3.6 轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)

3.5.1 光電編碼器測(cè)速原理

本文使用的電機(jī)軸上自帶了增量式光電編碼器HEDS5500-100，當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它的輸出信號(hào)是相位差為90°的A相和B相脈沖號(hào)。從A，B兩個(gè)輸出信號(hào)的相位關(guān)系(超前或滯后)可判斷旋轉(zhuǎn)的方向。波形原理圖如圖3-10所示。

圖3-10 光電編碼器順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)的輸出波形

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，A相超前B相90°。逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，B相超前A相90°。根據(jù)兩相相位關(guān)系即可判斷出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。查閱該光電編碼應(yīng)用手冊(cè)可知道，光電編碼器軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，各相均輸出100個(gè)脈沖，根據(jù)該特點(diǎn)，可在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)編碼器輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，經(jīng)計(jì)算便可得到轉(zhuǎn)速。光電編碼器與ATmega16的接口如圖3-11所示。

轉(zhuǎn)向鑒別電路由D觸發(fā)器74LS74構(gòu)成，當(dāng)A超前B時(shí)，D觸發(fā)器輸出為高電平;當(dāng)A滯后B時(shí)，D觸發(fā)器輸出低電平。根據(jù)D觸發(fā)器Q端的電平高低，即可判斷電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。將A和B相中的一相脈沖(圖中為B相脈沖)送到ATmega16的T0定時(shí)/計(jì)數(shù)引腳進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用定時(shí)器T2進(jìn)行定時(shí)，從而計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3-11 轉(zhuǎn)向鑒別及轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

3.5.2 電流檢測(cè)

在H橋回路中串入采樣電阻，電流流過(guò)該電阻時(shí)產(chǎn)生壓降，通過(guò)檢測(cè)該電壓，即可計(jì)算出電機(jī)中的電流。若該電阻取得過(guò)大，則會(huì)影響H橋下臂的驅(qū)動(dòng)電壓，取得過(guò)小，不利于提高檢測(cè)精度。這里我們?nèi)?.1Ω，當(dāng)電機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，電流約為5A，此時(shí)，壓降為0.5V，再將該電壓放大5倍后，送入ATmega16的A/D轉(zhuǎn)換通道0。電流檢測(cè)電路如圖3-12所示。Vout接ATmega16的PA0腳即ADC0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電阻的功耗為：PR耗=I2R=52×0.1=2.5W。

選擇0.1Ω，5W的電阻即可滿足要求。R19與C20構(gòu)成濾波電路。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流很大，此時(shí)運(yùn)放輸入電壓也較大，為保護(hù)運(yùn)放不受損壞，加入二極管D5與D6，對(duì)輸入電壓進(jìn)行限幅。A/D檢測(cè)電壓V測(cè)與實(shí)際電流I關(guān)系為：V測(cè)=I×0.1×5(V)=0.5I(V)。

3.7 按鍵、顯示與通訊模塊

按鍵主要用來(lái)接收外部的命令和判斷門的位置。當(dāng)有人經(jīng)過(guò)客車門時(shí)，按下“開(kāi)門鍵”。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到有開(kāi)門鍵按下時(shí)，將設(shè)定PWM波形占空比大于0.5，電機(jī)正轉(zhuǎn)，此時(shí)門開(kāi)。當(dāng)門開(kāi)到極限位置時(shí)，安裝在門兩端的限位開(kāi)關(guān)1閉合，單片機(jī)檢測(cè)到該信息后，禁止PWM輸出，電機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)人經(jīng)過(guò)后，按下關(guān)門鍵，此時(shí)單片機(jī)將占空比設(shè)定為小于0.5，電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)門開(kāi)始關(guān)閉。在關(guān)門過(guò)程中，若遇到障礙物，則電機(jī)反轉(zhuǎn)，門打開(kāi)。若未遇到障礙物，當(dāng)門完全關(guān)閉時(shí)，限位開(kāi)關(guān)2閉合，單片要檢測(cè)到該信息后，也禁止PWM輸出，電機(jī)停止，表明門已關(guān)閉。

液晶LCD1602主要用來(lái)實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流。

ATmega16和PC機(jī)通訊采用RS-232接口，將電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各類參數(shù)如轉(zhuǎn)速、電流等發(fā)送到上位機(jī)，以便于分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)TTL電平，而串行通訊采用RS-232電平，兩者電平不一致，需經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，由MAX232完成。電路如圖3-13所示。

圖 3-13 按鍵、顯示與通訊電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

以上主要介紹了系統(tǒng)的硬件組成與設(shè)計(jì)，軟件部分由別外一名同學(xué)完成，下面只對(duì)部分進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

4.1 AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

常用的AVR開(kāi)發(fā)軟件主要有：AVR Studio、GCCAVR(WinAVR)、ICC AVR、IAR AVR及CodeVision AVR等。由于ICC AVR集成了C編譯器，增加了軟件模塊，編譯環(huán)境簡(jiǎn)潔，生成的代碼結(jié)構(gòu)緊湊、效率高，支持并口下載。缺點(diǎn)是不支持仿真調(diào)試。這里我們選擇ICC AVR作為軟件編寫和編譯環(huán)境。

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 轉(zhuǎn)速計(jì)算

由光電編碼盤型號(hào)HEDS5500-100，可知電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)輸出脈沖數(shù)為100。若電機(jī)轉(zhuǎn)速為n(r/min),則光電編碼器輸出脈沖頻率fop為：

