許維革 王名杰

(煙臺職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系1，山東 煙臺 264670;煙臺職業(yè)學(xué)院電氣工程系2，山東 煙臺 264670)

0 引言

為了準(zhǔn)確研究速度控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，最方便和直接的方法是通過速度控制系統(tǒng)的性能曲線來研究，但是要獲得速度控制系統(tǒng)的實(shí)際性能曲線是比較困難的，為此研制了電機(jī)速度變化跟蹤儀。該跟蹤儀的工作原理是記錄載體做恒速運(yùn)動，在與之垂直方向上有一個記錄筆在記錄載體上畫出曲線。該曲線就是速度控制系統(tǒng)實(shí)際速度的變化曲線。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

速度控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，一是做恒速運(yùn)動的記錄載體控制系統(tǒng)，二是跟隨速度控制系統(tǒng)速度變化做跟隨運(yùn)動的記錄筆隨動控制系統(tǒng)［1］。恒速運(yùn)行的記錄載體控制系統(tǒng)由AC/DC電源轉(zhuǎn)換器［2］、無刷直流電動機(jī)驅(qū)動器、無刷直流電動機(jī)［3］、恒速運(yùn)行記錄載體和無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測開關(guān)等部分組成;記錄筆隨動控制系統(tǒng)由被測系統(tǒng)速度給定信號、被測系統(tǒng)電動機(jī)的速度反饋信號、數(shù)字P調(diào)節(jié)器、判斷電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的邏輯控制電路、直流電動機(jī)驅(qū)動電路、直流電動機(jī)、記錄筆機(jī)械手和正反向限位保護(hù)電路等組成。電機(jī)速度變化跟蹤儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)速度變化跟蹤儀結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the tracking instrument for motor speed variation

2 恒速運(yùn)行的記錄載體控制系統(tǒng)

恒速運(yùn)行的記錄載體控制系統(tǒng)的AC/DC直流電源由一臺單相C型變壓器、二極管組成的單相橋式整流電路和電容器濾波電路組成。為了提高系統(tǒng)的AC/DC轉(zhuǎn)換效率、減少設(shè)備的體積，系統(tǒng)采用高效單相C型變壓器作為交流電壓變換器。AC/DC直流電源為記錄載體的給定速度信號和無刷直流電動機(jī)驅(qū)動電路提供直流電源，無刷直流電動機(jī)驅(qū)動電路采用PWM控制方式驅(qū)動無刷直流電動機(jī)［4］，無刷直流電動機(jī)的位置檢測通過霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)［5］。恒速運(yùn)行記錄載體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 恒速運(yùn)行的記錄載體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the control system of recording carrier in constant speed movement

霍爾元件是一種較為常用的磁敏元件，在霍爾元件的輸入端通以控制電流，當(dāng)霍爾元件受外磁場作用時，其輸出端便有電勢信號輸出;當(dāng)沒有外界磁場作用時，其輸出端無電勢信號。通常把霍爾元件嵌在定子電樞鐵心的表面，根據(jù)霍爾元件輸出的信號便可判斷轉(zhuǎn)子的磁極位置，將信號放大整形后便可作為無換向器電動機(jī)驅(qū)動電路的參考信號。由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它是對模擬量進(jìn)行檢測，輸出為模擬量。開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它是對數(shù)字量進(jìn)行檢測輸出為數(shù)字量。由于對轉(zhuǎn)子位置的檢測，屬于數(shù)字量檢測，因此，采用開關(guān)型霍爾傳感器作為位置檢測元件。

恒速運(yùn)行記錄載體通常根據(jù)需要可以采用相應(yīng)的載體，如質(zhì)量較好的白板紙和可視性較好的傳輸帶。無刷直流電動機(jī)驅(qū)動器根據(jù)預(yù)定的速度輸出控制信號。該控制信號控制無刷直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，無刷直流電動機(jī)通過同步帶輪和同步帶帶動記錄載體做環(huán)形恒速旋轉(zhuǎn)。

3 記錄筆隨動控制系統(tǒng)

記錄筆隨動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 記錄筆機(jī)械手隨動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of the recording pen manipulator servo control system

由圖3可以看出，記錄筆隨動控制系統(tǒng)由被測系統(tǒng)的給定信號、被測系統(tǒng)的反饋信號、STC90C58RD+單片機(jī)系統(tǒng)、6位液晶顯示器［6］和按鍵、永磁式直流電機(jī)PWM驅(qū)動器、永磁式直流電動機(jī)、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、往復(fù)運(yùn)動軟體記錄筆和正反向極限限位開關(guān)等部分組成。

