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光電測(cè)速設(shè)置設(shè)計(jì)(一)
摘 要
轉(zhuǎn)速是各類電機(jī)運(yùn)行中的一個(gè)重要物理量，如何準(zhǔn)確、快速而又方便地測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，極為重要。
目前國(guó)內(nèi)外常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法有離心式轉(zhuǎn)速表測(cè)速法、測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)速法、閃光測(cè)速法、光電碼盤測(cè)速法和霍爾元件測(cè)速法等。通過對(duì)現(xiàn)行電動(dòng)機(jī)測(cè)速方法的研究發(fā)現(xiàn)離心式轉(zhuǎn)速表和測(cè)速發(fā)電機(jī)由于要直接與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接，測(cè)速儀作為電機(jī)的負(fù)載，對(duì)電機(jī)功耗較大，甚至有些電機(jī)根本帶不動(dòng)轉(zhuǎn)速表和測(cè)速發(fā)電機(jī)，所以轉(zhuǎn)速表和測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)電機(jī)的測(cè)速不太適用，本文提出了電動(dòng)機(jī)無接觸測(cè)速法。詳細(xì)分析了電動(dòng)機(jī)無接觸測(cè)速法的測(cè)速原理，介紹了無接觸測(cè)速法所用的傳感器光電碼盤，設(shè)計(jì)了無接觸測(cè)速的三種電路：①光電碼盤LED顯示數(shù)字電路型，②光電碼盤LED顯示單片機(jī)控制型，③光電碼盤LCD顯示單片機(jī)控制型。對(duì)于每一種電路分析了電路的組成、工作原理、轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式、元器件的邏輯參數(shù)和特性，給出了具體的電路，對(duì)于用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的電路，還分析了軟件設(shè)計(jì)的方法，給出了程序流程圖和程序清單。
用這三種測(cè)速方法設(shè)計(jì)的測(cè)速儀安裝維護(hù)方便，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，測(cè)量精度高，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)，傳感器，無接觸，測(cè)速
ABSTRACT
Rotational speed is the primary physics data during the operation of various motors. It's extremely important to measure the rotational speed precisely, instantaneously and conveniently.
Nowadays the rotational speed-measuring methods; which are uncommon use in the country and abroad, includes: the eccentric turn-meter, the rotational speed-measuring dynamotor, the flashlight, the photo electricity coder, the Hall sensor. Via the research into the existing measuring methods of electric motor, it's discovered that electric motors consummates too much power and even some of them cannot run the trumpeter and rotational speed-measuring dynamotor. The recruit is caused because eccentric remitter is attached to electric motor rotor directly. Based on the fact that both tempter and rotational speed-measuring dynamotor don't apply to the rotational speed-measuring of electric motor, it's essential to put-forward non-contact rev-measuring method. With scientific analysis of principle (non-contracture-measuring)of method. More details about how to make photo electricity coder and sensor are introduced in this article. Three types of circuits are presented: ①the photo electricity coder LED-displaying digital circuit ②the photo electricity coder LED-displaying single-chip microcomputer control ③the photo electricity coder LCD-displaying single-chip microcomputer control. Specific circuits designed for each style after analyzing the circuit's composing, operation principle, calculating formula, component's logic parameter and characteristics. To the circuit operated by single-chip microcomputer, the method of software-design is analyzed and the procedure flow diagram/procedure lists are also provided.
With those three methods mentioned above, a new type of trumpeter can be developed. This new trumpeter has advantage in convenience if installation and maintenance. It can operate steadily, measure accurately too. The latest turnmeter's application and dissemination would be marketable and profitable.
