电机或机床主轴转速的测量.doc

PAGE PAGE 19 测控电路课程设计说明书 《电机主轴转速测量》 设计：辛改芳 学号第一部分 绪论 1.1设计要求 电机或机床主轴转速的测量（一路或两路），速度不高于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PCB图（选做）。 1.2主要内容 通过选择合适的传感器、设计细分辨向电路、设计信号调理电路、设计单片机硬件电路、编写单片机程序等来实现主轴转速的测量。 1.3基本工作原理及原理框图 按照题目的要求我们要设计出能把转速转换为可以显示的输出电路，并且要能显示出正反转。转速的测量首先是把转速信号转换为可以测量的电量信号，可以用传感器来完成这一步骤。当信号被传感器采集后要经过细分电路和辨向电路处理，处理成便于单片机运算的信号，处理后的信号送入单片机运算和显示，最后转速在LED显示器里显示出来。思路方块图如下： 传感器 传感器 细分辨向电路 后续处理电路 8051单片机 显示电路 电机转速 显示器 1.4设计方案选择 1、传感器： 测量转速的传感器有很多，主要有两种类型：一种是将转速转化为电量信号，比如电磁感应式测速传感器将转速转化为电压或是电流信号；另一种是将转速转化为脉冲信号，比如霍尔式，电磁式、光电式转速传感器。基于题目中的要求和工业现场的环境，我们选择霍尔式转速传感器。 电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号,从而进行脉冲计数。霍尔转速传感器是利用霍尔效应原理工作一个金属或半导体薄片置于磁场中,磁场垂直于薄片,当薄片通以电流Ic时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时,霍尔电压变为零。霍尔效应式转速传感器输出的信号是矩形脉冲信号,很适合于数字控制系统,抗干扰能力强。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器,它有结构牢固,体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点,因此选用霍尔传感器检测脉冲信号。当电机转动时,带动传感器,产生对应频率的脉冲信号,经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置,进行转速的测量。 根据脉冲计数来实现转速检测的常用的方法有M法（测频法）、T法（测周期法）和M/T（频率周期法）3种，M法通常应用于定时采样中，T法在定步采样中使用较多。在转速较低时，T法的分辨率较高，M 法的分辨率较低；转速较高时，则反之。这里设计选用M法测转速。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。 2、细分辨向电路： 信号细分电路又称补差器，是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值以提高仪器的分辨力的一种重要方法。 测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。 根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。 根据霍尔传感器采集的脉冲信号特性和题目中对细分的要求，我们采用直传式四细分辨向电路，它是最常用的细分辨向电路。 直传式细分电路由若干环节串联而成。 K1 K2 Km ?x1 x2 xi x0 xo X0 Xi 输入量：来自传感器的周期信号，以一对正、余弦信号或者相移为90°的两路方波最为常见。 输出量：有多种形式，有时为频率更高的脉冲或模拟信号，有时为可供计算机直接读取的数字信号。中间环节完成从输入到输出的转换，常由波形变换电路、比较器、模拟数字转换器和逻辑电路等组成。各环节依次向末端传递信息——直传的意思。 3、信号调理电路： 信号调理电路的目的是将细分电路产生的脉冲转变为便于单片机采集和判断处理的信号，细分电路会产生两路信号，正向和反向的输出结果是不同的。此电路主要解决两个问题：一是把细分电路输出的两路信号转变为一路脉冲送入单片机。二是根据细分辨向电路辨向的结果来判别霍尔传感器的转向，将其转向情况转变为便于单片机判断的高低电平。我们选用一个边沿D触发器和一个与门电路完成上述任务。 边沿D 触发器工作原理：CLK端正跳沿时触发器锁存加入的输入信号D的状态（高或是低电平），在Q端表示出来，其特征表、特征方程、时序图如下：　 特征表　 CLK D Q(t+1) 0 x Q(t)