机床主轴测速课程设计-电机或机床主轴转速的测量

1 一、 课程设计说明书 设计课题 ： 电机或机床主轴转速的测量（一路或两路），速度不高于己于1000 转 /分。查资料，选择合适的传感器，参考：编码器、圆光栅等。要求能够辨别方向，设计信号辨向和不低于 4 细分的电路。设计信号计数电路，设计单片机的信号采集电路及显示电路。计算显示当前转速，进行测量误差的简单分析。编写程序。设计电路图对应的 (选做 )。 二、 设计要求 1、设计原理图，用计算机 图。 2、设计电路图对应的 (选做 )。 3、传感器选择合理，电路正确。 4、编写软件程序。 5、提交完整的电路图 6、提交 (选做 ) 7、提交不少于 3000 字的设计报告。包括设计思想，电路设计说明，程序。说明书中应有选用元器件引脚的说明（单片机除外）。 三、 设计步骤 1、 机床主轴转速测量的总体设计 对机床主轴转速的测量 通过设计滤波、细分辨相、信号计数电路，将增量式编码器与 805l 单片机相连，单片机与 码管显示电路相连作为系统的硬件部分，软件编程实现转速测量、数据采集、输 2 出及显示。 系统的框架图如 图 1： 图 1 机床主轴转速测量系统图 2、增量式光电编码器 光电 编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 光电编码器按其 刻度方法及信号输出形式 可分为： 增量式、绝对式以及混合式三种。根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式 。 本次课程设计在于测量机床主轴的转速，因此选用了增量式光电编码器，因为增量式编码器具有 原理构造简单、易于实现；机械平均寿命长，可达到几万小 时以上；分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高 ，并且跟 8051 的接口很容易连接。 增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路 组成， 如图 2 所示： 图 2 增量式光电编码器的组成 码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期； 检测光栅上刻有 A、 B 两组与码盘相对应的透光缝隙，用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。它们的节距和码盘上的节距相等，并且两组透光缝隙错开 1/4 节距，使得光电检测器件输出的信号在相位上相差 90电度角。当码盘随着被测转轴转动时，检测光 栅机床主 轴 增量式光电编码 器 四细分 辨向 电路 细分信号连接电 路 8051单片机 示器 3 不动，光线透过码盘和检测光栅上的透过缝隙照射到光电检测器件上 光电检测器件就输出两组相位相差 90电度角的近似于正弦波的电信号，电信号经过转 换电路的信号处理，可以得到被测轴的速度信息。增量式光电编码器输出信号波形如图 3 所示。 图 3 增量式光电编码器输出信号波形 信号转换电路用来把近似正弦波的信号转变为方波，转换电路图如 图 4： 图 4 增量式光电编码器中的转换电路 通过转换电路的 A、 B 信号，连接到四细分辨向电路中去，作为四细分辨向 电路的两个输入信号。 4 3、四 细 分辨向 电路 图 5、 四细分辨相电路图 该电路 (见图 5)是利用单稳提取两路方波信号的边沿实现 四细分的 。 A、 0 的方波信号，传感器正相移动时，设 (如图 6)，当 正跳变时，由非 门 阻 容 ，此时 B 为高电平， 由与门和或门组成的 与或非 门 于 由与门和或门组成的与 或门 当 正跳变时， 由 非门 阻 容 ，此时 非门 电阻 容 输出窄脉冲信号 /A ，此时 或非 门 当 由 非 门 阻 容 B ，此时 A 为高电平，与或非 门 样， 在 正向运动时， 次 输出 A ， B 、 /A 、 /B 四个计数脉冲，实现了四细 5 分。 在传感器反相运动时， 由于 A、 ，这时 出 /A 、 B 、 A 、 /B 四个计数脉冲，这四个计数脉冲分别出现在 B 、 A 、 B、 样实 现了四细分。 出信号1单片机相连接。 