許景波 殷憲宇 崔曉萌 劉智良 李兆 李軍 陳好書

摘?要：針對旋轉機械的轉速測量問題，根據變M/T法原理，提出了一種主從同步定時模式的轉速測量設計實現方法。設計了處理器內部兩定時器同步計數協同工作方式，以及外部觸發(fā)脈沖生成電路，由外部觸發(fā)能夠同時啟動兩定時器計數，并由主定時器在計數達到的條件下停止從定時器，兩計數值同步對應。結合當前轉速，可以動態(tài)設定主定時器計數條件，使本方法適合高、低轉速測量應用。實驗結果表明本方法相對測量誤差小于0.2‰、覆蓋5～20000r/min的高低轉速范圍，并且軟件處理簡捷，易于實現，具有實用價值。

關鍵詞：轉速測量; 變M/T法; 同步定時

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.023

中圖分類號： TN98

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0128-05

Abstract：A master-slave synchronous timing mode implementation method of revolving speed measurement is put forward based on different M/T aimed at the rotating machinery in this paper.?The MCU is set to make two timers synchronously count and cooperatively work?and the external trigger pulse generating circuit is designed.?The external trigger can start the two timers at the same time?and the master timer can stop the slave timer under the condition of counting terminate that makes the two timers achieve synchronization.?The counting value of master timer can be dynamically set according to the current speed?which makes this method suitable for high speed and low speed measurement applications.?Experimental results show that the relative measurement error of this method is less than 0.2‰?has wide measurement range of 5r/min～20000r/min?and the processing routine is simple?easy to implement.

Keywords：revolving speed measurement; different M/T methods; synchronously timing

0?引?言

轉速是一種常見的機械量，它是指做圓周運動的物體單位時間內沿圓周繞圓心轉過的圈數。對于絕大多數旋轉設備來說，轉速是一個重要參量，通過對轉速的測量，可以實時監(jiān)測設備的運轉狀態(tài)，分析設備的工作情況，所以轉速的實時準確測量對于保證設備的安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

對于轉速的測量通常采用旋轉軸安裝齒盤，通過磁電或光電傳感器測脈沖的方式實現[1-3]。常用的方法主要有M法，T法，M/T法以及變M/T法。M法又稱測頻法，在轉速較低時誤差較大，適合高速測量;T法又稱測周法，在高轉速時有較大誤差，適合低速測量;M/T法是兩種方法的結合，適合于高低轉速場合，但仍有截斷誤差，實時性較差，精度難以控制[4-5]。變M/T法是對M/T法的一種改進，克服了M/T法的缺點，是測速系統(tǒng)中常采用的一種方法[6-7]。傳統(tǒng)的測速方法中，一般采用兩個計數器分別對轉速脈沖和高頻時基脈沖分別計數加以實現，要提高測量精度關鍵在于計數的同步，計數不同步往往給測量結果帶來很大誤差。然而兩計數器難于嚴格同步，要做到同步計數需要增加復雜的同步時序電路，系統(tǒng)環(huán)節(jié)增多，存在延遲誤差，可靠性也變差。

本文依據變M/T法的原理，提出了一種由外部信號觸發(fā)主從同步定時模式的轉速測量實現方法，實現了兩個計數器的嚴格同步，從而提高了轉速測量的準確性和穩(wěn)定性。

1?M/T法測速方法及改進

1.1?M/T法測速基本方法

M/T法是指在一個規(guī)定的時間Td內同時開始對轉速脈沖和高頻時基脈沖計數，然后用Td以后的第一個轉速脈沖去終止高頻時基脈沖計數器，從Td結束到高頻脈沖停止的時間為ΔT，所以，高頻脈沖總計數時間T=Td+ΔT[8]，如圖1所示。

假設高頻時基脈沖頻率為fc，所測得的高頻脈沖個數為M2，則有：

如果每周轉速脈沖個數為p，在T時間內，轉速脈沖計數值為M1，則可得被測轉速為：

M/T法雖然適用于高、低轉速的測速系統(tǒng)，但由于采樣時間Td是固定的，Td的選取往往不能兼顧高速和低速兩種情況。如果Td設定時間較短，那么在低速情況下可能不能得到完整的轉速脈沖;如果Td設定時間較長，那么高速時轉速的變化將不能得到及時的響應[9-14]。所以可以看出固定的采樣時間Td是不合適的。

