基于單片機與旋轉(zhuǎn)編碼器的閉環(huán)線速度控制系統(tǒng)
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在電纜生產(chǎn)線上，通常需要檢測電纜的走線速度，用來控制收線電機的轉(zhuǎn)速和計算線纜的長度。成纜工藝參數(shù)的穩(wěn)定，直接關(guān)系到
該項目中，采用的旋轉(zhuǎn)編碼器的型號是TRDJ1000系列，旋轉(zhuǎn)一周輸出1 000個脈沖。因此，根據(jù)在一定時間內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)，就可以計算出電纜的走線速度。實際應(yīng)用中，將其與一加工精度極高、周長為500 mm的旋轉(zhuǎn)編碼器測量主動輪與旋轉(zhuǎn)編碼器同軸安裝，主動輪與電纜接觸。在電纜生產(chǎn)運動過程中，依靠摩擦力拉動測量輪旋轉(zhuǎn)，這樣就把電纜的直線位移(長度)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)字信號輸出。
設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器每旋轉(zhuǎn)一周，其計數(shù)脈沖個數(shù)為NP(脈沖個數(shù)/轉(zhuǎn))，則旋轉(zhuǎn)編碼器角分辨率(單位：(°)/個)為：
P=360/NP
假定固定在旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)軸上的主動導(dǎo)向輪半徑為r m，則旋轉(zhuǎn)編碼器位移分辨率(單位：m/個)為：
Ps=27πr/NP
這時，若計數(shù)脈沖個數(shù)為N(個)，則由旋轉(zhuǎn)編碼器測量的位移量S(單位：m)為：
S=Ps·N
線纜走線速度V(單位：m/s)為：
V=S/T
式中：T為接收N個脈沖所用的時間(單位：s)。
2 硬件電路設(shè)計原理
該檢測電路以AT89C51單片機為控制核心，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，變成O～5 V的TTL電平脈沖，送到AT89 C51單片機的外部中斷INT0端。每收到一個脈沖，單片機中斷一次，同時計數(shù)脈沖存儲器加1，與標(biāo)準(zhǔn)脈沖值比較后，單片機的P0口輸出給定值數(shù)字量，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換變成給定值模擬量，送給收線電機調(diào)速器，控制電機轉(zhuǎn)速。這里的D/A轉(zhuǎn)換芯片采用8位數(shù)據(jù)輸入，四路模擬量輸出的TLC7226IDW。如果需要提高電機轉(zhuǎn)速控制精度，可以選用其他10位、12位數(shù)據(jù)輸入的D/A轉(zhuǎn)換芯片。
工作時，當(dāng)收線電機帶動電纜運動時，帶動旋轉(zhuǎn)編碼器的主動輪旋轉(zhuǎn)，從而旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，輸出脈沖。該脈沖送入光電耦合器，進行隔離、整形、電平轉(zhuǎn)換，送給AT89C51的12腳，外部中斷INTO進行脈沖計數(shù)。每接收到一個脈沖，單片機執(zhí)行外部中斷INT0子程序一次，脈沖計數(shù)存儲器加1。例如，每間隔1 s讀取一次，從而可以根據(jù)計數(shù)脈沖的個數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)比較，因此，可以判斷當(dāng)前線速度的大小。
線速度的計算方法如下：
例如，要求線速度V為0.1 m/s。
旋轉(zhuǎn)編碼器每秒輸出脈沖數(shù)=V·Np/C
其中：C為旋轉(zhuǎn)編碼器主動輪周長(單位：m)。所以，線速度為O.1 m/s時，旋轉(zhuǎn)編碼器每秒輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)=0.1×1000/0.5=200個/s。
3 軟件設(shè)計
在定時器中斷中運行，在計時子程序中，每秒執(zhí)行一次。即查詢每秒收到的脈沖數(shù)是否與標(biāo)準(zhǔn)脈沖相同。該線速度控制子程序如圖3所示。
首先，讀脈沖計數(shù)存儲器的數(shù)值，與標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)比較，等于標(biāo)準(zhǔn)脈沖，脈沖計數(shù)存儲器數(shù)值清零，說明此時走線速度等于標(biāo)準(zhǔn)速度;若大于標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)，說明線速度大于標(biāo)準(zhǔn)線速度，因此，必須使調(diào)速器給定值減1，使得收線電機轉(zhuǎn)速減低;若小于標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)，說明線速度小于標(biāo)準(zhǔn)線速度，必須使調(diào)速器給定值加1，使得收線電機轉(zhuǎn)速增加，從而形成閉環(huán)線速度控制反饋系統(tǒng)，控制收線電機旋轉(zhuǎn)速度，使得線速度保持恒定。
4 結(jié)語
根據(jù)電纜成纜機的工藝要求，設(shè)計了單片機與旋轉(zhuǎn)編碼器組成的閉環(huán)線速度控制系統(tǒng)，并給出了主要控制程序的設(shè)計方法。還可以通過軟件實現(xiàn)線纜走線長度的檢測以及運行時間的計算等功能，并通過顯示屏顯示出來。上述線速度控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用在實際的技術(shù)改造中，為企業(yè)節(jié)約了近百萬元的技術(shù)改造資金。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定可靠、電路簡單、測量精度較高、成本低等特點，完全滿足電纜生產(chǎn)工藝要求，其簡潔的電路設(shè)計和典型的控制方法具有較高的參考價值。
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