第1期
2006年2月
工矿自动化
Industr y and M ine A utomation
No. 1 Feb. 2006
文章编号:1671-251X(2006) 01-0054-02
基于单片机的转速测量方法
李福进1, 2, 陈至坤2, 王汝琳1, 梁月肖2
(1. 中国矿业大学(北京校区) , 北京 100083; 2. 河北理工大学, 河北唐山 063000)
摘要:介绍了转速测量的基本原理, 并对两种测速方法进行了分析, 说明了两种方法各自的优缺点。在此基础上, 综合两种测速方法的优点, 利用单片机技术, 提出一种可以实现快速、有效、高精度的测速方法。该方法在实际应用中, 根据不同的转速范围, 选用不同的测量参数, 使得测量结果完全满足精度要求。该方法具有方法简单、反应时间快、精度高、抗干扰能力强等优点。
关键词:电动机; 转速测量; 单片机
中图分类号:TM301; TP216 文献标识码:B 0 引言
转速测量方法有频率法和周期法两种, 这两种测速方法都是对脉冲进行测量, 但测速范围都受到一定的限制:
(1) 频率法:在规定的检测时间内, 测量计数脉冲个数。虽然检测时间一定, 但检测的起止时间具有随机性, 当被测转速较高或电动机转动一圈发出的转速脉冲信号个数较多时, 才有较高的测量精度, 并且测量准确度随转速的减小而降低, 该方法适合于高速测量。
(2) 周期法:即测量信号发出脉冲个数所需的时间。该方法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大) 时, 才有较高的测量精度, 其测量准确度随着转速的增大而降低, 适于低速测量。
用于电动机转速检测的传感器主要有两种:光电式和磁电式。以磁电式为例, 电动机转速测量系统框图如图1所示。测速轮转动, 使传感器磁路磁阻发生变化, 磁通发生变化, 这样线圈中产生一个近似正弦状的脉冲信号, 经过整形电路以方波信号的形式输入到单片机, 处理后显示出来, 实现转速的测量。 精确地检测转速是提高控制精度的关键。为了满足误差要求, 测量时间尽可能地短, 提高测量精度, 结合两种测速方法, 笔者提出了一种基于单片机的转速测量方法。
收稿日期:2005-10-11
作者简介:李福进(1958-) , 男, 河北沧州人, 中国矿业大学(北京校区) 在读博士研究生, 河北理工大学教授。
图1 转速测量系统
1 基于单片机的转速测量方法1. 1 理论分析
对周期法而言, 根据转速的高低, 固定测量n 个脉冲, 所需时间为T , 有:
d f (t) =-(60n/Z) (1/T ) d T
亦即:
f (t) =(60n/Z) (1/T 2) T
取K =n/Z 为测量时间T 内转子转过的转数, 有:
f (t) =(60K /T ) T
由公式(1) 得:
1/T =
代入公式(2) 得:
2 f (t) =60K T
(60K ) 2= T
60K
(3)
=60n 60K
2
2
(1)
(2)
综合两种测速方法各自的优点, 在周期法测速
的基础之上, 先把转速分成若干频段, 每一个频段对(K ) ,
2006年第1期李福进等:基于单片机的转速测量方法
1. 2 讨论
55
行瞬间检测, 确定转速属于哪个测量范围, 该范围对应什么样的K 值, 从而确定出K 值, 相应于公式K =n/Z 中, 因为测速齿数Z 固定, 故脉冲数n 也成为已知, 然后再对转速进行分析处理。这样就可以在
保证测量精度的前提下, 实现对转速的精确测量。
假设转速范围在0~10000r/m in 之间, 要求转速误差 f (t) 1r/m in , 并且测量时间T 100m s , 时间误差取3 s T 8 s , 根据公式(1) 和(3) 及假设条件, 进行计算机编程求解。
经过对程序运行后所得的数据进行整理, 得出的结果如表1、2、3所示。
表1中, 时间误差分别取 T =5 s 和 T =8 s 时, 固定测速齿数为60。
表1 转速频段与K 值对应表
T =5 s
T =8 s
经过对表中的数据进行分析后, 可以得出:(1) 根据表1可知, 时间误差取得越小, 转速的频段范围也越少, 且相应的K 值就越少。
(2) 从表2中可以看出, 测速齿数越大, 相应的K 值越小, 而相应的转速范围也变小。
在测速齿数固定的条件下, K 值越大, 所测的脉冲数就越多, 这样要求的测量时间就会延长; 若K 值很小, 说明单位时间内获得的脉冲数很少, 若此时转速很大, 传感器不能反应很快, 势必造成很大的误差。从表1中可看出, 随着转速的增加, 为了保证测量精度, K 值也随之提高。所以, 给出不同转速范围对应取不同的K 值, 就可减小误差, 提高测量精度。
(3) 从表3中可以看出, 在时间误差取3 s 、4 s 、5 s 时, 转速误差和测量时间都满足要求, 故在测量误差 t =6 s 计算出K 值, 同样在 t 6 s 时也满足要求。综合表1和表3中的数据可知, 在 T =5 s 和 T =8 s 时求取的K 值, 在 T 5 s 和 T 8 s 时同样满足条件。
