转速测量及控制系统设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业测试技术基础课程设计报告书设计题目 转速测量及控制电路设计院 （系） 机械工程与应用电子技术学院 班 级 指导教师 组 长 组 员 2011 年 6 月 7 日 北京工业大学目 录 TOC o 1-3 h z u 一、课题背景、目的及目标在各种工业生产领域里都活跃着各式各样的旋转机械，如何正确地测量这些旋转机械的转速，并加以控制，这对利用旋转机械获得输出动力的用户来说，是一项不可缺少的工作。我们的系统就是来实现如何测量转速并进行转速控制的功能，最终可以应用到实际生产过程

2、中。二、方案选择转速的测量方法多种多样，利用传感器来测量是现今最通用的路径。广泛应用的传感器有光电传感器、电磁传感器、霍尔传感器等。2.1备选方案1.运用光电式转速传感器将转速信号转为数字信号，将信号传送到计算机，运用labview显示电机转速，并发出转速控制命令，在经过D/A转换和控制电路控制电机转速；光电式转速传感器计算机D/A转换控制电路电机图2.12.运用光电式转速传感器将转速信号转为数字信号，将其传送至放大电路并显示转速，和要求的转速进行比较，然后调整控制电路地滑动变阻器电阻，进而控制电机转速电机光电式转速传感器计数电路控制电路 图2.23.运用霍尔式转速传感器将转速信号转为数字信号

3、，将其传送至放大电路并显示转速，和要求的转速进行比较，然后调整控制电路地滑动变阻器电阻，进而控制电机转速。电机霍尔式转速传感器计数电路控制电路 图2.3经过分析讨论和实际操作，考虑到我们的控制电路和显示电路的电压限制，我组最终选择第三套方案。下面是方案电路的具体分析：2.2测量电路原理2.2.1主要原理： 霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。因此在霍尔转速传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔转速传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。所以我们

4、对输出信号采集后，在单位时间内统计有多少个高频信号，就可以间接的测得转速，单位（转/分）。实验室的测速转盘上有6个磁铁，因此电机主轴旋转一周就产生6个脉冲，根据显示电路板显示的旋转频率f(赫兹),得出转速n（转/分）与频率f的关系为：2.2.2主要元器件本电路中用到的主要元器件有：译码器4511BD、加法器4518BD、触发器4013BD、时钟芯片PCF8583、共阴极数码管等；其电路图如图所示：图2.4芯片资料如下：图2.5各主要元器件及其性能指标时钟芯片PCF8583及周围元件组成的局部电路能产生高精度的频率为1Hz的方波信号。图2.6 产生的方波信号图2.2.3基本思想当接入输入信号后，

5、电路将记录在时钟芯片产生的一个周期信号内输入信号的脉冲数，此脉冲数即为输入信号的频率。2.2.4电路分析在没有接入输入信号时，两个触发器的Q端均处于低电平状态。电路进入工作状态后，当时钟芯片产生的时钟信号脉冲的上升沿到来时，触发器的Q端被置为高电平，随后电容要进行充放电过程，由于时间常数很小，触发器的Q端又很快处于低电平状态，形成一个尖峰脉冲，将加法器和计数器全部清零。这时输入信号的脉冲每经过一个下降沿，加法器就完成一个加一的操作。每完成十个加一的操作，各位加法器的Q4端就会产生一个下降沿的脉冲，使得十位端加法器完成一个加一的操作，实现进位。1秒后，即时钟信号经历了一个周期后，时钟芯片产生的时

6、钟信号脉冲的上升沿再次到来，触发器的Q端又被置为高电平，随后电容要进行充放电过程，形成一个尖峰脉冲，使译码器完成锁存操作，并使显示器显示所记录的脉冲数（即输入信号的频率）。2.3控制电路工作原理2.3.1电路原理图图2.7电路原理图脉宽调质式直流电机控制电路可分为三角波发生电路、电压比较器电路、推挽放大电路等三部分组成，现进行如下分析： 2.3.2三角波发生单元电路图2.8三角波发生单元电路图如图2.8所示，该单元电路是一个三角波发生器，该电路的特点是不需外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态，可以产生稳定的三角波，为整个电路提供时钟脉冲。这个电路首先通过改变运算放大器的正向输入端电压，使工作在

7、饱和区的运算放大器的输出端产生方波，在经过工作在线性区的运算放大器的积分电路使输出端产生三角波。下面介绍主要元件的功能及一些数值的计算。第一级的运算放大器工作在饱和区，通过比较正向输入的电压与零的大小即输出+12V或-12V的方波，第一级运算放大器的输出方波即是第二级运算放大器的正向输入电压。利用工作在先线性区的运算放大器的“虚短路”、“虚断路”原理计算第一级运算放大器的正向输入电压。由“虚短路”，“虚断路”可得 （2-1） （2-2）将式（2-1）代入式中有 （2-3） （2-4）当时产生的方波将从+12V转变为-12V，或者将从-12V转变为+12V，即影响着方波输出的频率，当滑动变阻器滑

