基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

的主要工作在于： (1)差动动磁铁型磁电速度传感器结构设计 (2)有限元软件分析 (3)传感器结构参数影响分析 (4)实验验证 [3]。 目前 ,技术先进国家的冶金厂 ,在自动化程度上的进展很迅速 ,其中对检测钢管的在线速度所采用的装置大都是压辊接触式的测速仪表 ,这种装置有丢转现象 ,造价较高 ,且寿命较短 ,现场维护不便。 近年我国从日本、意大利引 进的几套机组就采用了这种测速装置。 考虑到上述因素 ,我们试验研制一种非接触式 (磁电 )测速传感器 ,同时采用了峰 —峰值电路 ,在二次仪表上可直观地获得钢管的在线速度 ,为实现微机自动控制提供可靠依据 [4]。 电机转速自动检测的研究现状及发展趋势 电机 在各行各业中发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而需要测量电机转速，使它满足人们的各种需求。 转速是电机 运转的 一个 很 重要的状态参数 ,在运动系统的 一般测量 中 ,大多 需要测量电机的转速 ,然而 直接影响系统控制情况 的因素是转速 测量的精度 ,它是 影响 测控 结果 的 一个因素。 不论是交流调速系统还是直流调速系统 ,只有高精度转速的检测才能得到高精度的 控制系统 [5]。 随着 微电子技术不断的发展 ,尤其 是 出现了 高性价比 的新型 单片机 ,为测量电机 的 转速 提供 了广阔的空间。 在 一般情况下 ,基于霍尔传感器、光电传感器的转速测量系统 都可以 准确的测量电机 的 转速。 但在机床侧面、粉尘环境等恶劣 的情况 下 ,光电 传感器 测量转速 的 方法 存在 较大误差。 无线电机转速测量方法 ,给出了各个单元模块。 基于加速度计的电机转速测量方法 ,给出了硬件电路的设计和测试原理。 通过对比研究可以看出 ,本测试方法具有一定的 应用价值 [6]。 电机 转速是判断电机运行状况的重要标志之一。 目前 ,实验室电机转速一般通过转速表来测量 ,通常采用测周法和测频法。 这两种方法的测量精度与记录的脉冲个数有关 ,随着被测电机的转速变化 ,在极端的情况下会产生 177。 1 个字的误差。 针对传统电机转速检测方法的不足 ,阐明了利用等精度测量方法对实验室电机转速进行测量和监控报警的具体原理。 以 FPGA（ Field－ Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）控制芯片为核心 ,设计了相应的电路系统 ,并通过 MAX+PLUSH 进行了仿真分析 [7]。 在异步 电机矢量控 制等电机控制的研制过程中，为了得到电机的运行工况，更好地研究 异步 电机矢量控制方案和记录、分析实际运行效果，需要对异步电机的各种信号进行采集、存储、分析、显示。 为了达到上述目的，需要同步、长时间地采集异步电机端部电压信号、电流信号、电机转速等多路信号，并对采得的信号进行实时存储、动态回放和分析处理，采用传统测量仪器已经不能满足这些要求，采用数字存储示波器记录数据，存在存储深度不够及数据分析处理的问题。 如果采用计算机技术同仪器技术相结常州大学本科生毕业设计 第 3 页 共 36 页 合的虚拟仪器技术，可以更好地实现上述功能。 针对异步电机控制系统的测试要求，需要 研制基于虚拟仪器技术的异步电机运行工况测试系统 [8]。 转速测量主要内容 ，对转速的周期测量法 ―T‖法、频率测量法 ―M‖法以及周期频率 ―M/T‖测量法，三种具体测量方法的转速计算、各自的测量精度和误差进行阐述。 定性地比较三种方法所针对的转速特征，分析高、中、低转速情况下各自的适用状况，从而，在保持一定的测量精度情况下，应用 ―M‖法，说明转速测量原理。 ，构建软件系统，分别估计对硬件系统的配置，使其能够 准确的 测量转速。 同时分析电路 中的 接口 部分 ，显示 转速。 的 定时 器 /计数器进行设置，设计 、 说明定时 器 /计数器在 ―M‖法测量中的作用和使用方法， 并且 讨论测量 转速 的精度问题。 的具体 要求设置控制字，用 汇编语言或 C 语言编制程序，包括主程序，转速计算程序，中断程序，同时并写出其具体 的 程序。 2 转速测量系统的总体方案 电机测速的方案 电机测速的系统框图如图 1 所示，它由测量台、磁电传感器、二次仪表电路、单片机以及显示屏组成。 测量台用于测量电机的转速，把磁电传感器采集到的电机转速信号送入二次电路，因为磁电传感器采集 的正弦信号比较小，所以需要放大电路将采集到的正弦信号放大，再经过施密特触发器将正弦信号整形为方波，才可以送入单片机，单片机通过在一定时期内计数脉冲的次数，再通过计算公式转换为转速并显示。 单片机上连接有LCD 数码管和报警器。 其中， LCD 数码管用于显示电机的转速，当 转速比设定值高 时，蜂鸣器报警。 