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中文譯文
礦井提升機(jī)精確測(cè)速的微機(jī)實(shí)現(xiàn)
礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)的重要設(shè)備，擔(dān)負(fù)礦物、材料、設(shè)備和人員在井筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，在礦井的正常生產(chǎn)中占有極其重要地位。為保證提升設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，要求控制系統(tǒng)的性能良好，要有較高的調(diào)速性能和位置控制。
隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)取代原來的電控系統(tǒng)是一種趨勢(shì)。由于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)高度復(fù)雜性和對(duì)安全可靠性的嚴(yán)格要求，目前國(guó)內(nèi)還未開發(fā)出較為理想、適于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)要求的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本文介紹了作者從事這方面工作的一個(gè)片斷。
1 對(duì)微機(jī)測(cè)速裝置的要求
對(duì)微機(jī)測(cè)速裝置的一般要求是：分辨能力強(qiáng)、精度高，盡可能短的檢測(cè)時(shí)間。
1.1分辨率
用微機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測(cè)時(shí)，分辨率用改變一個(gè)測(cè)量計(jì)數(shù)字所對(duì)應(yīng)的被測(cè)轉(zhuǎn)速的變化量來表示。設(shè)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，引起測(cè)量計(jì)數(shù)值改變了一個(gè)字，用Q代表分辨率：
r/min （1）
分辨率的大小與系統(tǒng)的控制精度關(guān)系甚大，Q值愈小，分辨能力愈強(qiáng)，系統(tǒng)的控制精度愈高，它是測(cè)速裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。
1. 2測(cè)速精度
測(cè)速精度是指測(cè)速裝置對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速測(cè)量的精確程度。如果用△n代表測(cè)量值與實(shí)際值之差，n代表實(shí)際轉(zhuǎn)速，代表用相對(duì)值表示的測(cè)量誤差，則
（2）
顯然，ε%愈小，測(cè)速精度愈高，系統(tǒng)的控制精度也將愈高。測(cè)量誤差ε%的大小決定于測(cè)速元件的制造精度，并與測(cè)速方法有關(guān)。
1. 3檢測(cè)時(shí)間
檢測(cè)時(shí)間是指兩次轉(zhuǎn)速采樣之間的時(shí)間間隔。檢測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)系統(tǒng)的控制性能影響很大，如果檢測(cè)時(shí)間很長(zhǎng)，則系統(tǒng)將難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的快速響應(yīng)。檢測(cè)時(shí)間愈短，對(duì)于系統(tǒng)的控制性能的改善愈有利。
2微機(jī)測(cè)速的一般方法
由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器與提升機(jī)的軸硬性聯(lián)接，提升機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出一定數(shù)量(1080個(gè))的脈沖信號(hào)，由計(jì)數(shù)器記下脈沖數(shù)，并送給計(jì)算機(jī)處理以實(shí)現(xiàn)微機(jī)測(cè)速。常用的測(cè)速方法主要有以下兩種。
2.1 M法測(cè)速
M法測(cè)速是在相等的時(shí)間間隔內(nèi)讀取旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)以算出轉(zhuǎn)速。在相同的時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)不同，測(cè)量值也不相同。M法測(cè)速的原理圖如圖1所示。
