在工業(yè)生產(chǎn)和試驗(yàn)過程中,，經(jīng)常會遇到各種轉(zhuǎn)速的測量和控制問題。多數(shù)情況下可以通過電磁或光電等方法,，將轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率測量,。測量頻率的方法有很多，不同的方法各有不同的適用范圍,。近年來隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展,，工業(yè)測控設(shè)備不斷更新，頻率測量的方法和設(shè)備也有新的進(jìn)展,。在實(shí)際應(yīng)用中,，選擇不同的技術(shù)設(shè)計(jì)方案，效果可能相差甚遠(yuǎn),。本文以機(jī)車試驗(yàn)床測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">測試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量為例,，說明如果能具體分析，對癥下藥,，把方案設(shè)計(jì)和具體的技術(shù)設(shè)計(jì)工作做好做細(xì),，則采用簡單的方法、挖掘已有測控設(shè)備的潛力,，也能取得令人滿意的效果,。
1 試驗(yàn)系統(tǒng)概況及對轉(zhuǎn)速測量的要求
　　機(jī)車試驗(yàn)床測試系統(tǒng)是為了解決列車的離線試驗(yàn)問題(進(jìn)行機(jī)車維護(hù)和出廠試驗(yàn)時(shí)均需進(jìn)行試驗(yàn))而設(shè)計(jì)的。以往這類試驗(yàn)是采用在線方式、在列車線路的空閑間隙內(nèi)穿插進(jìn)行,，變得更加困難，列車提速后,，線路更加緊張,。要徹底解決這一問題，有必要建造離線的試驗(yàn)床測試系統(tǒng),，對機(jī)車進(jìn)行離線測試,。

　　試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。待試機(jī)車被驅(qū)動到試驗(yàn)床上,，機(jī)車車輪依次與傳動輪摩合,。傳動輪三個(gè)一組，先通過機(jī)械式同步,，然后分別驅(qū)動兩臺測功機(jī)(勵(lì)磁發(fā)電機(jī)組),。測功機(jī)的輸出接到大小可控的水阻陣列上，模擬機(jī)車負(fù)載,，消耗機(jī)車功率,。試驗(yàn)時(shí)，在一定條件下啟動機(jī)車,，調(diào)整測功機(jī)的負(fù)載和轉(zhuǎn)速,，可以使機(jī)車按照與線路上類似的工況(運(yùn)行速度和拖動力)運(yùn)行。試驗(yàn)中任何時(shí)刻,，兩臺測功機(jī)的轉(zhuǎn)速必須保持一致,。
　　與一般的控制對象相比，對測功機(jī)的轉(zhuǎn)速控制要求速度較快,，特別是在加入內(nèi)環(huán)電流反饋之后,；對轉(zhuǎn)速的顯示精度要求也較高，希望在測量轉(zhuǎn)速上限時(shí)相對誤差不大于0.2%,。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的電流環(huán)調(diào)節(jié)周期為0.1秒,，用于顯示和記錄的轉(zhuǎn)速測量周期為1秒，試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速測量范圍為200~1000轉(zhuǎn)/分,。測功機(jī)的轉(zhuǎn)速測量性能對于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行起著決定性的作用,。
　　另外在試驗(yàn)中需要在車下的控制室內(nèi)對機(jī)車上的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，包括車上發(fā)電機(jī)的電壓,、電動機(jī)電流和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速,。對于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，車上通常只提供每轉(zhuǎn)一次的電脈沖信號,，轉(zhuǎn)速范圍為500~1500轉(zhuǎn)/分,。由于這些測量參數(shù)只是用于對機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，因此對測量精度" title="測量精度">測量精度和測量速度的要求不高,，不大于1%的相對誤差和1~3秒的測量周期即可,。
　　考慮到對測功機(jī)的測量和控制速度要求較高及提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力,，試驗(yàn)系統(tǒng)采用OMRON的CJ1-M型PLC控制器作為下位機(jī)，執(zhí)行絕大部分測量和控制任務(wù),；機(jī)車上的數(shù)據(jù)則通過以Adam-4017+八通道模擬量輸入模塊為核心構(gòu)成的便攜式車上數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采集,，采集的結(jié)果經(jīng)RS-485總線傳送到上位監(jiān)控機(jī)。
　　本文只討論測功機(jī)和柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速測量問題,。
2 機(jī)車測試系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速測量
2．1 測功機(jī)的轉(zhuǎn)速測量
