閆　丹1，吳慶廣2

(1佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005；

2中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132021)

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電動機(jī)測速及顯示分析

閆丹1，吳慶廣2

(1佳木斯防爆電機(jī)研究所，黑龍江佳木斯154005；

2中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132021)

摘要通過對單片機(jī)復(fù)位電路的原理，利用傳感器對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測速，發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外,還要保證測量的實(shí)時(shí)性,要求能測得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速方法，證明了轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。

關(guān)鍵詞電動機(jī)；單片機(jī)；傳感器；測速

0引言

在工程實(shí)踐中,經(jīng)常會遇到各種需要測量轉(zhuǎn)速的場合, 例如在發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時(shí)或連續(xù)測量和顯示其轉(zhuǎn)速及瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。要測速首先要解決的是采樣問題。在使用模技術(shù)制作測速表時(shí)，常用測速發(fā)電機(jī)的方法，即將測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與待測軸相連，測速發(fā)電機(jī)的電壓高低反映了轉(zhuǎn)速的高低。為了能精確地測量轉(zhuǎn)速外,還要保證測量的實(shí)時(shí)性,要求能測得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速方法。因此轉(zhuǎn)速的測試具有重要的意義。

1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的原理

1.1轉(zhuǎn)速測量方法

轉(zhuǎn)速是指作圓周運(yùn)動的物體在單位時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù),其大小及變化往往意味著機(jī)器設(shè)備是否正常運(yùn)轉(zhuǎn),因此,轉(zhuǎn)速測量一直是工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。按照不同的理論方法,先后產(chǎn)生過模擬測速法(如離心式轉(zhuǎn)速表)、同步測速法(如機(jī)械式或閃光式頻閃測速儀) 以及計(jì)數(shù)測速法。計(jì)數(shù)測速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。文中所述采用單片機(jī)和光電傳感器組成的高精度轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng),其轉(zhuǎn)速測量方法采用的就是電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。

1.2轉(zhuǎn)速測量原理

一般的轉(zhuǎn)速長期測量系統(tǒng)是預(yù)先在軸上安裝一個(gè)有60 齒的測速齒盤,用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉(zhuǎn)60 倍轉(zhuǎn)速脈沖,再用測頻的辦法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。而臨時(shí)性轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng),多采用光電傳感器,從轉(zhuǎn)軸上預(yù)先粘貼的一個(gè)標(biāo)志上獲得一轉(zhuǎn)一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖,隨后利用電子倍頻器和測頻方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量。不論長期或臨時(shí)轉(zhuǎn)速測量,都可以在微處理器的參與下,通過測量轉(zhuǎn)軸上預(yù)留的一轉(zhuǎn)一齒的鑒相信號或光電信號的周期,換算出轉(zhuǎn)軸的頻率或轉(zhuǎn)速。即通過速度傳感器,將轉(zhuǎn)速信號變?yōu)殡娒}沖,利用微機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),再經(jīng)過軟件計(jì)算獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

2電子式定時(shí)計(jì)數(shù)測量頻率常用方法

2.1測頻率法

在一定時(shí)間間隔t內(nèi),計(jì)數(shù)被測信號的重復(fù)變化次數(shù)N,則被測信號的頻率fx可表示為

fx=Nt

(1)

2.2測周期法

在被測信號的一個(gè)周期內(nèi),計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)m0,則被測信號頻率fx=fc/m0。式中,fc—時(shí)鐘脈沖信號頻率。

2.3多周期測頻法

在被測信號m1個(gè)周期內(nèi),計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖數(shù)m2,從而得到被測信號頻率fx,則fx可以表示為fx=m1fcm2,m1由測量準(zhǔn)確度確定。