四细分电路后1为正向运动和反向运动 ，如图 7： a) 正向运动 b) 反向运动 图 6、 正反转时 1出波形图 4、 细分信号连接 电路 细分信号整形电路用来把1 触发器转换成8051 单片 机 所能识别的信号，用来显示机床是正转还是反转 ，直 接把1效 信号直接输入到 8051 单片机 。细分信 号整形电路电路图如图 7： 6 图 7 细分信号连接 电路 该电路由一个 一个与门构成，当 机 轴正向旋转时，1 2电路图容易得出 5输出与1于 时钟脉冲 Q 端 输出低电平 ；当主轴反向旋转时，1 2理 5端输出矩形波脉冲，由于 ， 因此无论时钟脉冲 Q 端 输出 为高 电平 。 051单片机 连， Q 端与 8051单片机 连 ,在通过 8051单片机 编程判 断出电机的正反转。 所示： 图 8、 7 D 触发器的逻辑功能： D=0 当时钟脉冲来到之前，即 时， 输出均为 1，输入端全为 1 而输出为 0。这时，触发器的状态不变。 当时钟脉冲从 0 上跳为 1，即 时， 输出保持原状态未变，而 输入端全 1 其输出由 1 变为 0。这个负脉冲一方面使基本触发器置 0，同时反馈到 输入端，使在 期间不论 D 作何变化，触发器保持 0 状态不变。 D=1 当 时 ， 输出为 1， 输出为 0， 输出为 1。这时，触发器的状态不变。 当 时， 输出由 1 变为 0。这个负脉冲一方面使基本触发器置 1，同时反馈到 输入端，使在 期间不论D 作何变化，只能改变 输出状态，而其他门均保持不变，即触发器保持 1 状态不变。 此次细分整形电路使用了 在 时钟脉冲 直为 1 时，不论 触发器保持 1 状态不变 ， 在 D 一直为 0 时，无论时钟脉冲 何变化，触发器保持 0 状态不变。 注：在电动机正转前， 应在 触发器置位 1 状态 。 D 触发器的逻辑状态表如表 1 所示 D 1 功能 0 0 1 0 0 置 0 1 0 1 1 1 置 1 表 1、 D 触发器逻辑状态表 8 5、 8051 单片机 、单片机端口及控制电路 8051 单片机通过细分信号连接电路与四细分辨向 后的信号相连接， 8051 单片机通过单片机内部编程实现主轴转速的显示。 8051 单片机的端口图形如图 9 所示： 图 9、 8051 单 片机的端口 8051 单片机复位及时钟脉冲信号电路如图 10 所示： 9 图 10、 8051 单片机复位及时钟脉冲信号电路 、单片机控制字设置及工作方式 : 1 工作模式寄存器 定时计数器的方式控制字 地址为 89H，复位值 00H，不可位寻址。其 8位控制内容如表 2所示 ： 表 2、共作模式寄存器 其中，低 4位用于 4位用于 位功能的介绍 : 0：操作模式控制位。两位可形成 4种编码，对应于 4种操作模式（即 4种电路结构），其操作模式如表 3所示： 作模式 功能描述 0 0 模式 0 13位计数器 0 1 模式 1 16位计数器 1 0 模式 2 自动再装入 8位计数器 1 1 模式 3 定时器 0；分成 2个 8位计数器 定时器 1；停止计数 表 3、 0控制的 4种工作模式 C/T ： 定时器 /计数器方式选择位： C/T =0，设置为定时方式。定时器计数 89即对 机器 10 周期（振荡周期的 12倍）计数。 C/T =1，设置为计数方式，计数器的输入时来自 的外部脉冲。 控位 时，只要用软件使 ，就可以启动定时器，而不管0或 1的电平是高还是低。 时，只有 0或 1引脚为高电平且由软件使 时，才能启动定时器工作。 根据前面的描述，可以确定 1H。 程序中用： #51H 将控制字送入 2控制寄存器 8H， 复位值 可进行位寻址 还可以进行字节寻址。各位定义及格式如表 4所示： 表 4、 控制寄存器 出标志位。当 出时，由硬件自动使中断触发器 ，并向 请中断。当 应中断 进入中断服务程序后，被硬件自动清 0。 可以用软件清 0。 11 出标志位。其功能和操作情况同 行控制位。可通过软件置 1 或清 0 来启动后关闭 程序中用指令“ 置 1.，定时器 开始计数。 行控制位。其功能机操作情况同 部中断 1 0求及请求方式控制位。 