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光電測速設置設計(一)
摘 要
轉速是各類電機運行中的一個重要物理量，如何準確、快速而又方便地測量電機轉速，極為重要。
目前國內外常用的轉速測量方法有離心式轉速表測速法、測速發電機測速法、閃光測速法、光電碼盤測速法和霍爾元件測速法等。通過對現行電動機測速方法的研究發現離心式轉速表和測速發電機由于要直接與電機轉軸連接，測速儀作為電機的負載，對電機功耗較大，甚至有些電機根本帶不動轉速表和測速發電機，所以轉速表和測速發電機對電機的測速不太適用，本文提出了電動機無接觸測速法。詳細分析了電動機無接觸測速法的測速原理，介紹了無接觸測速法所用的傳感器光電碼盤，設計了無接觸測速的三種電路：①光電碼盤LED顯示數字電路型，②光電碼盤LED顯示單片機控制型，③光電碼盤LCD顯示單片機控制型。對于每一種電路分析了電路的組成、工作原理、轉速的計算公式、元器件的邏輯參數和特性，給出了具體的電路，對于用單片機實現的電路，還分析了軟件設計的方法，給出了程序流程圖和程序清單。
用這三種測速方法設計的測速儀安裝維護方便，工作穩定，運行可靠，測量精度高，具有較大的推廣應用價值。
關鍵詞：電動機，單片機，傳感器，無接觸，測速
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 電機轉速測試技術的國內、外發展現狀 3
1.2.1 常用的數字測速方法 4
1.2.2 模擬式轉速測試裝置 8
1.2.3 常用數字測速方法評價 9
1.3 目前國內外使用的速度測試裝置存在的缺點 10
第2章 光電測速法的基本原理 11
2.1 電機轉速的常用測量技術 11
2.1.1 機械離心式轉速計測轉速 11
2.1.2 用光電反射式傳感器測轉速 11
2.1.3 用電磁傳感器測轉速 12
2.1.4 日光燈法 12
2.1.5 感應線圈法 13
2.1.6 測振法測量轉速 13
2.1.7 漏磁法測量轉速 14
2.2 光電碼盤測速法原理 16
2.3 用數字電路構成的光電碼盤測速電路 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 系統的硬軟件設計及方案選擇 23
3.1 單片機控制LED顯示的電機光電碼盤無接觸測速電路 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 軟件設計 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 設計方案選擇 29
3.3 單片機控制LCD顯示的電機光電碼盤無接觸測速電路的設計 30
3.3.1 ICM7211液晶顯示驅動器 30
3.3.2 AT89C51單片機 34
3.3.3 LM324四運放 35
3.3.4 測速電路圖的設計 36
3.3.5 軟件設計 37
第4章 測試數據比較分析 40
4.1 調試 40
4.2 數據比較分析 41
參考文獻 42
致 謝 43
附 錄 44
誠信聲明
緒論
概述
從電機學的知識，我們知道：電動機的作用是將輸入的電能轉換為相應的機械能輸出。在實際的工業生產中，由于大多數生產機械都是靠電動機的轉動來帶動的，同時由于電動機輸出機械能的大小與轉速的大小密切相關，因此，對電機轉速的測定在自動控制系統中是非常重要的。
在實際的工業生產中，隨著生產機械負載的發展，對電動機的控制將提出日益復雜的要求。如要求平穩起動、恒速或變速運動、瞬時制動、自動反向等，要使電機能適應上述各種各樣的要求，就必須要有一套相應的自動控制系統來對它加以控制。而在這樣的自動控制系統中，對電機轉速加以測試的設備是必備的，而且對電機轉速的測試精度直接影響到控制的效果是否能達到要求的精度。這就要求我們能設計出一套精確的測試裝置來對轉速加以測定。
由于旋轉物體的轉速是難以直接檢測的，因此一般不采用直接的方法加以測定，而是通過各種各樣的變換器，將轉速變換成其它物理量，如機械量、電量等，然后再用模擬和數字的方法將其顯示出來，按其顯示方法的不同，轉速變換器大致分為模擬式和數字式兩種。完整的轉速檢測器通常由轉速變換器，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動元件之間的能量變化，變換成與轉速成正比的電信號;輔助線路包括激勵電源、放大器、檢測器等等。模擬式的變換器中，輸出信號的大小是轉速的函數，要求在整個有效速度范圍內是線性的；而數字式的變換器中，輸出信號頻率同轉速成正比。
電機轉速測試技術的國內、外發展現狀
在目前，國內外廣泛使用的交直流電氣傳動速度控制的調速系統中，用于檢測轉速的傳感器裝置可分為兩類：一類是輸出為數字量(脈沖量)的傳感器，一般稱為增量式脈沖發生器，包括光電式脈沖發生器、感應式傳感器、磁電式脈沖發生器、圓光柵傳感器、旋轉式感應同步器等；另一類是輸出為模擬電壓量的模擬式傳感器，即傳統的測速發電機、容式和禍流式轉速檢測器等。所以轉速的測量方法也就分為數字測速和模擬測速兩種，現針對上述各種測速裝置及方法簡略分述如下。