3.1 系統(tǒng)的工作原理

記錄筆隨動控制系統(tǒng)首先將被測系統(tǒng)的給定信號進(jìn)行高頻濾波，然后經(jīng)過一個電位器選取合適的電壓范圍即0～5 V;同理被測系統(tǒng)的速度反饋信號進(jìn)行高頻濾波后，經(jīng)過一個電位器選取合適的電壓范圍即－5 V ～ 0，分別送入 STC90C58RD+單片機(jī)的 P1.0、P1.1管腳進(jìn)行A/D變換。將被測系統(tǒng)給定信號和被測系統(tǒng)反饋信號的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在STC90C58RD+單片機(jī)內(nèi)，STC90C58RD+單片機(jī)將獲得的數(shù)字信號通過6位液晶顯示器進(jìn)行顯示，通過按鍵將系統(tǒng)的各種極限值輸入并保存在EEPROM中。STC90C58RD+單片機(jī)通過計算輸出控制信號并加到永磁式直流電機(jī)PWM驅(qū)動器［7］的輸入端，作為永磁式直流電機(jī)PWM驅(qū)動器的輸入信號。永磁式直流電機(jī)PWM驅(qū)動器根據(jù)輸入信號的大小和方向，輸出相應(yīng)的PWM驅(qū)動信號。PWM驅(qū)動信號加在永磁式直流電機(jī)兩端，控制永磁式直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。永磁式直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)帶動軟體記錄筆做往復(fù)的跟隨運(yùn)動，在記錄載體上留下被測系統(tǒng)的速度變化軌跡。該速度變化軌跡就是速度控制系統(tǒng)的動態(tài)性能曲線，其為改進(jìn)系統(tǒng)性能提供了真實(shí)的參考依據(jù)。為了使軟體記錄筆在規(guī)定范圍內(nèi)運(yùn)動，在軟體記錄筆的兩端分別采用電磁式感應(yīng)傳感器［8］作為極限保護(hù)開關(guān)。

3.2 STC90C58RD+單片機(jī)

宏晶STC90C58RD+單片機(jī)是宏晶科技采用第七代加密技術(shù)，具有加密性強(qiáng)、很難解密或破解的一種單片機(jī)。STC90C58RD+單片機(jī)與8051單片機(jī)的軟件技術(shù)完全兼容，方便應(yīng)用。另外STC90C58RD+單片機(jī)具有如下特點(diǎn):①抗干擾能力和抗靜電(ESD保護(hù))能力強(qiáng)，如對于2 kV/4 kV快速脈沖干擾具有抑制能力;②單片機(jī)內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理，允許較寬的電源電壓(3.8～5.5 V)，不怕電源抖動;③對環(huán)境溫度適應(yīng)性強(qiáng)(－40～85℃);④I/O口經(jīng)過特殊處理，即 P1、P2、P3和P4都加有弱上拉電阻，在單片機(jī)復(fù)位后是準(zhǔn)雙向口;⑤單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過特殊處理，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，如單片機(jī)采用外部晶體的頻率在12 MHz以下時，可以省去外部復(fù)位電路，簡化了單片機(jī)系統(tǒng)的外圍器件，提高了系統(tǒng)的可靠性;⑥單片機(jī)內(nèi)部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理，具有6時鐘為一個機(jī)器周期和12時鐘為一個機(jī)器周期兩種選擇，使用更加靈活;⑦具有8路10位A/D轉(zhuǎn)化器，集成度比較高;⑧具有32 kB Flash程序存儲器和29 kB EEPROM存儲器;⑨具有在系統(tǒng)可編程(in-system programmability，ISP)和在應(yīng)用可編程(in-application programmability，IAP)，無需采用專用的編程器和仿真器進(jìn)行用戶程序的下載，可通過串口(P3.0和 P3.1)直接下載用戶程序，下載速度快，對于用戶8 kB的程序僅用3～5 s就可以下載完畢;⑩有3種方法可以降低單片機(jī)系統(tǒng)對外部電磁輻射的措施，即可以禁止ALE輸出、采用6時鐘一個機(jī)器周期的時鐘電路和單片機(jī)時鐘振蕩器增益設(shè)為1或2;○11具有多種工作模式，它們分別是掉電工作模式(此時芯片典型電流＜0.1 μA)、空閑模式(此時芯片典型電流為2 mA)和正常工作模式(此時芯片典型電流為4～7 mA)，另外掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)。