(4) K 值的求取与测速齿数无关, 但实际情况下, 测速齿数通常取30、60、120, 而在低转速情况下, 为了保证测量时间尽可能地短, 而且脉冲数符合要求, 只能增大测速齿数, 但是不可以超过120。在实际应用中, 根据转速传感器测得的瞬间转速值, 先确定出转速的大概范围, 然后对应取不同的K 值。K 值固定以后, 再对数据进行相应的处理, 即可得到比较准确的结果。2 结语
根据不同的转速范围, 适当选择K 的大小, 可以使得在测量时间T 较小的情况下(T 100ms ) , 在0~10000r/min 范围内, 保证测量精度 1r/min 。该方法已经成功应用在笔者研制的智能转速测量仪表中, 借助单片机方便的接口功能和丰富的指令系统, 完全可以实现对转速进行分段测量处理, 达到高精度、高稳定度的测量要求。
0. 02
K =1K =3K =5K =8
f =(600, 4000) f =(4000, 6000) f =(6000, 8000) f =(8000, 10000)
K =1K =2K =3K =5K =7K =10K =13
f =(600, 2400) f =(2400, 3600) f =(3600, 5000) f =(5000, 6200) f =(6200, 7400) f =(7400, 8600) f =(8600, 10000)
表2中, 时间误差为3 s , 脉冲数n 取1(当然
实际应用中, 不会出现这种数据, 仅做理论分析) 。
表2 不同测速齿数下各参数对应表
Z =30Z =60Z =120
K min =0. 03K min =0. 02K min =0. 008
f =(18, 770) f =(12, 630) f =(5, 400)
T =3 s
表3中K 值是在固定时间误差取6 s 、测速齿数为60的前提下获得的, 验证时, 转速值5680r/min 随机选取, 测量时间由公式(1) 计算得出, 表3中各数据为验证数据。
表3 验证数据表
时间误差( s) t =3 t =4 t =5 t =6 t =7 t =8
转速误差(r/min ) f =0. 4033 f =0. 5377 f =0. 6721 f =0. 8066 f =0. 9410 f =1. 0754
K =4f =5680T =0. 0423s 公共参数
参考文献:
[1] 刘建芝. 电器传动系统中转速测量的微机实现[J]. 山
东工程学院学报, 2000, (6) .
[2] 鲍雅萍. 单片计算机在发动机瞬间转速测量上的应用
[J].现代化农业, 2000, (8) .
[3] 高玉芹. 电动机转速的高精度快速测量[J].自动化与
仪表, 2000, (6) .
第1期
2006年2月
工矿自动化
Industr y and M ine A utomation
No. 1 Feb. 2006
文章编号:1671-251X(2006) 01-0054-02
基于单片机的转速测量方法
李福进1, 2, 陈至坤2, 王汝琳1, 梁月肖2
(1. 中国矿业大学(北京校区) , 北京 100083; 2. 河北理工大学, 河北唐山 063000)
摘要:介绍了转速测量的基本原理, 并对两种测速方法进行了分析, 说明了两种方法各自的优缺点。在此基础上, 综合两种测速方法的优点, 利用单片机技术, 提出一种可以实现快速、有效、高精度的测速方法。该方法在实际应用中, 根据不同的转速范围, 选用不同的测量参数, 使得测量结果完全满足精度要求。该方法具有方法简单、反应时间快、精度高、抗干扰能力强等优点。
关键词:电动机; 转速测量; 单片机
中图分类号:TM301; TP216 文献标识码:B 0 引言
转速测量方法有频率法和周期法两种, 这两种测速方法都是对脉冲进行测量, 但测速范围都受到一定的限制:
(1) 频率法:在规定的检测时间内, 测量计数脉冲个数。虽然检测时间一定, 但检测的起止时间具有随机性, 当被测转速较高或电动机转动一圈发出的转速脉冲信号个数较多时, 才有较高的测量精度, 并且测量准确度随转速的减小而降低, 该方法适合于高速测量。
(2) 周期法:即测量信号发出脉冲个数所需的时间。该方法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大) 时, 才有较高的测量精度, 其测量准确度随着转速的增大而降低, 适于低速测量。
用于电动机转速检测的传感器主要有两种:光电式和磁电式。以磁电式为例, 电动机转速测量系统框图如图1所示。测速轮转动, 使传感器磁路磁阻发生变化, 磁通发生变化, 这样线圈中产生一个近似正弦状的脉冲信号, 经过整形电路以方波信号的形式输入到单片机, 处理后显示出来, 实现转速的测量。 精确地检测转速是提高控制精度的关键。为了满足误差要求, 测量时间尽可能地短, 提高测量精度, 结合两种测速方法, 笔者提出了一种基于单片机的转速测量方法。
收稿日期:2005-10-11
作者简介:李福进(1958-) , 男, 河北沧州人, 中国矿业大学(北京校区) 在读博士研究生, 河北理工大学教授。
图1 转速测量系统
1 基于单片机的转速测量方法1. 1 理论分析
对周期法而言, 根据转速的高低, 固定测量n 个脉冲, 所需时间为T , 有:
d f (t) =-(60n/Z) (1/T ) d T
