电机转速自动检测

1目录1．设计任务和要求....................................................12．设计应用背景.......................................................13．难点分析...........................................................24．实施方案...........................................................24.1三套方案的详细原理分析与实施方法.................................24.1.1方案一：霍尔传感器测转速....................................24.1.2方案二：光电传感器测转速....................................34.1.3方案三：电容式传感器测转速..................................44.2三套方案的选择与比较.............................................54.3设计最终拟采用的方案.............................................54.3.1传感器选择..................................................54.3.2优缺点分析以及成本..........................................65．收获与体会.........................................................6参考文献...............................................................7附：....................................................................81电机转速自动检测1．设计任务和要求电机转速控制在电机控制中非常重要，适当合理地控制电机转速，可以达到节约能源，减少损失的目的。请设计一种电机转速监控装置，能够提供电机转速的电量信息。2．设计应用背景电动机作为风机、水泵、机床等设备的动力，广泛应用于工业、农业、商业、公用设施、制造业等各个领域，在我国，电动机的用电量已经占到社会总用电量的60％以上。我国能源相对缺乏，优质能源严重短缺，同时巨大的能源消耗引起的环境污染已在某种程度上制约了经济的发展，从节约能源，保护环境出发，我国开展了很多节能研究工作电动机作为量大面广的机电产品，降低电动机的损耗、提高电动机的效率已成为节能降耗、降低生产成本、追求经济效益最大化的重要手段，是利国利民的大事。对老式耗能大的电动机必须进行节能改造，因此研究其节能问题具有非常重要的意义。电动机在将电能转换为机械能的同时，本身也损耗一部分能量，这些损耗一般可分为以下五个方面：(1)基本铁耗：基本铁耗是主磁场在铁心内发生变化时产生的，当频率为一定时，主要与铁心中的磁通密度、材料的厚度及性能有关。(2)空载时铁心中的附加损耗：它是由气隙中的谐波磁场引起的，主要是指定子、转子开槽而引起的气隙磁导谐波磁场在对方铁心表面产生的表面损耗和因开槽而使对方齿中磁通因电机旋转而变化所产生的脉振损耗。(3)电气损耗：指由工作电流在绕组铜(或铝)中产生的损耗，也包括电刷在换向器或集电环上的接触损耗(4)负载时的附加(或杂散)损耗：这是由于定子或转子的工作电流所产生的漏磁场(包括谐波磁场)在定、转子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗。(5)机械损耗：包括通风损耗、轴承磨擦损耗和电刷磨擦损耗。图1.1商用电源驱动时电机损耗的比例目前降低损耗的一些措施有以下几种方法：(1)采用高效率绕组技术(2)△→Y变换运行：当实际负载率低于40％时，若采用△→Y变换运行，电动机的空载电流降低，功率因数提高，因而线路损耗降低，一般节能可达25％左右。(3)减少线圈端部长度(4)增大导线截面，提高槽满率2(5)采用磁性槽泥和磁性槽楔：采用磁性槽泥和磁性槽楔后，可降低电动机空载电流，降低空载损耗20％一40％，提高效率1％一2％。(6)采用节能型风扇：采用较小的节能型风扇，再加上良好的风罩，可降低机械损耗。(7)采用高效的调速方式本次我们要做的课题，就是通过对电机转速自动检测来进行调速。而电机转速的测量方法是通过转速仪。转速仪的种类繁多，按照测量原理可分为模拟法、计数法和同步法；按变换方式又可分为机械式、电气式、光电式和频闪式等。表1.1介绍了几种现在常用的转速表。表1.1几种常见的转速表离心式转速表机械力学的成果磁性式转速表运用磁力和机械力的一个典范电动式转速表巧妙运用微型发电机和微型电动机将旋转运动异地拷贝磁电式转速表电流表头和传感器都是电磁学的普及运用闪光式转速表人类认识自然的同时也认识了自我，体现了人类的灵性；电子式转速表电子技术的千变万化，给了我们今天五彩缤纷的世界，同样也造就了满足人们各种需要的转速测量仪表。3．难点分析如何将电机转速信息转换为电量信息；对于对脉冲进行整形对正弦的电压信息如何转换为转速信息如何计数脉冲频率与转速的关系如何获得电机旋转周数的信息。等等具体到各个方案的难点为：霍尔传感器：由霍尔元件及外围器件组成的测速电路将电动机转速转换成脉冲信号，送至单片机STC89C51的计数器T0进行计数，用T1定时测出电动机的实际转速。在转轴的圆盘上粘上两粒磁钢，让霍尔传感器靠近磁钢，机轴每转一周，产生两个脉冲，机轴旋转时，就会产生连续的脉冲信号输出。光电传感器：转速信号由光电传感器拾取，使用时先在转子上做好光电标记，将转子表面全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器(光电头)固定在正对光电标记的某一适当距离处。光源为高可靠性可见红光，光电头包含有前置电路，输出0—5V的脉冲信号。电容式传感器：传感器利用电容变换原理将被测轴的机械转速量变换成电路元件的电容参数量。