1.2?變M/T法測速方法

變M/T法與M/T法相似，但該方法不需要設定一個固定的測速時間，而是根據轉速的高低設定不同的測速脈沖個數M1，這也保證了M1始終是一個整數。具體過程如圖2所示，當轉速脈沖的上升沿到來時，觸發(fā)計數器開始對轉速脈沖和高頻時基脈沖計數，當轉速脈沖的個數達到M1時，停止對高頻脈沖計數，并讀取相應個數M2。此時的M2與M/T法中的M2含義不同，它是指與M1個轉速脈沖嚴格對應的高頻脈沖個數。

由設定的M1和測得到的M2，仍依據式2計算轉速。 變M/T法與M/T法的不同在于它可以根據轉速情況動態(tài)地調整M1的數值，對于高轉速情況M1可取大一些，對于低轉速情況M1可取小一些，這樣來適應不同轉速測量情況，通過M1的調整來實現測量周期的設定，處理也比較方便。

2?測速功能實現原理與系統(tǒng)設計

2.1?M/T法的主從同步定時模式設計原理

從上述可以看出在變M/T法的實現中，關鍵在于兩個問題，一是保障M1和M2計數的同時啟動和停止，二是根據當前轉速，動態(tài)地調整M1的數值，以保證對高速、低速測量情況的適應性[15-17]。

本文采用STM32F103作為處理器，它是Cortex-M3內核的32位ARM微控制器，非常適用于工業(yè)測量控制領域。該處理器包括1個高級定時器和3個通用定時器，這些硬件條件保障了轉速測量功能的實現。

為了保障M1和M2計數的同步，采用“外部觸發(fā)+主從定時器同步模式”，STM32F103內部的定時器可以連接在一起，用于定時器間的同步和鏈接。當一個定時器配置為主模式時，它可以復位、啟動和停止另一個配置在從模式下的定時器，如圖3所示，定時器1的輸出TRGO1可以提供給定時器2的觸發(fā)選擇輸入端，也即TRGO1可以控制定時器2的工作，這正為M1和M2的同時計數提供了條件。

這里以定時器1作為主定時器用于計數轉速脈沖M1，定時器2作為從定時器用于計數高頻時基脈沖M2。定時器1工作在外部信號觸發(fā)模式，并以外部脈沖作為時鐘源，由外部脈沖檢測電路生成觸發(fā)信號，觸發(fā)信號接入定時器1的TI1。其內部采用向上計數比較模式，比較輸出OC1REF作為TRGO1連接至定時器2的觸發(fā)選擇輸入端;定時器2的從模式采用門控方式，其觸發(fā)選擇來自于定時器1的ITR0，也即OC1REF。整個工作時序示意圖如圖4所示。

這里設置定時器1的計數初始值TIM1-CNT為（65535-M1），比較寄存器TIM1-CCR1的值為（65535-M1+1）。當TI1端輸入上升沿的觸發(fā)信號后，定時器1在外部脈沖源的作用下開始計數，這時TIM1-CNT值 TIM1-CCR1值，OC1REF輸出高電平，啟動定時器2工作，這樣實現了一個外部觸發(fā)同時啟動定時器1和定時器2。當TIM1-CNT計數達到65535時，TIM1-CNT溢出并從0開始重新計數，這時OC1REF輸出低電平，停止了定時器2工作。由于定時器1溢出產生更新事件，所以在軟件中可以停止定時器1工作。定時器2是在定時器1計數了M1個脈沖后停止的，所以定時器2的計數值M2與M1個外部脈沖的啟停是嚴格對應的，由此可在定時器1更新事件產生的中斷服務程序中依據設定的M1和實際得到的定時器2計數值M2來計算轉速。