8、动到总阻值的50%时，可以得到方波输出的周期为： （2-5）由此可得方波输出的周期为： （2-6）由式（2-4）可见，通过调节电位器（滑动变阻器）可以得到不同频率的方波。2.3.3电压比较器电路单元图2.9电压比较器单元电路图如图2.9所示，为电压比较器单元电路图，此处的LM741运算放大器工作在饱和区，运算放大器的正向输入端为从上一级电路中的输出波形，运算放大器的方向输入端是通过电位器来调节出来的电压，此电压为一个标准的比较值，若三角波的电压比此比较值大，则输出的电压被拉为+12V的高电平；若三角波的电压值比此比较值小，则输出的电压被拉为-12V，也正是调节此处的电压比较值来调节输出波形的占

9、空比。用数学关系式表现上述关系即：若，则有；若，则有。下面以一个实例来计算该电路模块。若此时滑动变阻器放置在总阻值的50%，则此时的电压比较值为：即当将滑动变阻器放置在总阻值的50%时，比较值为0，既可以将三角波变为占空比为50%的方波，此时电机转速的宏观反映即没有转动。2.3.4推挽功率放大单元电路图2.10 推挽放大单元电路图如图2.10所示，为推挽放大单元电路图。此电路部分为功率放大电路，当通过电压比较器输出的电压为+12V时，由三极管（NPN型）基极、发射极和集电极的电压可以判断三极管Q1工作在饱和区。工作在饱和区时，三极管Q1的集电极和发射极将近似短路。由三极管（PNP型）基极、发射

10、极和集电极的电压可以判断三极管Q2工作在饱和区。此时，在连接电机后，三极管Q2的集电极和发射极的电压降为0V，直接导通用来驱动电机，我们驱动的电机的功率为12V，20W。在推挽功率放大电路上半部分导通的同时，下半部分是截止的。我们来看二极管D2的两端所承受的电压为24V，因此，在选用二极管型号时一定要注意这种参数的选择。在注重二极管所能承受方向电压的同时，我们也应当注意二极管的转换频率，及方波的频率。在这里我们所选二极管时选用的是快恢复型的二极管，因为在三角波发生器中的电位器调节到一定程度的时候，产生方波的频率会比较大，二极管恢复的速度一定要能够与此波形相互匹配，所以选用快恢复的二极管。推挽功

11、率放大电路的下半部分与上半部分的工作原理相同。在下半部分工作的时候，推挽功率放大电路是的上半部分是截止的。当有第二级输出的电压为-12V时，由三极管（PNP型）基极、发射极和集电极的电压可以判断三极管Q3工作在饱和区，工作在饱和区时，三极管Q3的集电极和发射极将近似短路。再由三极管（NPN型）基极、发射极和集电极的电压可以判断三极管Q4工作在饱和区。此时，在连接电机后，三极管Q4的集电极和发射极的电压降为0V，直接导通用来驱动电机，我们驱动的电机的功率为12V，20W。此时上半部分的二极管的选用原理和刚才所述的二极管选用原理相同，这里不再重复阐述。2.3.5整体工作原理如图2.11所示，为整体

12、电路模块图，现在将从整体的工作原理来分析脉宽调质式直流电机控制电路。此题目中的脉宽调质式直流电机控制器电路主要由三角波发生单元电路、比较单元电路以及功率放大单元电路三部分组成。三角波发生单元电路是先通过电路的自激振荡产生方波，通过运算放大器与电容的使用产生三角波，即作为第二级电路的输入信号；比较傲单元电路中的运算放大器作为一个比较器使用，即预先设定一个电压标准值，三角波通过与预定值的比较，再通过工作在饱和区的运算放大器产生方波，作为第三级电路的输入信号；功率放大电路为典型的推挽功率放大电路，根据输入信号的正负不同，控制三极管工作的状态，驱动电机转动，实现宏观上的正转、反转和停止。 图2.11整

13、体电路模块图 三角波发生电路用于产生三角波，此三角波的频率与幅值与电路中的电子元器件的属性有定量的关系，这些在上述的计算部分已经阐述，这里不再重复。产生的三角波将输入到第二个电路单元模块电压比较器单元电路。在电路的反向输入端通过调节滑动变阻器的阻值来调节标定的比较值，输入的三角波与此标准的比较值来比较，将其转化为一个有占空比的方波，通过调节滑动变阻器的阻值来调节方波的占空比。此时输出的波形并不能够带动电机的转动，因为输出的电流约为几毫安，必须经过功率放大电路来实现电机的驱动，此处应用的为推挽功率放大电路，通过此电路来提供驱动电机的电流，实现电机的驱动。三、方案具体实施3. 1传感器的选择在系统