常用的數字測速方法
在閉環伺服控制系統中，根據脈沖計數來測量轉速的方法有：M法、T法，以及后來發展的M/T法、變MT/法等。而高速、高精度、連續測量方法是近期在發展變M/T法基礎上逐漸發展起來的。各種方法有其各自的優點及其具體的適用范圍，現簡述如下。
常用的測速方法有三種：M法、T法和M/T法[3，9]。
M法測速(又叫定時測角法)：即在規定的時間間隔內，測量所產生的脈沖數來獲得被測速度值，這種方法稱為M法測速。設脈沖發生器每轉一圈發出的脈沖數為P，且在規定的時間（s）內，測得得脈沖數為，如圖1-1所示，則電機每分鐘轉數由式（1-1）給出
（1-1）
圖1-1 M法測速原理
M法測速的技術指標有：
分辨率：M法的測速分辨率如式（1-2）所示
（1-2）
由上式可見，Q值與轉速無關，即計數值變化1，在何轉速下所對應的轉速值增量均等。當電動機轉速很小時，在規定時間內只有少數幾個脈沖，甚至只有一個或者不到一個脈沖，則測出的速度就不準確了。欲提高分辨率，可改用較大P值的脈沖發生器(即增加光電轉盤的透光孔或刻線密度)，或增加檢測時間。
測量精度：此方法雖然檢測時間一定，但檢測的起始時間具有隨機性，因此測量過程在極端情況下會產生士1個轉速脈沖的檢測誤差，則相對誤差為。當被測轉速較高或電機轉動一圈發出的轉速脈沖信號的個數較大時，才有較高的測量精度。即隨著轉速增加，即增大，相對誤差會減小，說明M法適用于高速測量場合。
檢測時間：由式(1-2)可得式（1-3）
（1-3）式中——規定的測量時間。
在保持一定分辨率的情況下，縮短檢測時間的唯一辦法是改用P值大(轉盤刻線密度大或透光孔多)的光電脈沖發生器。
T法測速(又叫定角測時法)：即測量相鄰兩個脈沖的時間間隔來確定被測速度的方法。用一已知頻率為的高頻時鐘脈沖向一計數器發送脈沖數，此計數器由測速脈沖的兩個相鄰脈沖控制其起始和終止。若計數器的讀數為（如圖1-2所示），則電機每分鐘的轉數由式（1-4）表示
（1-4）
式中——時鐘脈沖頻率；
——計數器對時鐘脈沖頻率的脈沖計數值。
圖1-2 T法測速原理
T法測速的技術指標有：
分辨率：其計算公式如（1-5）
（1-5）
可見，在極端情況下，時間的檢測會產生士1個高頻脈沖周期。因此T法在被測轉速較低(相鄰兩個轉速脈沖信號時間較大)時，才有較高的測量精度。亦即隨著轉速的升高，Q值增大，轉速愈低，Q值愈小，T法測速在低速時有較高的分辨率。
測量精度：由于光電脈沖發生器制造誤差為，導致測速的絕對誤差隨著轉速的升高而增加。另外，時鐘脈沖計數時，總有一個脈沖的誤差，由此造成的相對誤差為。隨著轉速增加，計數值減小，此項誤差也隨之增大。可見，T法在低速時有較高的精度和分辨率，適合于低速時測量。
檢測時間：檢測時間T等于測速脈沖周期，如式（1-6）所示
（1-6）
可見，隨著轉速的升高，檢測時間將減小。確定檢測時間的原則是：既要使T盡可能短，又要使計算機在電機最高速運行時有足夠時間對數據進行處理。
時鐘脈沖的確定：由式（1-5）可知，愈高，分辨率愈高，測速精度愈高；但過高又會使過大，使計數器字長加大，影響運算速度。確定方法是：根據最低轉速和計算機字長設計出最大計數，由式（1-4）得
（1-7）
M/T法測速：同時測量檢測時間和在此檢測時間內脈沖發生器發送的脈沖數來確定被測轉速，其原理如圖1-3所示。它是用規定時間間隔以后的第一個測速脈沖去終止時鐘脈沖計數器，并由此計數器值來確定檢測時間T。檢測時間為
（1-8）設電機在T（s）時間內轉過的角度位移為X（rad），則其實際轉速值為
（1-9）如果電機每轉動一圈脈沖發生器輸出P個脈沖，在T時間內，計數值為，則
角位移X為。同時，考慮在檢測時間內，由計數頻率為的參考時鐘脈沖來定時，且計數值為，則檢測時間T可表示為，于是被測轉速為
（1-10）
上式中的項是常數，在檢測時間T內，分別計取測速脈沖和時鐘脈沖的脈沖個數和，即可計算出電機轉速值。計取時間內的測速脈沖的個數相當于M法，而計取T（）時間內參考時鐘脈沖的個數相當于T法，所以這種測速方法兼有M法和T法的優點，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法測量轉速在極端情況下會產生士1個轉速脈沖的誤差，而T法在極端情況下，時間的測量會產生士1個高頻脈沖周期，由于轉速脈沖的頻率遠小于高頻脈沖的頻率，因此如果用轉速脈沖信號的上升沿/下降沿來同步計數器的起止，在預定的測速時間內，轉速脈沖信號的計數值將為整數(無誤差)，只有高頻時鐘脈沖會產生土1的誤差，因其很小，影響可以忽略，所以M/T法可適用于測量高、低速的場合，且具有較高的測速精度，但檢測時間不宜過長。雖然M/T法測速可滿足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求，它具有寬的調速范圍、高精度和高分辨率的特點，但對于快速響應的伺服系統，M/T法在低速運行時，會使檢測時間過分加長，這是速度閉環所不能忍受的。
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