光电转速表设计方案.doc

1引言转速是各类电机运行中的一个重要物理量，在工程实践中,我们经常会遇到各种需要测量转速的场合。转速是描述各种旋转机械技术性能的一个重要参量，是电动机极为重要的一个状态参数，在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,飞机、汽车、电机等动力设备的研究、制造和使用等方面，都与转速的测量有着密切的关系。精确地检测转速是提高控制精度的关键。如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。就非接触式转速表检测中,脉冲光源式测速装置能否与转速标准源装置共存的问题,多年来在国内转速计量领域内一直存在着很大的分歧。一些计量科技人员认为,用脉冲光源测速装置作为非接触式转速表检测的标准装置,可以提高测量准确度,方法可行。而另一方则认为,如果此方法可以作为转速标准装置的另一种形式存在,势必造成转速计量领域里的混乱。转速标准源和脉冲光源的测速装置在原理上有质的区别,用脉冲光源测速装置来检测光电式转速表的方式不可取。尽管当前的技术可以将频率信号源做到准确度达到10-6甚至更高,但它不能替代转速标准装置的功能和作用。理由是:第一,脉冲光源光强过大,有可能造成检测人员无法及时发现转速表接收信号的能力或转速表本身光源存在的问题；第二,脉冲光源信号的跳变过于理想,不能代表定向反射纸真实的反射信号,与光电式转速表实际测量时的工作装态差异较大。因此我们认为,只有使用转速标准装置才能完成对光电式转速表整个系统工作性能的准确检测,这也才是转速计量检测的真正目的所在。脉冲光源用于光电式转速表检测尚存在如上弊病,所以更不能应用于其它类型转速表的检测。针对这个问题,我们对国际上一些国家转速表校准方法进行了较为广泛的调研(如德、美、法、英、奥、加等)。比较统一的看法是:使用转速标准装置(即标准转速源)对现有的各类转速表进行检测/校准,综合考虑了转速表实际情况,更具科学性和合理性。光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。2光电转速表总体方案设计21信号采集方案电机转动速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理,根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列,测量转速。目前国内外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。离心式转速表是利用离心原理制成的测速仪表，可以直接读出转速。测转速时，转速表的端头要插入电机转轴的中心孔内，插入前，应注意清除中心孔中的油污，并使转速表的轴与电机的轴保持同心，不可上下左右偏斜，否则易将表轴扭坏，并影响准确读数，而且转速表要间歇使用，以减少磨损和发热。如果要改变量程，还要将转速表取出停转后再改变量程。测速发电机测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出E=CeFn，在输出端接一个刻度以转速为单位的电压表，即可读出转速。闪光测速法是利用可调脉冲频率的专用电源施加于闪光灯上，将闪光灯的灯光照到电机转动部分(可在电机端轴上粘贴一张标记纸片)，当调整脉冲频率使黑色扇形片静止不动时，此时脉冲的频率是与电机转动的转速是同步的。若脉冲频率为f，则电机的转速为n=60f(r/min)。光电码盘测速法是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的一种无接触测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。若编码数为60,测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速n=N/（t*60）*60=N/t。霍尔元件测速法是利用霍尔开关元件测转速的。霍尔开关元件内含稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路。输出电平与TTL电平兼容，在电机转轴上装一个圆盘，圆盘上装若干对小磁钢，小磁钢越多，分辨率越高，霍尔开关固定在小磁钢附近，当电机转动时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的转速。22测速方案根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有:M法(测频法)、T法(测周期法)和M/T法(频率/周期法)。1）M法(测频法)在规定的检测时间内,检测光电脉冲发生器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性,因此M法测量转速在极端情况下会产生士1个转速脉冲的误差。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时,才有较高的测量精度,因此M法适合于高速测量。2）T法(测周期法)它是测量光电脉冲发生器所产生的相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速。相邻两个转速脉冲信号时间的测量是采用对已知高频脉冲信号进行计数来实现的。在极端情况下,时间的测量会产生士1个高频脉冲周期,因此T法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时,才有较高的测量精度,所以T法适合于低速测量。3）M/T法(频率/周期法)它是同时测量检测时间和在此检测时间内光电脉冲发生器所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数,因此只要“同时性”处理得当,M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度。23计算原理设单片机的晶振为fMHz,冲片齿数为D。由于单片机每个机器周期有12个振荡周期,则每个机器周期为12/fMS。若测速脉冲周期为t(通过一个齿时所用的机器周期数),则电机每分钟转速为n=60/(t*D*12*10-6)/f式中t仅为未知量,因此,只要从定时器中测出值,便可精确计算出电机的转速。另外,为了防止有杂信号干扰,在软件处理上还采用了数字滤波。将输出转换为BCD码，经译码选通显示位便可输出电机的转速。3光电转速表硬件设计在硬件设计中提出了出了两个方案：方案一：利用光敏元件检测光脉冲，由光源、光敏二极管、检波放大电路，经整形后利用单片机定时计数。转轴上有几组黑白相间的条纹，白的一部分反射的光强，黑的一部分不反射光，这样一强一弱产生光信号，利用光敏二极管将反射的光信号转换为电信号，然后通过计数脉冲的频率，即可在数显装置上读出旋转轴的转速。方案二：利用光电传感器将光信号转换为电信号，该电信号是具有强弱的连续信号。通过滤波后送入单片机，然后计算频率，即可得到转速。本课题选择方案二，硬件总框图如图1所示：图1转速测量系统框图本系统硬件主要由4个部分组成：1）电源部分2）单片机部分3）数码管显示部分4）信号采集模块部分31电源部分电源由220V转6V的变压器一个、桥式整流电路一个、1000uF和470uF电解电容各一个、0.1uF瓷片电容两个、7805一个组成，经过降压、整流、滤波（其中有高频和低频）、稳压、滤波、去耦得到单片机使用的电源+5V。硬件连接图如图2所示电源信号采集部分单片机数码管显示部分