2.2?系統(tǒng)硬件設計

基于上述原理設計了檢測電路如圖5所示，轉速脈沖信號經過光耦輸入，光耦起著抑制干擾、隔離的作用;輸入信號經過一個或門，接至STM32F103的TIM1_ETR輸入端，作為外部時鐘源，PD1作為使能信號通過或門可以控制測量信號的輸入，當PD1=0時，轉速脈沖可以輸入至TIM1_ETR，當PD1=1時，或門輸出始終為“1”，即屏蔽掉轉速信號的輸入;同時或門輸出接至一個D觸發(fā)器的CP端，D觸發(fā)器作為脈沖信號的起始檢測，其輸出觸發(fā)STM32F103內部定時器工作。只要允許轉速信號輸入，CP端的脈沖將使D觸發(fā)器輸出端Q=1，該端連接至TIM1_CH1，即可啟動內部定時器工作，PC1作為一復位端，接至D觸發(fā)器R端，可以使Q端恢復至初始狀態(tài)Q=0。所以整個電路可以實現對測量信號的輸入控制，并從輸入的測量信號中有效分離出定時器的外部觸發(fā)信號。

2.3?系統(tǒng)軟件設計

每次轉速的測量稱為一個測量周期，在測量開始前由軟件設置一些寄存器的初始值如向TIM1-CNT寫入（65535-M1），向TIM2-CNT寫入0等，然后令PC1=0，復位觸發(fā)信號，令PD1=0，允許轉速脈沖輸入，啟動測量。測量周期的結束可以在定時器1的中斷程序中進行處理，也可以查詢定時器1的更新事件標志位。一個周期結束需停止定時器1工作，即TIM1-EN=0，并讀取TIM2-CNT的值計算M2。由于定時器2在計數中可能發(fā)生溢出，其設置成自動重載工作方式，這樣在其溢出的情況下仍能夠正常計數，不會丟失脈沖，M2由下式計算：

式中：k為定時器2的中斷溢出次數，由它的中斷程序累加。在測量周期結束依據設定的M1和計算得出的M2根據公式2計算轉速。由此看出該方法軟件處理非常簡便，M1和M2的計數嚴格地通過硬件設計和定時器的工作模式所保障，這個過程不會因為軟件的中斷及處理影響M1和M2的計數。

從上述可以看出M1是作為一個設置值寫入到定時器1的計數器中，對于M1的值應根據不同的轉速進行動態(tài)的設定?以保證高速和低速情況下測量周期基本一致。一般情況下，高速時M1的數值應取大一些，低速時M1的數值應取小一些[18]。由于旋轉機械轉動慣量的存在，轉速一般不會驟變[19-20]，所以可以依據上次測得的轉速動態(tài)調整下次測量中設定的M1，M1的確定可根據下式。

式中：INT為取整函數，n′為上一測量周期測得轉速，T測是指測量周期，p為每周脈沖數。對于軟件設計，基本上是一順序流程，如圖6所示。

3?實驗結果與分析

這里設定每周脈沖數為60，即p=60，在轉速為5～20000r/min的范圍內，對系統(tǒng)進行的測試，這一范圍也基本涵蓋了低速、中速、高速的轉速范圍。fc即定時器2計數脈沖，通過STM32 F103內部時鐘樹分頻得到，對于低頻轉速，fc設定為10kHz，對于高頻轉速，fc設定為100kHz。并且轉速測量程序根據當前轉速自動完成M1的設定，測試結果如表1所示：

從測試數據可以看出，該方法測量范圍寬，對低速和高速轉速都有極高的測量精度，最大相對誤差小于萬分之二。M1的動態(tài)設定也保障了對高轉速、低轉速測量的適用性。

4?結?論

本文基于變M/T測速原理，提出了一種設計實現方法，它充分利用了處理器內部資源，設計了主從定時器同步工作模式，使定時器可由外部脈沖觸發(fā)，協同工作。整個實現方法測量精度高、數據穩(wěn)定。本方法主要依靠內部定時器資源，所需外部硬件較少，軟件處理也非常簡單，具有實用意義。

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（編輯：王?萍）