中心議題：

• 介紹轉速測量及控制的基本原理
• 直流電機轉速測量系統(tǒng)的軟硬件設計
• 測試該系統(tǒng)并得出結論

解決方案：

• 采用單片機C8051F060作為主控制器
• 采用C8051F060片內的D／A轉換器DAC0的輸出控制直流電機的電壓
• 采用C8051F060中的INT0中斷對轉速脈沖計數(shù)

引 言
隨著單片機的不斷推陳出新，特別是高性價比的單片機的涌現(xiàn)，轉速測量控制普遍采用了以單片機為核心的數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。本文介紹了一種由單片機C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器進行測量的直流電機轉速測量系統(tǒng)。

轉速測量及控制的基本原理
a.轉速測量原理
轉速的測量方法很多，根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉速測量的方法主要有M法(測頻法)、T法(測周期法)和MPT法(頻率周期法)，該系統(tǒng)采用了M法(測頻法)。由于轉速是以單位時間內轉數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復運動。根據(jù)霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉軸上的轉盤邊沿，轉盤隨測軸旋轉，磁鋼也將跟著同步旋轉，在轉盤下方安裝一個霍爾器件，轉盤隨軸旋轉時，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉速有以下關系：
 
式中：n為電機轉速；P為電機轉一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號周期
根據(jù)式(1)即可計算出直流電機的轉速。

霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外磁場B，在沿平面方向兩端加外電場，則使電子在磁場中運動，結果在器件的2個側面之間產(chǎn)生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例?；魻栭_關傳感器由于其體積小、無觸點、動態(tài)特性好、使用壽命長等特點，故在測量轉動物體旋轉速度領域得到了廣泛應用。在這里選用美國史普拉格公司(SPRAGUE)生產(chǎn)的3000系列霍爾開關傳感器3013，它是一種硅單片集成電路，器件的內部含有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡單<輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點。

b.轉速控制原理
直流電機的轉速與施加于電機兩端的電壓大小有關，可以采用C8051F060片內的D／A轉換器DAC0的輸出控制直流電機的電壓從而控制電機的轉速。在這里采用簡單的比例調節(jié)器算法(簡單的加一、減一法)。比例調節(jié)器的輸出系統(tǒng)式為：
 
式中：Y為調節(jié)器的輸出；e(t)為調節(jié)器的輸人，一般為偏差值；Kp為比例系數(shù)。

從式(2)可以看出，調節(jié)器的輸出Y與輸入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調節(jié)作用，具有調節(jié)及時的特點，這是一種最基本的調節(jié)規(guī)律。比例調節(jié)作用的大小除了與偏差e(t)有關外，主要取決于比例系數(shù)Kp，比例調節(jié)系數(shù)愈大，調節(jié)作用越強，動態(tài)特性也越大。反之，比例系數(shù)越小，調節(jié)作用越弱。對于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時將會引起自激振蕩。比例調節(jié)的主要缺點是存在靜差，對于擾動的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時將會引起自激振蕩。對于擾動較大，慣性也比較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調節(jié)器就難于兼顧動態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調節(jié)規(guī)律比較復雜的PI(比例積分調節(jié)器)或PID(比例、積分、微分調節(jié)器)算法。

系統(tǒng)的硬件軟件設計
a.硬件設計
本系統(tǒng)采用單片機C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器測量電機的轉速，通過7079最終在LED上顯示測試結果。此外，還可以根據(jù)需要調整控制電機的轉速，硬件組成由圖1所示。

 
控制器C8051F060主要完成轉速脈沖的采集、16為定時計數(shù)器計數(shù)定時、運算比較，片內集成的12位DAC0控制轉速，并且通過7279顯示接口芯片實現(xiàn)數(shù)碼顯示等多項功能。系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時鐘SYSCLK等于18432000，T0定時1 ms，初始化時TH0=(-SYSCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，輸出轉速脈沖個數(shù)N，計算電機轉速值。將1 s內的轉速值換算成1 min內的電機轉速值，并在LED上輸出測量結果。

b.軟件設計
本系統(tǒng)采用C8051F060中的INT0中斷對轉速脈沖計數(shù)。定時器T1工作于外部事件計數(shù)方式對轉速脈沖計數(shù)；T0工作于定時器方式均工作于方式1。每到1 s讀一次計數(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，根據(jù)式(1)可計算出電機的轉速。由于直流電機的轉速與施加工于電機兩端的電壓大小有關，故將實際測得的轉速值與預設的轉速值比較，若大于預設的轉速值則減小DAC0的數(shù)值，若小于轉速預設的轉速值則增加DAC0的值調整電機的轉速，直到轉速值等于預設定的值，這樣就實現(xiàn)了對電機轉速的控制，主程序和T0中斷流程圖如圖2、3所示。

 
實驗測試結果
首先在軟件中給出轉速預設值，即給定常量speed的值，觀察速度穩(wěn)定后七段數(shù)碼管的數(shù)值，比較實際測量的轉速值和預設轉速值，計算測量誤差，評價測量的準確性，測試結果如表1所示。根據(jù)實驗測試和誤差分析繪制了測量誤差曲線，如圖4所示。誤差分析表明，轉速測量誤差在5％以內，并且隨著轉速預設值的增加測量誤差愈小，呈指數(shù)形式下降，函數(shù)關系如式(3)所示。
 

結 論
本測速系統(tǒng)采用集成霍爾傳感器敏感速率信號，具有頻率響應快、抗干擾能力強等特點。霍爾傳感器的輸出信號經(jīng)信號調理后，通過單片機對連續(xù)脈沖記數(shù)來實現(xiàn)轉速測控，并且充分利用了單片機的內部資源，有很高的性價比。經(jīng)過測試并對誤差進行分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的測量誤差在5％以內，并且在測量范圍內轉速越高測量精度越高。所以該系統(tǒng)在一般的轉速檢測和控制中均可應用。