由計(jì)數(shù)器對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)送的脈沖計(jì)數(shù)，定時(shí)器每隔時(shí)間T向CPU發(fā)出一次中斷請(qǐng)求，根據(jù)計(jì)數(shù)值的大小求出對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出脈沖1080個(gè)，在T時(shí)間內(nèi)共發(fā)生m個(gè)脈沖，則轉(zhuǎn)速為：
r/min （3）
這種測(cè)速方法是由計(jì)數(shù)值m的大小反映轉(zhuǎn)速的高低，因而稱為M法測(cè)速。
（1）分辨率
根據(jù)分辨率的定義由式(3)可得：
（4）
可見，M法測(cè)速時(shí)的分辨率與速度的大小無關(guān)，和轉(zhuǎn)速采樣周期T有關(guān)。
（2）測(cè)速精度
利用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)速時(shí)，其測(cè)量誤差決定于編碼器的制造精度并與轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。設(shè)旋轉(zhuǎn)編碼器兩相鄰脈沖之間的角偏差為。一個(gè)檢測(cè)周期的計(jì)數(shù)值為m，則測(cè)量誤差為：
（5）
轉(zhuǎn)速愈低，m愈小，測(cè)量誤差愈大，測(cè)速精度愈低。隨著轉(zhuǎn)速下降測(cè)速精度降低是M法測(cè)速的一個(gè)缺點(diǎn)。
（3）檢測(cè)時(shí)間：就等于測(cè)量周期T。
2. 2T法測(cè)速
T法測(cè)速是測(cè)出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個(gè)輸出脈沖之間的間隔時(shí)間來計(jì)算轉(zhuǎn)速的測(cè)速方法。時(shí)間的測(cè)量由一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)已知頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)求得，T法測(cè)速原理圖如圖2所示。
旋轉(zhuǎn)編碼器每輸出一個(gè)脈沖都通過微機(jī)接口向CPU發(fā)出一次中斷，CPU響應(yīng)后從計(jì)數(shù)器中讀出計(jì)數(shù)值，由計(jì)數(shù)值即可算出轉(zhuǎn)速。設(shè)時(shí)鐘頻率為f，兩個(gè)脈沖間的計(jì)數(shù)值為m，則轉(zhuǎn)速n為：
r/min （6）
可以看出，T法測(cè)速與M法恰恰相反.轉(zhuǎn)速愈高測(cè)量計(jì)數(shù)值m愈小。
（1）分辨率
設(shè)轉(zhuǎn)速的計(jì)數(shù)值由m變?yōu)閙-1，根據(jù)分辨率的定義：
（7）
由式(7)得，Q值的大小與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速愈小，m愈大，Q則愈小，測(cè)速裝置的分辨能力愈強(qiáng)。T法測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)在于低速段對(duì)轉(zhuǎn)速有較強(qiáng)的分辨能力，從而可提高低速的控制性能。
（2）測(cè)速精度
測(cè)量誤差就等于旋轉(zhuǎn)編碼器兩脈沖間的角偏差，即測(cè)量誤差：
（8）
它只決定于編碼器的制造精度，與被測(cè)轉(zhuǎn)速無關(guān)，它比M法測(cè)速精度要差。
（3）檢測(cè)時(shí)間：
由于旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出1080個(gè)脈沖，所以兩脈沖之間的間隔時(shí)間為：
s （9）
式(9)表明，T法測(cè)速檢測(cè)時(shí)間隨轉(zhuǎn)速而變。
3 礦井提升機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的要求
礦井提升機(jī)的運(yùn)行過程，是一個(gè)周期性的過程。一般提升機(jī)的提升周期包括加速、等速、減速、爬行、停車五個(gè)階段。在五個(gè)階段中，提升機(jī)的運(yùn)行速度是有很大差別的。下面給出安徽省某礦提升機(jī)運(yùn)行的速度圖，見圖3。由速度圖可以看出，在加速段和減速段提升機(jī)的速度是一個(gè)按一定加速度或減速度不斷變化的過程，等速段以較高運(yùn)行速度運(yùn)行，爬行段的速度相對(duì)來講要慢得多，只有0.4m/s，總體來說，提升機(jī)運(yùn)行過程是一個(gè)速度在較大范圍內(nèi)不斷變化的過程，要想實(shí)現(xiàn)微機(jī)的準(zhǔn)確測(cè)速，則測(cè)速方法必須滿足在較高速度和較低速度段均能準(zhǔn)確測(cè)量的要求。