图 1 电机转速检测的系统框图 电机转速测量台装置示意图 磁电 传感器测量电机转速的安装示意图如图 2 所示，被测电机主轴通过联轴器连接LCD 显示 报警器 单 片 机 电机 转速信号采集 电机 二次电路 常州大学本科生毕业设计 第 4 页 共 36 页 一安装 12 只磁钢电机转盘平台，电机转动过程中，电机转盘平台 随电机一起转动，电机旋转一周有 12 次磁钢与磁电传感器测头相对，根据磁电传感器的工作原理，电机旋转一周使磁电传感器的输出电压变化 12 次，转速和磁电传感器输出电压变化频率的关系是 n=60*f/12。 图 2 磁电转速传感器安装示意图 电机转盘平台由电机的转动而运转，平台上有 12 个磁钢，如图 3 所示。 磁电传感器的测头通过对 12 个磁钢的旋转的测量，产生变化的电压正弦信号。 图 3 电机转盘平台和磁钢 软件设计思路 软件需要解决的是定时器 0 的记数和外部中断 0 的设定、由于测量的转速范围大，所以低速和高速都要考 虑在内，关键在于一个四字节除三字节程序的实现。 显示部分、需要有一个二进制到十进制的转化程序，以及转换成非压缩 BCD 的程序后、才能进行调用查表程序送到显示。 PC 机串口和单片机串行口的工作方式，包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、停止位等均由通信部分的软件部分实现。 软件工作流程： 磁电传感器利用磁电效应产生一周期脉冲向单片机的外部中断 0（ ）口发送一个中断信号，定时器工作在内部定时， TH0、 TL0 设定初值为 0，作为除数的低两字节，利用软件记数器、定时器 0 中断的次数作为除数高字节。 中断完毕读取内部记数值作为 除数，调用除法程序计算转速，再对二进制数进行一系列变换后调用查表显示程序，显示在 LCD 上。 转速部分软件设计思路： STC12C5A60S2单片机的。 主要常州大学本科生毕业设计 第 5 页 共 36 页 编写一个外部中断服务程序 INT_0，读取记数值的三个字节，并再次清 0记数初值以便下次的记数和计算。 调用两字节二进制 三字节十进制（ BCD）转换子程序 BCD，再调用十进制转换成非压缩 BCD程序 CBCD、最后调用查表程序送显示。 为了和 PC通信，系统要求单片机晶振。 软件的具体设计我们将在下面的章节中作详细介绍。 3 系统硬件设计 转速测量原理 在实时控制中的应用，数字测速方案必须在很短的检测时间内有高分辨率和高精度的特征。 转速的测量有三种方法，三种方法各有各的特点。 其中，最常用的数字方法被称为 T 法 , M 法 , 和 M/T 法 [9]。 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 4―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 Xτ，则转速 n 可由下式表示： n= TX260 (31) 转轴转过的弧度数 Xτ可用下式所示 m1 Xpm12 (32) 图 4 “M”法测量转速脉冲 将（ 32）式代入（ 31）式得 转速 n 的表达式为： n= TPm160 （ 33） P为转轴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，测量精度是由于定时时间 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。 常州大学本科生毕业设计 第 6 页 共 36 页 测周期法 “T 法 ” 转速可以用两脉冲产生的间隔宽度 TP 来决定。 用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据， TP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 1/N， N 为码盘孔数。 如图 5―T‖法 的 脉宽测量所示。 TP由 定时器 测量得到。 定时器对频率为 fc 的时 基脉冲计数 并 定时，在 Tp 时期 内计数值若为 m2， 那么 计算公式为： n=PPT60 （ 34） 即： 260Pmfn c （ 35） Fc为硬件基准时钟 的 脉冲频率：单位（ Hz）； n转速单位：（转 /分）； m2时基脉冲。 图 5 “T”法脉宽测量 由 ―T‖法脉宽测量可知 ， ―T‖法测量 的 精度误差主要有两个方面，一是 由于 两脉冲上升 沿 的 触发时间 不同 而产生的；二是计数 、 定时 的 起始和关 停 不 同 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。 测频测周法 “M/T 法 ” 测频测周法， 就 是 结合 了 ―T‖法和 ―M‖法分别对高、低转速具有不同的精度，利用各自的优点而 结合 的方法， 测量的 精度 在 两者之间，如图 6―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） 和 预设的定时时间进行定时和计数， m1 对应 转角， m2 对应 测速的准确时间，通过计算可 知转速值 n。 此 法在高速 和 低速时都具有 比 较高的精度。 测速时间 Td 由脉冲发生器脉冲来同步，即 Td 等于 m1 个脉冲周期。 