(4-1)

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3350r/min，此時(shí)光電編碼器輸出最高頻率為: 5583Hz，實(shí)際電壓為30V時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，輸出頻率應(yīng)該還要高出25%左右。

光電編碼盤的B相輸出送入ATmega16的T0進(jìn)行計(jì)數(shù)，而利用T2作定時(shí)器，產(chǎn)生20ms的定時(shí)時(shí)間。由于T0、T2均為8位。則T0所能測(cè)得最高頻率為。

(4-2)

覆蓋了最高頻率，因此定時(shí)器定時(shí)20ms時(shí)能測(cè)到最高轉(zhuǎn)速。

最小頻率(頻率分辨率)為

(4-3)

從而得到最小轉(zhuǎn)速分辨率為0.5r/s。[!--empirenews.page--]

4.2.2 轉(zhuǎn)速電流曲線的顯示

LCD1602實(shí)時(shí)顯示的轉(zhuǎn)速、電流的同時(shí)，ATmega16還將轉(zhuǎn)速和電流數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)，利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和繪圖功能，顯示轉(zhuǎn)速和電流的曲線。ATmega16設(shè)置波特率為9600bps，在PC端利用串口調(diào)試助手接收數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)在Matlab進(jìn)行處理和曲線繪制。

4.3 軟件流程

軟件是本系統(tǒng)的核心部分。主要完成以下功能：處理按鍵信息、通過(guò)改變PWM占空比控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、執(zhí)行PID算法以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)速功能、實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電流、串口通訊。在此不作詳細(xì)說(shuō)明。

5 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

5.1 系統(tǒng)測(cè)試

驅(qū)動(dòng)電源穩(wěn)壓功能測(cè)試。將輸入電壓調(diào)到18V時(shí)，調(diào)節(jié)反饋電壓的反饋系數(shù)(改變反饋分壓電阻)，使SG3525輸出占空比剛好達(dá)到最大。此時(shí)當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，由于處于閉環(huán)狀態(tài)，SG3525輸出占空比將減小以維持輸出電壓恒定。

死區(qū)時(shí)間調(diào)整。調(diào)節(jié)RC充電回路中的電阻R值，從示波器上觀察延時(shí)，使死區(qū)時(shí)間為500ns。如圖5-1所示。

圖5-1 死區(qū)時(shí)間

雙極性PWM輸出測(cè)試。通過(guò)程序設(shè)置占空比，從示波器上觀察輸出占空比的變化范圍。實(shí)際測(cè)試時(shí)采用的方法是，在單片機(jī)中建一個(gè)頻率為50Hz的9位的正弦波表，每次PWM溢出中斷時(shí)，將波形表中的數(shù)據(jù)依次送出改變占空比，此時(shí)輸出雙極性的SPWM波，經(jīng)電感電容組成的л形濾波器濾波后就得到正弦波。實(shí)際效果如圖5-2、5-3所示。

圖5-2 雙極性SPWM波

圖5-3 經(jīng)л形濾波后的波形

表明PWM波形占空比范圍可以達(dá)到0-100%。

經(jīng)以上調(diào)試后。接入電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，未加PID時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨電壓變化而變化。加入PID調(diào)節(jié)后，電壓在18-30V變化時(shí)，轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在設(shè)定值。輸入電壓24V，設(shè)定轉(zhuǎn)速為20r/s時(shí)，調(diào)速曲線如圖5-4所示。

圖5-4 調(diào)速曲線

功能測(cè)試。按下“OPEN”鍵時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn);按下“XW1”，電機(jī)停止;按下“CLOSE”鍵，電機(jī)反轉(zhuǎn)，按下“XW2”，電機(jī)停止;按下“CLOSE”鍵，在電機(jī)反轉(zhuǎn)過(guò)程中，借助外力讓電機(jī)減速，電機(jī)稍作停頓后反轉(zhuǎn)(防夾)。測(cè)試表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所要求的功能。

5.2 結(jié)果分析

由SPWM波形及其濾波后的結(jié)果可以看出，雙極性PWM波形完全符合要求，且波形占空比從0-100%可調(diào)，精度9位，頻率15.6KHz。

從調(diào)速曲線上可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)比較嚴(yán)重，可能與以下因素有關(guān)：

PID參數(shù)設(shè)置不合理。PID的參數(shù)的整定較繁瑣，當(dāng)參數(shù)設(shè)定不合理時(shí)，可導(dǎo)致電機(jī)振蕩，超調(diào)過(guò)大等問(wèn)題。

光電編碼器受到干擾，影響了轉(zhuǎn)速檢測(cè)精度。由自動(dòng)控制原理知識(shí)可知，反饋環(huán)路的精度決定環(huán)路輸出精度。經(jīng)過(guò)多次實(shí)際測(cè)試，即便設(shè)定同一參數(shù)，幾次測(cè)試的結(jié)果也不完全一樣，總的來(lái)講超調(diào)都比較嚴(yán)重，具體表現(xiàn)是在超調(diào)時(shí)出現(xiàn)很窄的尖脈沖，多次改變PID參數(shù)也不能完全改善。后來(lái)用示波器在編碼器的輸出端觀察到，電機(jī)在啟動(dòng)瞬間光電編碼器的輸出端偶爾會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的干擾，足以影響到轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確檢測(cè)，因而給反饋系統(tǒng)帶來(lái)異常。