KEY WORDS: electric motor, single-chip, sensor, non-contacting, rev-measuring
目 錄
第1章 緒論 3
1.1 概述 3
1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試技術(shù)的國(guó)內(nèi)、外發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.1 常用的數(shù)字測(cè)速方法 4
1.2.2 模擬式轉(zhuǎn)速測(cè)試裝置 8
1.2.3 常用數(shù)字測(cè)速方法評(píng)價(jià) 9
1.3 目前國(guó)內(nèi)外使用的速度測(cè)試裝置存在的缺點(diǎn) 10
第2章 光電測(cè)速法的基本原理 11
2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速的常用測(cè)量技術(shù) 11
2.1.1 機(jī)械離心式轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)轉(zhuǎn)速 11
2.1.2 用光電反射式傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速 11
2.1.3 用電磁傳感器測(cè)轉(zhuǎn)速 12
2.1.4 日光燈法 12
2.1.5 感應(yīng)線圈法 13
2.1.6 測(cè)振法測(cè)量轉(zhuǎn)速 13
2.1.7 漏磁法測(cè)量轉(zhuǎn)速 14
2.2 光電碼盤測(cè)速法原理 16
2.3 用數(shù)字電路構(gòu)成的光電碼盤測(cè)速電路 17
2.3.1 電路概述 17
2.3.2 電路輸出波形 21
2.3.3 存在問題 22
第3章 系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)及方案選擇 23
3.1 單片機(jī)控制LED顯示的電機(jī)光電碼盤無接觸測(cè)速電路 23
3.1.1 前向通道與后向通道 24
3.1.2 LED顯示接口 24
3.1.3 軟件設(shè)計(jì) 25
3.2 LCD顯示接口及方案選擇 27
3.2.1 LCD顯示接口 27
3.2.2 設(shè)計(jì)方案選擇 29
3.3 單片機(jī)控制LCD顯示的電機(jī)光電碼盤無接觸測(cè)速電路的設(shè)計(jì) 30
3.3.1 ICM7211液晶顯示驅(qū)動(dòng)器 30
3.3.2 AT89C51單片機(jī) 34
3.3.3 LM324四運(yùn)放 35
3.3.4 測(cè)速電路圖的設(shè)計(jì) 36
3.3.5 軟件設(shè)計(jì) 37
第4章 測(cè)試數(shù)據(jù)比較分析 40
4.1 調(diào)試 40
4.2 數(shù)據(jù)比較分析 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 43
附 錄 44
誠(chéng)信聲明
緒論
概述
從電機(jī)學(xué)的知識(shí)，我們知道：電動(dòng)機(jī)的作用是將輸入的電能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械能輸出。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，由于大多數(shù)生產(chǎn)機(jī)械都是靠電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)的，同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械能的大小與轉(zhuǎn)速的大小密切相關(guān)，因此，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)定在自動(dòng)控制系統(tǒng)中是非常重要的。
在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，隨著生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制將提出日益復(fù)雜的要求。如要求平穩(wěn)起動(dòng)、恒速或變速運(yùn)動(dòng)、瞬時(shí)制動(dòng)、自動(dòng)反向等，要使電機(jī)能適應(yīng)上述各種各樣的要求，就必須要有一套相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)來對(duì)它加以控制。而在這樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速加以測(cè)試的設(shè)備是必備的，而且對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)試精度直接影響到控制的效果是否能達(dá)到要求的精度。這就要求我們能設(shè)計(jì)出一套精確的測(cè)試裝置來對(duì)轉(zhuǎn)速加以測(cè)定。
由于旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速是難以直接檢測(cè)的，因此一般不采用直接的方法加以測(cè)定，而是通過各種各樣的變換器，將轉(zhuǎn)速變換成其它物理量，如機(jī)械量、電量等，然后再用模擬和數(shù)字的方法將其顯示出來，按其顯示方法的不同，轉(zhuǎn)速變換器大致分為模擬式和數(shù)字式兩種。完整的轉(zhuǎn)速檢測(cè)器通常由轉(zhuǎn)速變換器，輔助線路和輸出裝置組成：其中變換器的作用是把敏感固定元件和轉(zhuǎn)動(dòng)元件之間的能量變化，變換成與轉(zhuǎn)速成正比的電信號(hào);輔助線路包括激勵(lì)電源、放大器、檢測(cè)器等等。模擬式的變換器中，輸出信號(hào)的大小是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，要求在整個(gè)有效速度范圍內(nèi)是線性的；而數(shù)字式的變換器中，輸出信號(hào)頻率同轉(zhuǎn)速成正比。