為保障提升機(jī)運(yùn)行的高安全性，在提升機(jī)的各種保護(hù)中，有等速段過速保護(hù)和減速段過速保護(hù)，等速段運(yùn)行速度如超過最高轉(zhuǎn)速Vm的15%，提升機(jī)將安全制動(dòng)；減速段運(yùn)行中，如測(cè)出速度超過給定值10%，亦將實(shí)施安全制動(dòng)。因而，為了準(zhǔn)確反映提升機(jī)運(yùn)行中的速度狀況，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)安全、可靠、連續(xù)地運(yùn)行，要求微機(jī)測(cè)出的速度必須準(zhǔn)確，能夠滿足一定的精度。
4 提升機(jī)精確測(cè)速的M/T法
由上述可知，提升機(jī)的速度測(cè)量要求有較高的精確度，能夠準(zhǔn)確地反映提升機(jī)運(yùn)行中的實(shí)際轉(zhuǎn)速。前述的M法測(cè)速，低速段測(cè)速精度比較低；T法測(cè)速，低速段轉(zhuǎn)速分辨能力較強(qiáng)，但其測(cè)速精度比M法又差得多，它們用于提升機(jī)測(cè)速均不夠理想；而M/T測(cè)速法則綜合兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，既可以低速段可靠地測(cè)速，又在高速段具有較高的分辨能力，適應(yīng)了提升機(jī)對(duì)速度測(cè)量的要求。M /T法則測(cè)速原理見圖4。
其中T0由一定時(shí)器定時(shí)，檢測(cè)周期T由T0結(jié)束后，脈沖發(fā)生器輸出的第一個(gè)脈沖決定，即T=T0+△T, m1為T時(shí)間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，m2為周期T內(nèi)對(duì)時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值。轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：
r/min (10)
式中：f一時(shí)鐘脈沖的頻率；
1080一編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖數(shù)。
我們開發(fā)的IPC控制系統(tǒng)中，M /T法測(cè)速是依賴于HY-6220計(jì)數(shù)/定時(shí)器模板實(shí)現(xiàn)的，這是IBM PC XT/AT總線兼容的隔離型可編程多功能模板，板上有8253,8255,8259三種可編程器件。M/T法測(cè)速的硬件實(shí)現(xiàn)圖見圖5。
工作過程如下:計(jì)算機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，從編碼器輸出第一個(gè)脈沖起，8253定時(shí)器(T0)計(jì)數(shù)開始，與此同時(shí)8253計(jì)數(shù)器(m2)亦開始計(jì)數(shù)，20ms后T0定時(shí)器向8259發(fā)中斷信號(hào)，直到編碼器再送來一個(gè)脈沖，停止m1和m2計(jì)數(shù)器，并通過8259向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，計(jì)算轉(zhuǎn)速n。HY-6220模板軟件編程框圖見圖6。
以上給出M/T法測(cè)速的硬件實(shí)現(xiàn)圖和軟件框圖，現(xiàn)討論M /T法測(cè)速的分辨率等問題。
（1）分辨率：
M/T法測(cè)速計(jì)數(shù)值m1及m2都隨轉(zhuǎn)速而變化。在此分別對(duì)高速段和低速段討論分辨率。在高速段，T0≥△T，即T≈T0，認(rèn)為M2不隨轉(zhuǎn)速變化。該種情況下可得：
r/min
把M2= fT≈fT0代入上式得：Q=60/1080T0。這與M法測(cè)速分辨完全相同。在轉(zhuǎn)速很低時(shí)，m1=l。m2隨轉(zhuǎn)速變化而變化，其分辨率為：
r/min
這與T法測(cè)速完全相同。
圖6 HY-6220模板軟件編程框圖
由上分析，M/T法測(cè)速在高速段與M法相近，在低速段則與T法相近，兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，在高速和低速均有較強(qiáng)的分辨能力。
（1）測(cè)速精度：
高速段（M1>1），測(cè)速精度與M法相同，即ε%=εp %/m1；在低速段(m1<1)。測(cè)速精度與T法相同。可見與T法測(cè)速相比，高速段精度提高了。
（2）檢測(cè)時(shí)間：
M/T法測(cè)速的檢測(cè)周期T在不同的轉(zhuǎn)速下是不同的，在高速段(m1>1)與M法相近，轉(zhuǎn)速愈高，檢測(cè)時(shí)間愈接近T0，在低速段(m1
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