q端翻转，第二时钟端11管脚与反相器74LS04的第一输出端2管脚相连，第二输出端9管脚与模拟开关MAX333的第二输入端2管脚相连；模拟开关MAX333的第二输入端4管脚接地，第一输出端3管脚与反相器74LS04的第第三输入端5管脚相连；反相器74LS04的第二输入端4管脚、第三输出端6管脚与微处理器的12管脚相连。如图2所示，当电机转速小于临界转速时，选通82C53计数器的定时/计数器0，在D触发器74HC74、反相器74LS0、模拟开关MAX333和微处理器89C52共同作用下，实现对整数个电机脉冲的测量；高速时，由82C53计数器和89C52微处理器共同作用实现一定时间内采样电机脉冲个数，从而完成电机转速的测量。

本发明的电源为±5V和地，模拟开关MAX333需要工作电源为±5V，82C53计数器、D触发器74HC74、反相器74LS04和微处理器89C52需要工作电源为+5V，所有器件电源共地。

本发明测量方法，如图2所示，当电机转速小于临界转速时，由82C53计数器、D触发器74HC74、反相器74LS04、模拟开关MAX333和微处理器89C52组成测速电路，实现对N个完整电机脉冲的精确计时，从而测定电机转速，在微处理器89C52控制下，将微处理器I/O口的第4管脚置高电平，相应地D触发器74HC74的第一清零端1管脚也变为高电平，当电机脉冲的上升沿到来时，第一D触发器翻转，D触发器74HC74的5管脚第一输出端Q输出高电平，打开82C53计数器的定时/计数器0，开始准备捕捉电机脉冲信号的第一个上升沿和紧随其后的一个下降沿，同时打开第二D触发器，准备捕捉上升沿，也就是电机脉冲的下降沿，在这一下降沿作用下，82C53计数器将计数初值从内部寄存器打入到82C53计数器的定时/计数器0中，对D触发器而言，是在D触发器74HC74的9管脚第二输出端D输出一高电平，经过模拟开关MAX333的2、3管脚和反相器74LS04的第三输入端5管脚，第三输出端6管脚，反相后得到一低电平送至微处理器89C52的12管脚INT0，产生中断，如图3所示，在这次中断中启动微处理器89C52的内部定时器，开始计时；82C53计数器在第一时钟端9管脚所接的电机脉冲信号下降沿作用下，减1计数，当从计数初值减至零时，82C53计数器的第一输出端10管脚产生一高电平，经过反相器74LS04的第二输入端3管脚、第二输出端4管脚反相后产生一低电平，接至微处理器89C52的12管脚INT0，产生中断，如图4所示，在这次中断中关闭微处理器89C52的内部定时器，停止计时。

当电机转速高于临界转速时，由82C53计数器和微处理器89C52组成测速电路，实现在ΔT₁时间内，采样电机脉冲个数，从而测定电机转速，在微处理器89C52控制下，关闭外中断，通过微处理器89C52内部的定时器设定采样时间，启动定时器的同时，微处理器89C52I/O口的第4管脚输出高电平，开启82C53计数器的定时/计数器1开始采样，采样时间结束后，微处理器89C52产生中断，如图5所示，微处理器89C52对82C53计数器1进行闩锁操作，读出82C53计数器的定时/计数器1的数值，通过计算得到采样数据，进而得到电机转速。

所述临界转速是指低速测量与高速测量的速度相等，是根据低速测量相对误差与高速测量相对误差相等的原理来得到的，其计算方法和公式如公式 $\mathrm{\ω}=\frac{60\×{10}^3}{2^{n_1}}\·\sqrt{\frac{n_2\·n_4}{\mathrm{\ΔT}}}$ 所示。

Claims (3)

1、一种高精度宽范围的测速方法，其特征在于：

当被测系统中的电机转速低于临界转速ω，测量n₂个完整电机脉冲所用时间T1，算出电机转速ω₁为： ${\mathrm{\ω}}_1=60\·n_2/(2^{n_1}\·T_1),$