電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試技術(shù)的國(guó)內(nèi)、外發(fā)展現(xiàn)狀
在目前，國(guó)內(nèi)外廣泛使用的交直流電氣傳動(dòng)速度控制的調(diào)速系統(tǒng)中，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器裝置可分為兩類：一類是輸出為數(shù)字量(脈沖量)的傳感器，一般稱為增量式脈沖發(fā)生器，包括光電式脈沖發(fā)生器、感應(yīng)式傳感器、磁電式脈沖發(fā)生器、圓光柵傳感器、旋轉(zhuǎn)式感應(yīng)同步器等；另一類是輸出為模擬電壓量的模擬式傳感器，即傳統(tǒng)的測(cè)速發(fā)電機(jī)、容式和禍流式轉(zhuǎn)速檢測(cè)器等。所以轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法也就分為數(shù)字測(cè)速和模擬測(cè)速兩種，現(xiàn)針對(duì)上述各種測(cè)速裝置及方法簡(jiǎn)略分述如下。
常用的數(shù)字測(cè)速方法
在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法有：M法、T法，以及后來發(fā)展的M/T法、變MT/法等。而高速、高精度、連續(xù)測(cè)量方法是近期在發(fā)展變M/T法基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。各種方法有其各自的優(yōu)點(diǎn)及其具體的適用范圍，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下。
常用的測(cè)速方法有三種：M法、T法和M/T法[3，9]。
M法測(cè)速(又叫定時(shí)測(cè)角法)：即在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來獲得被測(cè)速度值，這種方法稱為M法測(cè)速。設(shè)脈沖發(fā)生器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出的脈沖數(shù)為P，且在規(guī)定的時(shí)間（s）內(nèi)，測(cè)得得脈沖數(shù)為，如圖1-1所示，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)由式（1-1）給出
（1-1）
圖1-1 M法測(cè)速原理
M法測(cè)速的技術(shù)指標(biāo)有：
分辨率：M法的測(cè)速分辨率如式（1-2）所示
（1-2）
由上式可見，Q值與轉(zhuǎn)速無關(guān)，即計(jì)數(shù)值變化1，在何轉(zhuǎn)速下所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速值增量均等。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很小時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)只有少數(shù)幾個(gè)脈沖，甚至只有一個(gè)或者不到一個(gè)脈沖，則測(cè)出的速度就不準(zhǔn)確了。欲提高分辨率，可改用較大P值的脈沖發(fā)生器(即增加光電轉(zhuǎn)盤的透光孔或刻線密度)，或增加檢測(cè)時(shí)間。
測(cè)量精度：此方法雖然檢測(cè)時(shí)間一定，但檢測(cè)的起始時(shí)間具有隨機(jī)性，因此測(cè)量過程在極端情況下會(huì)產(chǎn)生士1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的檢測(cè)誤差，則相對(duì)誤差為。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)速較高或電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈發(fā)出的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)較大時(shí)，才有較高的測(cè)量精度。即隨著轉(zhuǎn)速增加，即增大，相對(duì)誤差會(huì)減小，說明M法適用于高速測(cè)量場(chǎng)合。
檢測(cè)時(shí)間：由式(1-2)可得式（1-3）
（1-3）式中——規(guī)定的測(cè)量時(shí)間。
在保持一定分辨率的情況下，縮短檢測(cè)時(shí)間的唯一辦法是改用P值大(轉(zhuǎn)盤刻線密度大或透光孔多)的光電脈沖發(fā)生器。
T法測(cè)速(又叫定角測(cè)時(shí)法)：即測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔來確定被測(cè)速度的方法。用一已知頻率為的高頻時(shí)鐘脈沖向一計(jì)數(shù)器發(fā)送脈沖數(shù)，此計(jì)數(shù)器由測(cè)速脈沖的兩個(gè)相鄰脈沖控制其起始和終止。若計(jì)數(shù)器的讀數(shù)為（如圖1-2所示），則電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)由式（1-4）表示
（1-4）
式中——時(shí)鐘脈沖頻率；
——計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖頻率的脈沖計(jì)數(shù)值。
圖1-2 T法測(cè)速原理
T法測(cè)速的技術(shù)指標(biāo)有：
分辨率：其計(jì)算公式如（1-5）
（1-5）