、定时器以及计 数器的选择 本课程设计中，选定了以 为定时器， 为计数器，口输入脉冲的在由 时器规定的时间内所产生的信号个数判定机床主轴的转速，根据 口的信号判定机床主轴的转向。 此次选定的固定时间为 1s，因此在设定定时器时，考虑到了单片机直接定时为 1s 时， 示器的效果不好，也不能及时的了解机床主轴的转速。因此把 时器的时间设定为 100环次数为10 次，同时用考虑到 示器的情况，因此在此程序中 ，又 设定了 时器的时间定时为 10 示器中显示出来。 在编写 程序时，设定定时时间为 100，计数值 X 为： 1 6 36122 * 1 0 0 * 1 06 * 1 0 求得： X=15536=3此： （ = =3理可得到在定时为 10，（ = =12 其中定时为 100编程程序为： #3、 示器 本课程设计要求机床主轴转速的范围在 1000r/下， 又要能够显示机床主轴的转动方向， 因此 需要使用四个 示器。 前三个 分别显示 百位、十位、个位，第四个 指示机床主轴的转动方向。当机床主轴正向旋转时，第四个 不显示，当机床主轴反向旋转时，第四个 显示符号“ ”（ g 段发光二极管被点亮）， 段显示器引脚配置 以及选用的极性 如图 11 所示： a）显示器引脚图 b）共阴极 图 11、 示器引脚及共阴极图形 由于为动态显示，只需要 09 这 10 个数字，因此共阴极 7 段 示字形编码表如表 5: 显示字符 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 共阴极 3F 06 5B 4F 66 6D 7D 07 7F 6F 表 5、共阴极字形编码表 13 8051 单片机与 示器的连接如图 12 所示： 四、 转速测量及误差分析 1、转速测量： 机床主轴 转动速度的数字检测基本方法是利用与 机床主轴 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 , 测量转速和判别其转动方向 。 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 P T 法 ( 频率 P 周期法 ) 。 在图 13 中列出了 3 种常用的基于 光电编码器的测速方法，假定时钟频率为 f，光电编码器每转脉冲数为 P 14 图 13、常用测速方法原理图 根据 3 种常用的基于光电编码器的原理图可知，又此次课程设计的转速范围为 1000r/下为低速，最好是采用 T 法，但 考虑到单片机的编程以及方便于数字显示，此次转速测量选用了 M 法。 M 法的测量原理为： 通过测量一段时间间隔的编码器脉冲数来计算转速，如图 13（ a）所示，设在固定时间 T 内测得的编码器脉冲数位 M，则转速为： 60 15 课程设计中，增量式光电编码器每转脉冲数为 15，通过四细分电路后传到 8051 单片机 中去，选定固定时间为 1s，因此通过公式可得， ， 因此在 1s 内经过四细分电路后在单片机中的脉冲数目即为机床主轴转动的转速。 2、误差分析： 机床主轴转动 转速测量装置的误差主要 来源于 3 个方面，分别为传动误差、计算方法 及传感器 误差、单片机误差。 、传动误差 机床主轴和传感器 连接方式引进 的 误差。 不同的连接方面会带来不同的误差，这些误差或多或少的都会影响，通过选择合适的连接方式就可以尽可能的减小传动误差。 、计算方法及传感 器误差 由转速公式： 60出因 M 的量化误差是 1 个脉冲，故转速变化： 6 0 ( 1 ) 6 0 6 0 P T P T 其相对误差为： 1 60 6 0 1* 相对误差 N 加入一个脉冲后的转速值 N 转速误差 随转速 N 增大而减小，因此这种方法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差越大。因此本次课程设计选用此算法会产生误差。 增量式光电编码器误差： 对于转速检测系统，其性能好坏主要 取决于准确性和分辨率。而准确性直接受到光电编码器性能的影响，由于 编码器在制造过程中所形成的分割误差总是存在的。增量式光电编码器由于无记忆能力，码盘的线数高，故对 抖动干扰非常敏感， 尤其在旋转方向变换和低速运动时影响最大。当机床主轴 的转动极不均匀时影响会很明显。