亦即:
f (t) =(60n/Z) (1/T 2) T
取K =n/Z 为测量时间T 内转子转过的转数, 有:
f (t) =(60K /T ) T
由公式(1) 得:
1/T =
代入公式(2) 得:
2 f (t) =60K T
(60K ) 2= T
60K
(3)
=60n 60K
2
2
(1)
(2)
综合两种测速方法各自的优点, 在周期法测速
的基础之上, 先把转速分成若干频段, 每一个频段对(K ) ,
2006年第1期李福进等:基于单片机的转速测量方法
1. 2 讨论
55
行瞬间检测, 确定转速属于哪个测量范围, 该范围对应什么样的K 值, 从而确定出K 值, 相应于公式K =n/Z 中, 因为测速齿数Z 固定, 故脉冲数n 也成为已知, 然后再对转速进行分析处理。这样就可以在
保证测量精度的前提下, 实现对转速的精确测量。
假设转速范围在0~10000r/m in 之间, 要求转速误差 f (t) 1r/m in , 并且测量时间T 100m s , 时间误差取3 s T 8 s , 根据公式(1) 和(3) 及假设条件, 进行计算机编程求解。
经过对程序运行后所得的数据进行整理, 得出的结果如表1、2、3所示。
表1中, 时间误差分别取 T =5 s 和 T =8 s 时, 固定测速齿数为60。
表1 转速频段与K 值对应表
T =5 s
T =8 s
经过对表中的数据进行分析后, 可以得出:(1) 根据表1可知, 时间误差取得越小, 转速的频段范围也越少, 且相应的K 值就越少。
(2) 从表2中可以看出, 测速齿数越大, 相应的K 值越小, 而相应的转速范围也变小。
在测速齿数固定的条件下, K 值越大, 所测的脉冲数就越多, 这样要求的测量时间就会延长; 若K 值很小, 说明单位时间内获得的脉冲数很少, 若此时转速很大, 传感器不能反应很快, 势必造成很大的误差。从表1中可看出, 随着转速的增加, 为了保证测量精度, K 值也随之提高。所以, 给出不同转速范围对应取不同的K 值, 就可减小误差, 提高测量精度。
(3) 从表3中可以看出, 在时间误差取3 s 、4 s 、5 s 时, 转速误差和测量时间都满足要求, 故在测量误差 t =6 s 计算出K 值, 同样在 t 6 s 时也满足要求。综合表1和表3中的数据可知, 在 T =5 s 和 T =8 s 时求取的K 值, 在 T 5 s 和 T 8 s 时同样满足条件。
(4) K 值的求取与测速齿数无关, 但实际情况下, 测速齿数通常取30、60、120, 而在低转速情况下, 为了保证测量时间尽可能地短, 而且脉冲数符合要求, 只能增大测速齿数, 但是不可以超过120。在实际应用中, 根据转速传感器测得的瞬间转速值, 先确定出转速的大概范围, 然后对应取不同的K 值。K 值固定以后, 再对数据进行相应的处理, 即可得到比较准确的结果。2 结语
根据不同的转速范围, 适当选择K 的大小, 可以使得在测量时间T 较小的情况下(T 100ms ) , 在0~10000r/min 范围内, 保证测量精度 1r/min 。该方法已经成功应用在笔者研制的智能转速测量仪表中, 借助单片机方便的接口功能和丰富的指令系统, 完全可以实现对转速进行分段测量处理, 达到高精度、高稳定度的测量要求。
0. 02
K =1K =3K =5K =8
f =(600, 4000) f =(4000, 6000) f =(6000, 8000) f =(8000, 10000)
K =1K =2K =3K =5K =7K =10K =13
f =(600, 2400) f =(2400, 3600) f =(3600, 5000) f =(5000, 6200) f =(6200, 7400) f =(7400, 8600) f =(8600, 10000)
表2中, 时间误差为3 s , 脉冲数n 取1(当然
实际应用中, 不会出现这种数据, 仅做理论分析) 。
表2 不同测速齿数下各参数对应表
Z =30Z =60Z =120
K min =0. 03K min =0. 02K min =0. 008
f =(18, 770) f =(12, 630) f =(5, 400)
T =3 s
表3中K 值是在固定时间误差取6 s 、测速齿数为60的前提下获得的, 验证时, 转速值5680r/min 随机选取, 测量时间由公式(1) 计算得出, 表3中各数据为验证数据。
表3 验证数据表
时间误差( s) t =3 t =4 t =5 t =6 t =7 t =8
转速误差(r/min ) f =0. 4033 f =0. 5377 f =0. 6721 f =0. 8066 f =0. 9410 f =1. 0754
K =4f =5680T =0. 0423s 公共参数
参考文献:
[1] 刘建芝. 电器传动系统中转速测量的微机实现[J]. 山
东工程学院学报, 2000, (6) .
[2] 鲍雅萍. 单片计算机在发动机瞬间转速测量上的应用
[J].现代化农业, 2000, (8) .
[3] 高玉芹. 电动机转速的高精度快速测量[J].自动化与
仪表, 2000, (6) .