針對系統(tǒng)應(yīng)用，現(xiàn)對STC90C58RD+單片機(jī)的部分管腳功能作簡要說明。管腳1(ADC0/T2/P1.0)具有3種功能:①作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端;②作為定時器/計數(shù)器2的輸入端;③標(biāo)準(zhǔn)的I/O口。管腳2(ADC1/T2EX/P1.1)具有3種功能:①作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端;②作為定時器/計數(shù)器2的外部標(biāo)志(該引腳的外部信號由0→1或者1→0都將影響到定時器/計數(shù)器2的工作狀態(tài));③標(biāo)準(zhǔn)的I/O口。管腳7(ADC6/RXD/P1.6)、管腳 8(ADC7/TXD/P1.7)具有 3 種功能:①作為A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端;②作為串行口使用;③標(biāo)準(zhǔn)的I/O口。該單片機(jī)除了具有8051的標(biāo)準(zhǔn)串行口外，還可以通過系統(tǒng)設(shè)置改變串行口的輸入端，即由原來的管腳10(RXD/P3.0)和管腳 11(TXD/P3.1)實(shí)現(xiàn)改為管腳 7(ADC6/RXD/P1.6)和管腳 8(ADC7/TXD/P1.7)實(shí)現(xiàn)，方便實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)可編程(ISP)和在應(yīng)用可編程(IAP)。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

STC90C58RD+單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖4 所示［9］。

圖4 STC90C58RD+單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主流程圖Fig.4 Main flowchart of STC90C58RD+SCM system software design

系統(tǒng)首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化處理，通過6位液晶顯示器顯示各種信息，然后判斷信號鍵值。若為輸入信號限幅值［10］按鍵，則通過輸入信號限幅值子程序存儲輸入信號限幅值。若為反饋信號限幅值按鍵，則通過反饋信號限幅值子程序存儲反饋信號限幅值。若為輸出信號限幅值按鍵，則通過輸出信號限幅值子程序存儲輸入信號限幅值。若限幅值沒有全部設(shè)定，則繼續(xù)進(jìn)行限幅值設(shè)定，如果全部設(shè)定完畢，則判斷是否是放大倍數(shù)按鍵，如果不是，則繼續(xù)等待;如果是，存儲放大倍數(shù)A值。然后判斷是否有輸入信號輸入，若沒有，則轉(zhuǎn)到等待，直到有輸入信號輸入。判斷輸入信號Ug值是否超過限幅值，超過則重新采樣，若沒有超過則存儲輸入信號值。接著判斷是否有反饋信號輸入，若沒有則轉(zhuǎn)到等待，直到有反饋信號輸入并判斷反饋信號Uf值是否超過限幅值，超過則重新采樣，若沒有超過則存儲反饋信號值。計算(Ug－Uf)A的值，并根據(jù)(Ug－Uf)A的值產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號，同時判斷其幅值是否超過輸出限幅值，若超過則重新計算，若沒有超過則輸出PWM［11］信號到永磁式直流電機(jī)PWM驅(qū)動器。

5 結(jié)束語

電機(jī)速度變化跟蹤儀是一種非常直觀的檢測儀器，它將難以理解的抽象概念“速度變化”轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兛吹靡?、摸得著的速度變化曲線，從而增加了人們對“速度變化”的感性認(rèn)識，為快速直觀獲得電機(jī)速度控制系統(tǒng)的性能曲線提供了方便。

電機(jī)速度變化跟蹤儀具有以下的特點(diǎn):①能夠非常直觀地觀測出被測系統(tǒng)動態(tài)性能變化，為研究被測系統(tǒng)的動態(tài)性能提供了可靠依據(jù)，避免了為研究系統(tǒng)的動態(tài)性能而進(jìn)行的大量計算;②結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、使用靈活方便、應(yīng)用范圍廣;③記錄筆隨動控制系統(tǒng)數(shù)字調(diào)節(jié)器采用宏晶STC90C58RD+單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，具有加密性強(qiáng)、不易被破解等優(yōu)點(diǎn)，有利于知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù);④系統(tǒng)的動力電機(jī)采用節(jié)能電動機(jī)，系統(tǒng)能耗低。電機(jī)速度變化跟蹤儀已在實(shí)驗室使用近1年時間，性能穩(wěn)定可靠。

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