14、方案拟定完成之后，我们开始查阅有关传感器的相关资料，在网上查到霍尔传感器的资料后，定下型号QZL300型霍尔齿轮传感器。霍尔效应式转速传感器是小型封闭式转速传感器。通过联轴节与与被测轴连接当转轴旋转时，将转角转换成电脉冲信号，供二次仪表使用。该传感器具有体积小，结构简单，无触点，启动力矩小等特点，使用寿命长，可靠性高，频率特性好，并可进行连续测量。霍尔效应的本质是：固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流

15、强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。3.2电路板制作及调试 电路图确定之后，我们把需要的元器件列好清单，和传感器一起进行采购。然后我们分别进行电路制作：刘国付负责显示电路板的焊接及调试，寇怀鹏进行控制电路板的焊接及调试。经过上电检测及修改后电路板能准确行使功能。3.3整体电路搭建和调试在传感器、控制电路及显示电路都完成的情况下，我们将整体电路连接起来进行调试，确定电路工作范围。四、系统测试的具体步骤及过程和结果 4.1电路分块测试 传感器测试： 由于网上购买霍尔传感器没有货，故我们使用实验室已有的转速实验模块的霍尔传感器进行测试。当输入端电源接入12v电压，

16、输出端接入工作台转速显示端口后能正常显示，调节电压后，转速随电压改变而变化。 控制电路测试： 将焊接好的控制电路接入电源、示波器，检查确认波形无误后我们接上电机，调节滑动变阻器，确定可控制电机转速。 显示电路测试：将显示电路接到5V电压上，函数信号发生器的方波信号作为输入端，调节函数信号发生器的频率，确认显示电路的频率与实际频率无误。4.2整体电路测试在各个电路的功能确认成功后，我们将其进行组装并正确连接电源，进行整体电路测试。测试发现在显示电路显示的数与操作台的显示基本一致，我们又对控制电路进行调节，发现两显示的结果也是同步变化，误差在允许的范围内。图4.1测试显示结果图4.2调节后显示图五

17、、分析与总结 在课设开始时我们采用的是光电式传感器，但在实际测试过程中我们发现使用光电式传感器在相同控制电路下显示电路的数据很不稳定，因此选择更换传感器，使用霍尔传感器后显示电路和操作台的显示基本保持一致，达到预期效果。我们认为光电传感器失败的原因是电机在较低转速情况下，显示电路对光电式传感器的输出信号采集不稳定。图5.1光电式传感器显示结果图5.2霍尔式传感器显示结果此次课程设计是我们作为机械制造及自动化专业的学生第一次完成的较为全面的测试技术及其传感器应用训练。通过这次课程设计，我们感觉到应用测试技术基础是一门实用性较强的课程。平时我们在课堂上学到的都是一些理论性的东西，信号的傅立叶变换，

18、频谱分析，信号的调制与解调，以及调理电路与数字处理等等，在这次课程设计过程中都得到了实践与应用。因此说，课程设计是测试技术基础课程重要的教学环节，我们学习测试技术基础就是为了能够培养我们应用传感器技术的能力和结构创新的能力。我们在这次课程设计中有很多收获。第一、课程设计使我们综合运用了测试技术基础课程及有关先修课程（例如控制工程基础、数字电子技术、模拟电子技术等）的知识，使我们对以前所学到的理论知识有了更深的了解，同时起到了巩固、融会贯通及扩展有关传感器技术知识的作用。第二、课程设计的内容使我掌握了传感器功能实现的一般方法和步骤。通过把理论的东西运用到实践中，使我们加深了对理论知识的理解。第三、提高了相关的工艺能力，如创新能力、动手能力以及计算机辅助设计能力，同时使我们对霍尔传感器的工作原理和发展现状有了更深一步的了解，具备了基本的查阅资料和手册的能力。特别是尝试了如何购买与更换传感器，而且学会了如何调试电路，这些将对我们今后的学习大有裨益。课程设计的工作已经基本完成，我们觉得查阅传感器资料、焊电路板、调试电路都是容易出错的地方，课程设计制作的每一个阶段都不能马虎，尤其是传感器的选择，可以说是提高测量质量的关键，要着重注意传感器输入与输出之间对信号的不同要求，传感器的选择要是不合理，就根本无法完成后面的调理电路。另外，制作过程是一个