3測量轉(zhuǎn)度系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1轉(zhuǎn)速信號采集

在設(shè)計(jì)中采用光電傳感器采集信號，這種傳感器是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速變?yōu)橄鄳?yīng)頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側(cè)轉(zhuǎn)速值。這種測量方法具有傳感器結(jié)構(gòu)簡單、可靠、測量精度高等特點(diǎn)，是目前常用的一種測量轉(zhuǎn)速的方法。從光源發(fā)出的光通過測速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測速齒盤上有30個(gè)齒槽，當(dāng)測速齒槽旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件就能感受與開孔數(shù)相等次數(shù)的光次數(shù)。對于被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速在0～3600r/min的來說,每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生30個(gè)電脈沖信號,因此,傳感器輸出波形的頻率的大小為

0Hz≤f≤1800Hz

(2)

測速齒盤裝在發(fā)射光源(紅外線發(fā)光二極管)與接收光源的裝置(紅外線接收二極管)之間,紅外線發(fā)光二極管(規(guī)格IR3401)負(fù)責(zé)發(fā)出光信號,紅外線接收三極管(規(guī)格3DU12)負(fù)責(zé)接收發(fā)出的光信號,產(chǎn)生電信號,每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒,光的明暗變化經(jīng)歷了一個(gè)正弦周期,即產(chǎn)生了正弦脈沖電信號。

3.2轉(zhuǎn)速信號處理電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速信號處理電路包括信號放大電路、整形及三極管整形電路。由于產(chǎn)生的電壓信號很小，所以要進(jìn)行放大處理，一般要放大至少1000倍(≥60dB)，然后在進(jìn)行信號處理工作。信號放大裝置選用運(yùn)算放大器TL084作為放大電壓放大元件，采用兩級放大電路，每一級都采用反向比例運(yùn)算電路，設(shè)計(jì)的電壓放大倍數(shù)為3000倍。其中第一級放大倍數(shù)為30，第二級放大倍數(shù)為100，放大后電壓變化范圍為0～4.8V。TL084采用12V雙電源供電，由于電源的供電電壓在一定范圍內(nèi)有副值上的波動，形成了干擾信號。為起到消除干擾，實(shí)現(xiàn)濾波作用，故供電電源兩端需接10UF的電容接地，電容選擇金屬化聚丙已烯膜電容。兩級運(yùn)放放大所采用的供電電源均采用此接法。整形電路的主要作用是將正弦波信號轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號，正弦波信號電壓的最大幅值約為4.8V，最小幅值為0V。整形電路設(shè)計(jì)的是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。從而向輸入端輸入的滯回比較器。在整形電路的輸入端接一個(gè)電容C7(103)，起到的作用是阻止其他信號的干擾，并且將放大的信號進(jìn)行濾波，解耦。R11和R17防止電路短路，起到保護(hù)電路的作用。

3.3復(fù)位電路

MCS-51單片機(jī)復(fù)位電路是指單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)起運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)，見圖1。

復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)過一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復(fù)位。單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，

3.4晶振電路

晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個(gè)網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30μF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定、安全地工作。

4結(jié)語

基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，具有硬件電路簡單，程序簡單和運(yùn)算速度快，測速范圍廣，抗干擾性能好的特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)的信號處理電路中經(jīng)過濾波，能夠進(jìn)一步減少誤差，使測速精度得到提高。

參考文獻(xiàn)

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[3]王雪文.張志勇.傳感器原理及應(yīng)用.北京：航空航天大學(xué)出版社，2004.

ResearchandAnalysisonSpeedMeasurementandDisplayofMotor

Yan Dan and Wu Qingguang

(1.JiamusiExplosion-ProofElectricMachineInstitute，Jiamusi154005,China;2.EthleneGlycolFactoryofPetroChinaJilinPetrochemicalCompany，Jilin132021,China)

AbstractBased on principle of restoration change circuit of single chip computer, motor speed is measured by sensor. Because voltage level of generator reflects magnitude of speed, real-time measurement of speed should be ensured except for accurate measurement, and transient speed should be measured. It is proved that speed measurement has a great significance.

Key wordsMotor；single chip computer；sensor；speed

收稿日期：2015-8-25

作者簡介：閆丹女1978年生；畢業(yè)于哈爾濱師范大學(xué)漢語言文學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)技術(shù)工作.

中圖分類號：TM306

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-7281(2016)01-0038-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.11