可見，在極端情況下，時(shí)間的檢測(cè)會(huì)產(chǎn)生士1個(gè)高頻脈沖周期。因此T法在被測(cè)轉(zhuǎn)速較低(相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)時(shí)間較大)時(shí)，才有較高的測(cè)量精度。亦即隨著轉(zhuǎn)速的升高，Q值增大，轉(zhuǎn)速愈低，Q值愈小，T法測(cè)速在低速時(shí)有較高的分辨率。
測(cè)量精度：由于光電脈沖發(fā)生器制造誤差為，導(dǎo)致測(cè)速的絕對(duì)誤差隨著轉(zhuǎn)速的升高而增加。另外，時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，總有一個(gè)脈沖的誤差，由此造成的相對(duì)誤差為。隨著轉(zhuǎn)速增加，計(jì)數(shù)值減小，此項(xiàng)誤差也隨之增大。可見，T法在低速時(shí)有較高的精度和分辨率，適合于低速時(shí)測(cè)量。
檢測(cè)時(shí)間：檢測(cè)時(shí)間T等于測(cè)速脈沖周期，如式（1-6）所示
（1-6）
可見，隨著轉(zhuǎn)速的升高，檢測(cè)時(shí)間將減小。確定檢測(cè)時(shí)間的原則是：既要使T盡可能短，又要使計(jì)算機(jī)在電機(jī)最高速運(yùn)行時(shí)有足夠時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
時(shí)鐘脈沖的確定：由式（1-5）可知，愈高，分辨率愈高，測(cè)速精度愈高；但過高又會(huì)使過大，使計(jì)數(shù)器字長(zhǎng)加大，影響運(yùn)算速度。確定方法是：根據(jù)最低轉(zhuǎn)速和計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)設(shè)計(jì)出最大計(jì)數(shù)，由式（1-4）得
（1-7）
M/T法測(cè)速：同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)脈沖發(fā)生器發(fā)送的脈沖數(shù)來確定被測(cè)轉(zhuǎn)速，其原理如圖1-3所示。它是用規(guī)定時(shí)間間隔以后的第一個(gè)測(cè)速脈沖去終止時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器，并由此計(jì)數(shù)器值來確定檢測(cè)時(shí)間T。檢測(cè)時(shí)間為
（1-8）設(shè)電機(jī)在T（s）時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度位移為X（rad），則其實(shí)際轉(zhuǎn)速值為
（1-9）如果電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈脈沖發(fā)生器輸出P個(gè)脈沖，在T時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)值為，則
角位移X為。同時(shí)，考慮在檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，由計(jì)數(shù)頻率為的參考時(shí)鐘脈沖來定時(shí)，且計(jì)數(shù)值為，則檢測(cè)時(shí)間T可表示為，于是被測(cè)轉(zhuǎn)速為
（1-10）
上式中的項(xiàng)是常數(shù)，在檢測(cè)時(shí)間T內(nèi)，分別計(jì)取測(cè)速脈沖和時(shí)鐘脈沖的脈沖個(gè)數(shù)和，即可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速值。計(jì)取時(shí)間內(nèi)的測(cè)速脈沖的個(gè)數(shù)相當(dāng)于M法，而計(jì)取T（）時(shí)間內(nèi)參考時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)相當(dāng)于T法，所以這種測(cè)速方法兼有M法和T法的優(yōu)點(diǎn)，在高速和低速段均可獲得較高的分辨能力，M/T法由此而得名。
通過上面的分析可知：M法測(cè)量轉(zhuǎn)速在極端情況下會(huì)產(chǎn)生士1個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖的誤差，而T法在極端情況下，時(shí)間的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生士1個(gè)高頻脈沖周期，由于轉(zhuǎn)速脈沖的頻率遠(yuǎn)小于高頻脈沖的頻率，因此如果用轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的上升沿/下降沿來同步計(jì)數(shù)器的起止，在預(yù)定的測(cè)速時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)值將為整數(shù)(無誤差)，只有高頻時(shí)鐘脈沖會(huì)產(chǎn)生土1的誤差，因其很小，影響可以忽略，所以M/T法可適用于測(cè)量高、低速的場(chǎng)合，且具有較高的測(cè)速精度，但檢測(cè)時(shí)間不宜過長(zhǎng)。雖然M/T法測(cè)速可滿足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求，它具有寬的調(diào)速范圍、高精度和高分辨率的特點(diǎn)，但對(duì)于快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)，M/T法在低速運(yùn)行時(shí)，會(huì)使檢測(cè)時(shí)間過分加長(zhǎng)，這是速度閉環(huán)所不能忍受的。
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