　　可編程控制器CJ1系列中有一個(gè)特殊單元是高速計(jì)數(shù)單元CT021,。每塊CT021具有兩個(gè)高速計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器的容量為二進(jìn)制32位,，可接受頻率高達(dá)50kHz的輸入脈沖,，以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動的精確控制。兩個(gè)輸入通道分別用于兩臺測功機(jī)的轉(zhuǎn)速測量,。
　　CT021采用計(jì)數(shù)法測量輸入信號的頻率,。選用分辨率為1024的光電編碼器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速-電信號頻率轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)速下限(200轉(zhuǎn)/分)時(shí),，實(shí)際輸出的脈沖頻率為1024×200/60s=3400/s,，即3400Hz。為實(shí)現(xiàn)周期為0.1秒的快速調(diào)節(jié),，應(yīng)配以周期為0.1秒的高速采樣,，此時(shí)每周期可采脈沖為340個(gè)，相對誤差不超過±0.3%,，可以滿足轉(zhuǎn)速控制要求,。
　　在轉(zhuǎn)速上限時(shí)，計(jì)數(shù)法的測量精度會有改善,，但需核對計(jì)數(shù)單元對于輸入脈沖頻率的上限限制,。轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分時(shí)，輸入脈沖頻率為1024×1000/60s,即17.07kHz, 不會超過50kHz硬件脈沖頻率上限的限制,。
　　盡管上述單相脈沖輸入方式已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)測速要求,，為保有一定的余量，系統(tǒng)實(shí)際采用差相輸入方式,，使輸入脈沖的頻率提高一倍,，測量誤差再減小一半。
　　做完上述核對工作,、確定測量所需硬件之后,，軟件上要做的工作相對較簡單，只要按照廠家提供的技術(shù)資料在程序中對CT021的工作方式進(jìn)行正確地初始化設(shè)置,，上電后程序就會在每個(gè)循環(huán)中將計(jì)數(shù)結(jié)果存放到指定的內(nèi)存地址中,。可以將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲區(qū)，供實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的指令使用,。
　　CT021還提供多種功能,，例如可以實(shí)現(xiàn)雙向計(jì)數(shù)、具有兩個(gè)控制輸入和兩個(gè)控制輸出及30個(gè)軟輸出等,，對它們可以靈活配置,，以滿足使用現(xiàn)場可能出現(xiàn)的特殊要求。值得一提的是,，CT021提供的功能之一是可以自動將連續(xù)若干次(最高可達(dá)64字)的速率測量結(jié)果記錄在一個(gè)地址連續(xù)的存儲區(qū)中，并隨時(shí)自動刷新,，這樣既可以在每個(gè)0.1秒循環(huán)周期內(nèi)得到當(dāng)時(shí)的采樣值供調(diào)節(jié)指令使用,，也可以輕而易舉地得到連續(xù)多個(gè)周期的總計(jì)數(shù)結(jié)果，即較長時(shí)間間隔內(nèi)的采樣值,，供顯示和記錄之用,。取樣時(shí)間擴(kuò)大了，量化誤差相應(yīng)減小,，較好地滿足了對顯示精度的要求,。
2．2 機(jī)車柴油機(jī)轉(zhuǎn)速測量
　　機(jī)車上的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為500~1500轉(zhuǎn)/分，被測脈沖的頻率僅為500/60s(8.3Hz)~1500/60s(25Hz),，采用計(jì)數(shù)法進(jìn)行頻率測量顯然不合適,。由于對測量精度的要求不是很高，可以采用模擬方法,。

　　圖2(a)所示是使用LM2917對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行模擬式測量的一個(gè)電路,。LM2917是一款專門用于轉(zhuǎn)速測量和控制的集成電路頻率-電壓轉(zhuǎn)換芯片。它依照電荷泵" title="電荷泵">電荷泵的原理工作,，與普通的電荷泵電路相比,，該芯片集成了具有浮動輸入的比較器輸入級和可靈活進(jìn)行再設(shè)計(jì)的輸出級，因而大大減少了芯片投入應(yīng)用時(shí)需要外接的元器件數(shù)量,。輸入級的輸入浮動特性使用戶可以調(diào)整信號輸入的閾值,，提高電路的抗干擾能力；在其內(nèi)部還構(gòu)建了一個(gè)幅度為15mV的滯環(huán),，從而可進(jìn)一步提高電路的抗噪聲干擾能力,。芯片的輸出級由比較器和一個(gè)浮動三極管組成，用戶可以設(shè)計(jì)成比例輸出或限值比較的輸出,，輸出形式可為電壓或電流,，以滿足不同的控制需求。圖2(a)所示電路提供比例電壓輸出,。圖中的電容C1為電荷泵的充電電容,，C2為積分電容。按圖中所選參數(shù)，輸入脈沖與輸出電壓之間的變換關(guān)系為：
　　
　　圖2(b)為圖2(a)所示電路的測試結(jié)果,。圖中,，下部的曲線為F/V轉(zhuǎn)換的結(jié)果，上部的曲線為包含了線性光電隔離器及后續(xù)的Adam-4017+模塊的采集數(shù)據(jù),。
　　除了上述模擬式方法,，也嘗試了挖掘PLC控制器的潛力，采用DI輸入,、按照等精度方法對柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量,。使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)預(yù)取樣窗口的寬度控制，以1ms高速定時(shí)器充當(dāng)高頻參考量化脈沖,。圖3所示為實(shí)現(xiàn)測量過程的軟件流程和波形示意圖,。