由图可 知 ，从 a 点开始，计数器对 m m2计数，到达 b 点，预定的测速时间时，单片机发出指令停止计数，因为 Tc 不一定等于整数个脉冲发生器 的 脉冲周期，所以计数器 继续 对高频脉冲继续计数， 当 到达 c 点，脉冲发生器的脉冲上升沿使计数器停止， 如此 ， m2就代表了 m1个脉冲周期的时间。 ―M/T‖法 结合 了 ―T‖法 和 ―M‖法，转速计算如下： 常州大学本科生毕业设计 第 7 页 共 36 页 设高频脉冲的频率为 fc，脉冲发生 器每转发出 P 个脉冲，由式（ 32）和（ 35）可得 M/T 法转速计算公式为： 2160Pmmfn c (36) n转速值。 单位：（转 /分）； fc晶体震荡频率：单位（ Hz）； m1输入脉冲数，反映转角； m2时基脉冲数。 图 6 “M/T”法定时 /计数测量 转速测量系统中应用的方法 T 法。 电机的速度是通过连续两个脉冲编码器之间时间的倒数测量的。 解决这个高分 辨率要在较低的速度范围，但代价是检测时间长；然而，随着速度的增加，分辨率会降低。 M 方法。 速度通过计数脉冲编码器在一个固定的时间间隔来测定；计数器的值和速度是成正比的。 因此，需要足够长的检测时间计数足够数量的编码器脉冲来获得高精度，尤其是在低转速范围。 由于上述限制而难以实现高精度和快速响应。 M/T 方法。 这种方法是结合 M 和 T 方法的优势；高频时钟在速度检测周期用于实现数字化脉冲编码器。 这个阶段，就是检测的时间，由同步的第一脉冲编码器之后的规定时间确定。 在比较与 T 和 M 方法，检测时间与法 M/T 中具有不同的特点。 如果在规定的期限被指定，那么，速度检测时间由实际速度决定。 在低转速范围，它比 T 方法具有较长的时间。 数字回路系统往往需要等速采样率；然而，这种方法由于变量检测时间有实际的限制。 为此，基于 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。 磁电传感器的简介 常州大学本科生毕业设计 第 8 页 共 36 页 图 7 磁电传感器示意图 本次设计所用的磁电传感器为实验室原有的磁电传感器，如图 7 所示。 实验台输入的电压时 520V，本磁电传感器相对 12 个磁钢显示的电压是。 磁电感应 磁电感应式传感器也称为电动式传感器，它是 通过 导体和磁场发生相对 的 运动而在导体两端输出感应电势。 因此它是一种机 —电能量变换型传感器，不需要 外加 电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗 很 小， 而且 具有一定的频率响应范围（一般为 10Hz~200Hz），适用于转速、振动、扭矩等测量 [10]。 根据电磁感应定律 , 当 w 匝线圈在恒定磁场内运动时 , 设穿过线圈的磁通为 Φ, 则线圈内的感应电势 E 与磁通变化率 dΦ/dt 有如下关系 : E=w(dΦ/dt)。 磁电传感器的结构 常见的磁电传感器有变磁通式和恒磁通式两种， 如图 图 9 所示： 图 8 变磁通式磁电传感器结构图 常州大学本科生毕业设计 第 9 页 共 36 页 图 9 恒磁通式磁电传感器结构图 磁电传感器的应用 磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。 磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件，及表面有缝隙的转动体都可测量。 磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无需润滑。 磁电式转速传感器的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，可以和各种二次仪表 搭配使用。 磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。 但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。 实验室所用的磁电传感器输出的信号偏小，不足以让单片机准确的读取。 因此需要二次电路对磁电传感器采集的信号进行放大、整形。 如下图 10 所示，磁电传感器采集的信号首先传入放大电路，经过 9013 的 NPN 型三极管，将磁电传感器采集的正弦信号进行放大。 因为磁电传感器出来的是正弦信号，因此需要施密特触发器对放大的正弦信号进行整形 再送入单片机进 行计数。 图 10 二次电路的系统方框图 二次电路元件 NPN 三极管 [11] 9013 型三极管如图 11 所示，此三极管的最大消耗功率是 ，最大集电极电流是 ，集电极 基极击穿电流是 45V。 采集的信号 放大电路 整形电路 单片机 常州大学本科生毕业设计 第 10 页 共 36 页 图 11 9013 三极管示意图 9013 三极管的其他参数如图 12 所示： 图 12 9013 三极管参数 二次电路中通过运用元器件 74LS00 与非门搭建了一个施密特触发器，用于对放大的正弦信号整形为方波，再由单片机对脉冲进行计数。 74LS00 的引脚如图 13 所示： 常州大学本科生毕业设计 第 11 页 共 36 页 图 13 74LS00 引脚 单片机及其接口。