如果缺乏有效的抗抖动和消除误码能力，系统的检测精度与实际值之间将会产生较大误差。 单片机计数误差 单片机定时 采用把 1 秒分为 10 个 100次采样的脉冲数都累加到 ，直到 1 秒钟，再把总计数送到显示缓存器中。 程序运用中断来调用显示，即每采样 100显示转速。 单片机在中断时由于有时间的延时，因此真正的时间有所变化，因此会产生误 16 差。当电机处于加速或是减速时，也会 带来误差。 五、 软件编程 及程序流程图 1、软件编程 主 程序： 0000H 000 #60H B， #0 ；寄存器 B 写 10 #51H ； 时 式 1，每隔 100次为 #0 ；赋定时器初值 100#3#00H ； 数，初值为零 #00H ；开定时器 ；开总中断 $ 中断服务程序： 000 ； 关闭两定时器 A， ； 计数器值高八位叠加到寄存器 A， A A， ；计数器值低八位叠加到寄存器 A， A #64H ； 示 次数 100 次 B， ； 判断是否中断了 10 次 B， #0 ； 重新给 B 赋值 10 ； 二、十进制转换 #64H ； 示次数 100 次 17 #11H ； 式不变 ， 式 1， 定时 #0；定时器 初值定时 10 #78H ； 开 ； 等待 出 ； 清除 出位 ； 调用 10次数据动态显示子程序 ； 循环显示 100 次 ； 关定时器 两个定时器回到初始模式 #51H #00H #00H #0#3 ； 开启两定时器 示子程序 ： A， 40H， A ； 将个位放入 40H 单元 A， 39H,A ；将十位放入 39H 单元 A， 38H， A ；将百位放入 38H 单元 #40H ；显示数据首地址写入寄存器 #80H ；位选信号“ 10000000”写到 A， # ； 字形表头地址送 B ； 判断正反转状态 A ； 反转第四个数码管显示 A， #40H ； 符号 “ 一 ”的段码送到 A ；调用延时 1程序 18 #0 ； 正转第四个数码管不显示 A， 2： A ； 从倒数第二个数码管开始显示 A， A， A+ ； 取出字形码 A ；送到 示 ；调用延时 1程序 ；数据缓冲区地址向下移一位 A， B ； 第一个数码管显示了吗 ? A ； 没有 ， 位选左移一位 A ； 再次动态显示一次 306H， 5466H， 6 707H， 76 ； 共阴极 示字形编码表 #02H ； 1时子程序 #0 A ； 二、十进制转换子程序 A A A # C A， A A， A A A， ； 是个位数字 A， A A 19 A A， ； 是十位 数字 A， A A A A， ； 是百位数字 A， A A A ；判断是否转换完成 、程序流程图： 主程序流程图 中断服务程序流程图 开始 中断次数 10 写入 B 设定时器、计数器工作 方式 定时器 初值，定时为 100数器 零 开定时器 数器 中断 等待定时中断 20 显示子程序流程图 ： 中断程序入口 关闭两定时器 数器 八位加入八位加入 =0？ 赋值 10 进制转换程序 时器 初值，定时为 10定时器 1 溢出？ 待 清除 出位 调用显示子程序1=0？ 1 中断返回 显示循环次数 100写入 新设定工作模式变， 为定时模式 1，定时 10定时器 开启两定时器21 示子程序 个、十、百位数据写入40H、 39H、 38H 单元 首地址 40H 写入？判定正反转 ()N 反 转示器 送出“ ”号段码显示 延时 1位控制信号 取显示数据 查表取字型码 送出一位显示 延时 1向下一个缓冲单元（ 1 ？ 显示完了吗？ 结束 控位信号左移一位 22 六、 设计小结 为期两周的课程设计，在忙碌中结束了，一边需要考试，一边还需要思考自己课程设计的题目。此次，我所获得的课程设计的题目为电机或机床主轴转速的测量。初次看到题目时，只能了解到我们需要做一个速度显示的装置，具体的细节则是十分的不清楚，拿到题目不知道从哪里开始入手。 通过为期两天的网路收索和通过图书馆的书籍，初步掌握了如何开始此次的课程设计，通过课程设计的提示以及自己对以前课程的理解，我初步做出了系统的总框架，通过传感器把机床主轴转速变为脉冲信号，经过一系列的电路最终通过单片机编程从显示 器中显现出来。在选择传感