因为齿盘每转过一个齿，导电极板之间的电容器就要变化一个周期。所以传感器输出的电容参数信号之频率与被测转速成正比。电容参数信号经传感电路处理后就成为表征被测转速的可供转速数字显示仪测量的脉冲电量信号了。4．实施方案4.1三套方案的详细原理分析与实施方法4.1.1方案一：霍尔传感器测转速霍尔传感器会产生霍尔效应，而产生的内建电压称为霍尔电压。若控制电流保持不变，霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，可以将两块永久磁3钢固定在电动机转轴上转盘的边沿，转盘随被测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘附近安装一个霍尔元件，转盘随轴旋转时，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号。图4.1霍尔传感器系统框图原理传感器内置电路对该信号进行放大、整形，输出良好的矩形脉冲信号，测量频率范围更宽，输出信号更精确稳定其频率和转速成正比，测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。图4.2转速测量系统安装图基于霍尔传感器测转速系统的软件设计流程图，如图4.3、4.4。图4.3主程序流程图图4.4数据处理显示模块流程图4.1.2方案二：光电传感器测转速光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，霍尔传感器信号处理单片机显示器开始时钟寄存器初始化定时器中断初始化LED显示缓存初始化LED显示初始化调用数据处理程序调用显示子程序调用按键处理程序秒标志位flag=1处理转速，转换成r/minZ转速的16进制数转换成10进制BCD码送显示缓冲器返回4然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。对于本次实验设计来说，整个测量系统的组成框图如图4.5所示。从图中可见，转子由一直流调速电机驱动，可实现大转速范围内的无级调速。转速信号由光电传感器拾取，使用时应先在转子上做好光电标记，具体办法可以是：将转子表面擦干净后用黑漆(或黑色胶布)全部涂黑，再将一块反光材料贴在其上作为光电标记，然后将光电传感器(光电头)固定在正对光电标记的某一适当距离处。光电头采用低功耗高亮度LED，光源为高可靠性可见红光，无论黑夜还是白天，或是背景光强有大范围改变都不影响接收效果。光电头包含有前置电路，输出0—5V的脉冲信号。接到单片机89C51的相应管脚上，通过89C51内部定时/计时器T0、T1及相应的程序设计，组成一个数字式转速测量系统。图4.5光电传感器测量系统的组成框图4.1.3方案三：电容式传感器测转速电容式转速传感器是一种电参数型数字式转速传感器。它同其它数字式转速传感器一样。主要是由预变换元件和变换元件两部分组成。在这种传感器里。预变换元件是导电或介电齿盘，变换元件是作为变换电路元件的电容器。工作时，齿盘随被测轴转动，周期性地改变电容器导电极板之间的相对面积或介电常数，使电容量发生周期性变化。这就是该传感器可用于数字式转速测量的原理。电容式传感器按照极板性质可以分为平面型，圆柱面型，和齿型，这里我们就齿形的电容式传感器做详细介绍：它的定极板2被制成齿数与齿盘3的齿数相等的齿座，齿座与齿盘套装在同一壳体内，其轴线重合。它们的齿顶就是电容器的导电极板，其相对面都呈圆柱面形状，可以看出齿座上的每一个齿都与盘组成一个圆柱面型传感器。设齿座之齿数为z，则导电极板之间的最大相对面积和最大电容量比较，齿形传感器为相同齿盘的圆柱面型传感器的Z倍。图4.6电容式转速传感器的结构原理事实上，电容传感器中存在寄生电容的影响。主要由两部分组成:一是电场边缘效应所造成的附加电容，二是各结构部件间的附加电容。边缘效应发生在以下几方面：在一个齿距内，定片齿顶与动片齿顶之间；定片齿槽与动片齿槽之间。由于寄生电容的影响，1.齿轮2.定级3.电容式传感器4.频率计5使电容传感器的输出电容量增大了，同时，又使电容量的变化范围减小了。因为由电场边缘效应所产生的附加电容量是周期性变化的，时大时小。当定、动片的齿顶相对时，工作电容量最大，而边缘效应为最小，附加电容量小；当定、动片的齿顶对齿槽时，工作电容量最小，而边缘效应为最大，附加电容量大。4.2三套方案的选择与比较根据三套方案的原理与实施方法，对三种传感器在原理、优缺点、成本、功耗、稳定性方面进行了对比分析，如表4.1所示。表4.1三种方案的比较传感器类别霍尔传感器光电传感器电容式传感器工作原理利用霍尔效应原理将被测物理量转换成电动势。把被测非电量转换成光量的变化，借助光电元件进一步将光量转换成电量。把被测非电量的变化转换为电容量变化。优点结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态特性好和寿命长。结构简单、形式灵活多样、体积小、采样精确、采样速度快、敏感范围大、非接触。结构简单,价格便宜，灵敏度高,过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。缺点转换率较低、温度影响大。输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂。成本相对较高相对较低高功耗低超低相对较低稳定性较稳定稳定长期稳定4.3设计最终拟采用的方案4.3.1传感器选择通过对目前现有的转速传感器的调查和分析，筛选出了如表4.2的几种常用的转速传感器。表4.2几种常用的转速传感器类别型号特点磁电传感器SM-10/12/14/16,-03,SZMB-5/9非接触式测量，正弦波输出，中高速测量，感应距离1mm左右电容传感器SMS-12/16非接触式测量，正弦波输出，全速速测量，感应距离1mm左右霍尔传感器HK-10/12/14/16非接触式测量，矩形波输出，感应距离3~5mm左右光电传感器SZGB-4弹性联接，接触式测量，方波输出WO-DNPW2非接触式测量，矩形波输出，感应距离10~100mm左右光电编码器CHA-1弹性联接，接触式测量，方波输出根据我们最终的讨论与选择，在这几