电机转速测量系统设计

西安工业大学学士学位论文毕业设计(论文) 题目：电机转速测量系统设计院 （系） 光电工程学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 100106 班 姓 名 叶亚锋 学 号 100106117 导 师 李党娟 2014 年 5 月 20 日西安工业大学学士学位论文1电机转速测量系统设计西安工业大学 光电工程学院 叶亚锋摘要：电机是电力系统的主要设备，而电机转速是衡量动力系统正常工作的重要的性能指标，因而需要测量电机转速，使它满足人们的各种需求。在本设计中多次采用施密特触发器，成为电路的主控芯片，控制着信号的定时和锁純。用三片 CD40110BE 级联实现电路的计数、译码、数码管的驱动等功能，通过对光电耦合器产生的脉冲数进行统计，并把所得到的计数脉冲转化为电机的转速值，利用施密特触发器完成数器的清零和锁純，计数器计数译码后将信号输送到数码管，动态的显示脉冲数目，最后根据脉冲数目计算电机的转速。本设计采用的电子元器件简单普遍，线路连接简单，安装调试容易，测量结果精确，具有较高的实用价值。 关键词：光电耦合器；施密特触发器；计数器；数码显示。西安工业大学学士学位论文2Design of motor speed measurement systemAbstract: The motor is the main equipment of power system, and the motor speed is an important performance index to measure the power system normal operation, therefore need to speed measuring motor, make it meet the needs of people. The Schmidt trigger multiple times in the design of main circuit, a control signal timing and lock the key part of pure. Circuit realization of counting, decoding, digital tube driver functions with three slice CD40110BE cascade, statistics through the pulse number on the photoelectric coupler, and count the pulses to the motor speed value, complete number is clear and pure use lock Schmidt flip-flop, counter after decoding the signal transmitted to the the digital tube dynamic display, pulse number, pulse number according to the calculated motor speed. Electronic components used in this design simple and common, simple circuit, easy installation, accurate measurement result, and has higher practical value.Keywords: photoelectric coupler；Schmidt trigger；timer ；counter； digital display.西安工业大学学士学位论文3目录第一章 绪论 .51.1 课题研究的目的和意义 .51.2 转速测量在国内外的研究 .51.3 电机转速的测量方法 .61.3.1 测频法“M 法” .61.3.2 测周期法“T 法” .71.3.3 测频测周法“M/T 法” .8第二章 转速测量系统的总体方案 .102.1 设计任务 .102.2 设计思路 .102.3 原理框图 .102.4 设计的意义 .10第三章 系统硬件电路的设计 .113.1 主控芯片的选择 .113.2 硬件电路的实现 .113.2.1 电源电路 .113.2.2 电机转速脉冲产生电路 .123.2.3 计数电路 .153.2.4 控制电路 .173.2.5 显示电路设计 .20第四章 电路的焊接与调试 .224.1 电路连接过程的注意事项 .224.2 电路的调试 .234.3 转速测量系统的误差分析 .25第五章 总结与展望 .265.1 总结 .265.2 展望 .26致谢 .27参考文献 .28附录：电机转速测量系统原理图 .29西安工业大学学士学位论文4第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义 电机是将电能从最初的能源形式转换过来的重要桥梁，又是再将大部分电能转换为机械能的装置，电机在电力工业、工矿企业、农业、交通运输业、国防、科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备，在电力工业中，将机械能转换为电能的发电机以及将电网电压升高或降低的变压器，都是电力系统中的关键设备。在工矿企业中，各种机床电机、轧钢机、压缩机、起重机、风机，交通运输中的汽车电器、电力机车、磁悬浮列车、城市轨道列车，农业中的电力排蘸、农产品加工，日常生活中汽车、办公设备、电冰箱、空调、洗衣机，航海和航空领域中的航船推进电源、航空电机，还有国防、文教、医疗等领域都需要不同特性的电机来驱动和控制。随着工业企业电气化、自动化、电脑化的发展，还需要众多的精密控制电机，作为整个自动控制系统中的重要元件。转速是衡量能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量,对于所有旋转机械而言，都需要及时的监测其主轴的转速，电机转速测量仪能准确的反应电机的工作状况，直观的显示动力系统在各个状态下的工作情况，让工作人员能随时了解机器的工作情况，使之保持最佳状态。1.2 转速测量在国内外的研究 电机是工业生产的直接动力，电机是利用电磁感应原理工作的机械，随着生产的发展而不断发展，电机测速仪作为生产设备的一部分，也随电机技术的发展不断改进。转速是能源设备与动力机械性能测试中的一个重要的特性参量，许多动力机械的特性参数是根据它们与转速的函数关系来确定的，如压缩机的排气量、轴功率、内燃机的输出功率等等，而且动力机械的振动、管道气流脉动、各种工作零件的磨损状态等都与转速密切相关。 转速测量的方法很多，测量仪表的型式也多种多样，其使用条件和测量精度也各不相同。