电机转速测量

淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书淮阴工学院课程设计课程名称：测试技术与传感器课程设计题目：电机转速测量学院：机械工程学院专业班次：机械电子2012级姓名：嵇业隆指导教师：路连、高荣学期：2014~2015学年第二学期日期：2015.6.26淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书设计思路1设计任务：电机转速测量2设计总方案：2.1选定电动机：直流电机200W,电压：24V,调速范围±30%2.2选定传感器：霍尔传感器2.3选定调速器：PWM波调速2.4设计单元模块3电路图和相关单片机程序代码淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书目录1前言........................................................12传感器......................................................22.1霍尔传感器结构...........................................22.2霍尔传感器基本原理.......................................23转速控制基本原理............................................34总体设计思路................................................44.1设计方案.................................................44.2单元模块设计.............................................55电路的设计方案..............................................85.1电源电路.................................................85.2H桥驱动电路.............................................85.3基于霍尔传感器的测速模块.................................95.4LED显示模块.............................................95.5按键电路设计............................................105.6调速电路设计............................................116结论.......................................................147总结与体会.................................................158参考文献...................................................169附录1（完整电路图）.......................................1710附录2（完整单片机代码）...................................17淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书1前言测试技术是测量和试验技术的统称。试验是机械工程基础研究、产品设计和研发的重要环节。在现代机电设备的研发和创新设计、老产品改造以及机电产品全寿命的各个过程的试验中，实验研究环节是不可缺少的环节。现代生产的发展和工程科学研究対测试及其相关技术的需求极大的推动了测试技术的发展，而现代物理学、信息技术、计算机科学、电子与微机械电子科学与技术的迅速发展尤为测试技术的发展提供了知识和技术支持，从而促使测试技术在近20年来得到极大的发展和广泛应用。淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书22传感器2.1霍尔传感器结构霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的2个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。。在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路。2.2霍尔传感器基本原理转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法（测频法）、T法（测周期法）和MPT法（频率周期法），该系统采用了M法（测频法）。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。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。根据式（1）即可计算出直流电机的转速。淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书33转速控制基本原理直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D/A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法（简单的加一、减一法）。比例调节器的输出系统式为：式中：Y为调节器的输出；e（t）为调节器的输人，一般为偏差值；Kp为比例系数。从式（2）可以看出，调节器的输出Y与输入偏差值e（t）成正比。因此，只要偏差e（t）一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e（t）有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI（比例积分调节器）或PID（比例、积分、微分调节器）算法。淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书4单片机（速度的测量计算、输入设定及系统控制）单片机（PID运算控制器、PWM模拟发生器）电机速度采集电路电机驱动电路键盘显示器4总体设计思路4.1设计方案4.1.1PWM波调速采用由达林顿管组成的H型PWM电路（图1—1）。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围。图1-1PWM波调速电路其结构图如图1—2所示：图1-2电机PID调速系统总体设计框图淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书54.2单元模块设计4.2.1H桥驱动电路设计方案利用H桥电路来实现调速。H桥驱动电路：图4.12中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.12及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图4.12H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.13所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书6图4.13H桥电路驱动电机顺时针转动图4.14所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图4.14H桥驱动电机逆时针转动4.2.2调速设计方案调速采用PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制，工作原理：通过产生矩形波，改变占空比，以达到调整脉宽的目的。PWM的定义:脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书7区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书85电路的设计方案5.1电源电路5.2H桥驱动电路基于三极管的使用机理和特性，在驱动电机中采用H桥功率驱动电路，H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动．永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电，也就是说绕组有时需正向电流，有时需反向电流，这样绕组电源需用H桥驱动。直流电机控制使用H桥驱动电路，当PWM1为低电平,通过对PWM2输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通Q5截止，从而实现电机正向转动以及转速的控制；同理，当PWM2为高电平,通过对PWM1输出占空比不同的矩形波使三极管Q1、Q6同时导通，Q6截止，从而实现电机反向转动以及转速的控制。H桥的电机驱动电路淮阴工学院测试技术与传感器课程设计说明书95.3基于霍尔传感器的测速模块5.3.1霍尔传感器的工作原理工作原理：霍尔开关集成电路中的信号放大器将霍尔元件产生的幅值随磁场强度变化的霍尔电压UH放大后再经信号变换器、驱动器进行整形、放大后输出幅值相等、频率变化的方波信号。信号输出端每输出一个周期的方波，代表转过了一个齿。单位时间内输出的脉冲数N，因此可求出单位时间内的速度V＝NT。5.3.2霍尔传感器的电路原理图霍尔传感器的测速电路5.4LCD显示模块5.4.11602芯片介绍第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调