其中电机端部码盘为n₁位，所记的完整电机脉冲个数为n₂，所用时间为T₁；

当被测系统中的电机转速高于临界转速ω，测量采样时间ΔT₁内电机脉冲个数，算出电机转速ω₂为： ${\mathrm{\ω}}_2=60\·n_3/(2^{n_1}\·{\mathrm{\ΔT}}_1)$

其中电机端部码盘为n₁位，采样时间为ΔT₁，电机脉冲个数为n₃；

所述临界转速ω是根据被测系统低速阶段测量相对误差与高速阶段测量相对误差相等来求取的速度；

在低速阶段，利用高频晶振对被测系统电机脉冲个数计时，低速时的相对误差ε₁为：

${\mathrm{\ϵ}}_1={\mathrm{\ω}}_1\·2^{n_1}/60n_2\·n_4\×{10}^6$

其中电机转速为ω₁，电机端部码盘为n₁位，所记的完整电机脉冲个数为n₂，定时器的时钟频率为n₄；

在高速阶段的采样时间内，对被测系统测量电机脉冲个数计数，则高速时的相对误差ε₂为：

${\mathrm{\ϵ}}_2=60/2^{n_1}\×{\mathrm{\ω}}_2\×{\mathrm{\ΔT}}_1$

其中电机转速为ω₂，电机端部码盘为n₁位，采样时间为ΔT₁。

2、根据权利要求1所述的一种高精度宽范围的测速方法，其特征在于：根据电机端部码盘为n₁位，低速测量时所记的完整电机脉冲个数为n₂，定时器的时钟频率为n₄，高速测量时的采样时间为ΔT₁，得到临界转速ω为：

$\mathrm{\ω}=\frac{60\×{10}^3}{2^{n_1}}\·\sqrt{\frac{n_2\·n_4}{{\mathrm{\ΔT}}_1}}$

3、一种使用如权利要求1所述测速方法的测速电路，其特征在于包括：计数器[1]、触发器[2]、反相器[3]、模拟开关[4]、微处理器[5]，计数器[1]的第一门控端分别与触发器[2]第一输出端Q、第二清零端相连，计数器[1]的第一输出端与反相器[3]的第二输入端相连，微处理器[5]的外中断端分别与反相器[3]的第二输出端、第三输出端相连，用于实现微处理器[5]对外部中断信号的响应；计数器[1]的时钟端和电机脉冲信号端相连，用于实现对电机脉冲上升沿及紧随其后的下降沿的捕捉；计数器[1]的第二输出端接地，计数器[1]的第二门控端分别与触发器[2]的第一清零端和微处理器[5]的I/O口相连；反相器[3]的第一输入端、第一输出端分别与电机脉冲信号端和触发器[2]的第二时钟端相连，用于实现对电机脉冲下降沿的捕捉；触发器[2]的第一输入端D和第一预置端与高电平相连，用于实现触发器[2]的第一时钟端上升沿触发第一输出端Q翻转；触发器[2]的第一时钟端与电机脉冲信号相连，用于实现对电机脉冲信号上升沿的捕捉；触发器[2]的第二输入端D和第二预置端与高电平相连，用于实现触发器[2]的第二时钟端上升沿触发第二输出端Q翻转；触发器[2]的第二输出端Q与模拟开关[4]的第一输入端相连，模拟开关[4]的第二输入端接地，模拟开关[4]的控制端与微处理器[5]的I/O口相连，用于实现对模拟开关[4]的接通与断开；反相器[3]的第三输入端与模拟开关[4]的输出端相连，用于将触发器[2]捕捉到的电机脉冲的上升沿及紧随其后的下降沿所产生的中断信号传输给微处理器[5]；微处理器[5]的数据双向传输端与计数器[1]的数据双向传输端相连，用于数据在两者之间的传输；微处理器[5]的地址端与计数器[1]的片选及地址端相连，用于实现微处理器对计数器内部定时/计数器的选择；微处理器[5]的读写信号端与计数器[1]的读写信号端相连，用于实现微处理器[5]对计数器[1]的读写操作。

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