根据转速测量的工作方式可分为两大类：接触式转速测量仪表与非接触式转速测量仪表。前者在使用时必须与被测转轴直接接触，如离心式转速表、磁性转速表与测速发电机等；后者在使用时不需要与被测转轴接触,如西安工业大学学士学位论文5光电式转速表、电子数字式转速表、闪光测速仪等。随着科学技术的迅速发展,转速测量仪表已步入现代化、电子化的行列。过去曾经使用过的接触式测量仪表,如离心式转速表、磁性转速表、微型发电机转速表及钟表式定时转速表，均已先后受到冷落.而利用已知频率的闪光与被测轴转速同步的方法来测速的闪光测速仪，虽属非接触式仪表，目前仍有应用,但也退居次要地位。代之而起的是非接触式的电子与数字化的测速仪表。这类转速仪表大多具有体积小、重量轻、读数准确、使用方便等优点，容易实现电脑荧屏显示和打印输出，能够连续的反映转速变化，既能测定发动机稳定情况下的平均转速,也能够用来在足够小的时间间隔这一特定条件下测定发动机的瞬时转速。 转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往可能成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，转速测量系统已经普遍的应用在国民经济发展中。1.3 电机转速的测量方法电机转动的速度称为转速，转速通常用单位时间内的转速表示，单位常为转/分或 r/min。每秒钟的转速也称为转动频率，它是转动周期的倒数。转速的电测法很多，下面就简单的介绍几种：1.3.1 测频法“M 法 ”在一定测量时间 T 内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1 来测量转速，如图 1-1“M”法测量转速脉冲所示，设在时间 T 内，转轴转过的弧度数为 X，则转速 n 可由下式表示：(1-1)TX260t转轴转过的弧度数 X 如下式所示：(1-2)P1tm西安工业大学学士学位论文6图 1-1 “M”法测量转速脉冲将（1-2）式代入（1-1 中）可得转速 n 的表达式为：（1-3）TP1m60nP-为转轴旋转一周脉冲发生器产生的脉冲数；n-转速：单位（转/分） ；T-定时时间：单位（秒） 。在该方法中，由于定时时间 T 和脉冲不能保证严格同步，以及在 T 内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的 1 个脉冲的量化误差。因此，为了提高测量精度，T 要有足够长的时间。定时时间可根据测量对象情况预先设置。设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定的情况下） ，限制了转速测量的量程。而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。1.3.2 测周期法“T 法” 转速可以用两脉冲产生的间隔宽度 来决定。用以采集数据的码盘，可PT以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，也可以用时钟脉冲数来表示。对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的PT1/N，N 为码盘孔数。如图 1-2“T”法脉宽测量所示。 由定时器测得,在PT内计数值若为 ，则计算公式为：2m(1-4)PT60n西安工业大学学士学位论文7即： (1-5)2cPmf60n-基准时钟脉冲频率 ：单位（Hz） ；cf-转速 :单位（转/分） ； n-时基脉冲。2m图 1-2 “T”法脉宽测量由 “T”法脉宽测量可知“T ”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。1.3.3 测频测周法 “M/T 法”所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图 3“M/T”法定时/计数测量所示。“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生） 、及预设的定时时间进行定时和计数， 反映转角， 反映测速的准1m2确时间，通过计算可得转速值 n。该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。测速时间 由脉冲发生器脉冲来同步，即 等于 个脉冲周期。由图 1-3dTdT1可见，从 a 点开始，计数器对 和 计数，到达预定的测速时间 b 点时，12单片机发出停止计数的指令，因为 不一定正好等于整数个脉冲的周期，所C以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达 c 点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样， 就代表了 个脉冲周期的时间。2m1西安工业大学学士学位论文8“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下： 设高频脉冲的频率为 ，每转脉冲发生器发出 P 个脉冲，由式（1-2）和（1-cf5）可得 M/T 法转速计算公式为：（1-6） 21cpmf60nn-转速值：单位（转/分） ；-晶体震荡频率：单位（ Hz） ；cf-输入脉冲数； 1m-时基脉冲数。2图 1-3 “M/T”法定时/ 计数测量通过上面的分析可知，M 法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。T 法适合于低速测量，转速增高，误差增大。M/T 这种转速测量方法的相对误差与转速 n 无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。保证其测量精度的途径是增大定时时间 T，或提高时基脉冲频率 。cf因此，在实际操作时往往采用一种称变 M/T 的测量方法，所谓变 M/T 法，是在M/T 法的基础上，让测量时间 始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。并CT根据第一次的所测转速及时调整预测时间 ,兼顾高低转速时的测量精度。基C于 M 法测量速度，电路和程序均较为简单，且可以在一定的条件下满足精度的要求，所以本设计中采用 M 法进行测量。西安工业大学学士学位论文9第二章 转速测量系统的总体方案2.1 设计任务 根据已学过的知识，设计测量电机转速的电路，绘制电路原理图，要求设计电路能够可靠的工作且满足要求，选取合适的集成芯片，尽量简化电路，做到电路板的经济最小化 ，焊接元器件并完成电路的调试。2.2 设计思路本转速测量系统主要由电机、光电传感器、定时电路、计数电路、显示部分组成。电机测速