非接触式电机转速测量系统的设计开题报告

中北大学毕业设计开题报告学生姓名：王冲学号：0805054143学院、系：信息与通信工程学院电气工程系专业：自动化设计题目：非接触式电机转速测量系统的设计指导教师:贾建芳年月日1/8毕业设计开题报告文献综述一、研究背景及意义（1）背景在某些工业自动控制领域、某些装备应用上,经常会遇到各种需要测量电机转速的场合.由于伺服驱动系统不断朝着数字化智能化方向发展，因此转速的控制成为在工业测控系统实现的关键环节。而如何测量电机的转速以实现对转速的高精度控制成为电机应用的一个突出问题之一。传统的电机转速测量方法是采用直流测速机,其原理是由被测电机拖动测速发电机,再对测速发电机产生的电压进行测量,在将电压换算成转速.采用测速发电机测速主要缺点如下:首先,测速发电机作为被测电机的负载,必然对转速产生影响,在一定情况下影响测量精度;其次,测速发电机电压作为模拟量,无法直接与数字控制系统连接,必须经过A/D转换,增加系统控制的复杂程度;最后,由于制造工艺的限制,测速发电机的性能很难有大的提高,在某些场合测速发电机甚至影响整个系统的性能.目前常用的转速测量方法有测速发电机测速法和光电码盘测速法等。他们各有优点和缺点，直流测速发电机是应用范围较广的测速元件，它的主要优点是灵敏度、高线性误差小，但由于它具有电刷和换向接触装置，因而可靠性较差，应用范围有限;普通光电编码器虽然精度较高，但体积大，成本高[1-5][16]。近年来随着计算机在社会领域的渗透，在电子技术飞速发展的今天，单片机的应用正在不断地走向深入。针对这种情况,本文设计以单片机为核心的电机转速测量系统,，相对于直流测速机更具有测量精度高、体积小、性价比高等优点。单片机技术在自动控制领域有着十分广泛的应用，如汽车、航空、电话、传真、视频等。很多行业涉及到自动控制的情况下涉及到单片机技术。电子产品的人性化和智能化已经非常成熟，单片机就是一个微型中央处理器，通过编程即能完成很多智能化的工作，因此它的出现给电子技术智能化和微型化起到了很大的推动作用。随着人们生活水平的提高，社会经济的发展，人们开始注重身体素质的提高。臂如在火车、汽车、工厂许多地方都用到电机的驱动，当然也要精确的知道它的转速，本设计就是测试电机的转速[6-8]。2/8（2）意义本设计意义在于巩固和加深在《电机与拖动》和《单片机原理及接口技术》中所学到的基本理论知识和基本技能，本次设计在理论学习的基础上，通过完成一个涉及单片机的资源应用并具有综合功能的小系统目标板的设计与编程应用，使理论知识与实际应用结合起来。基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高和培养在电子电路方面的设计和实验能力，而且能够对电子电路、电子元器件等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、排版调试、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高，学会运用理论来分析和解决实际问题，提高实际工作的能力,为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础[910]。电机转速系统是工业和农业以及日常生活中不可缺少的一个系统。转速检测的快速性和精度将直接影响系统的效果和动静态性能，如何提高测量精度，如何减轻工作人员的工作负担，如何采取有效措施减少经济损失，如何保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。因此，电机测速系统的研究与实现就具有了十分重要的意义[15]！二、国内外研究现状目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（离心式转速表）、同步测速法（机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。而采用光电编码器的电机转速测量系统测量准确度高、采样速度快、测量范围宽和测量精度高等优点，具有广阔的应用前景[23-25]。以前人们经常习惯于用单片机、PLC来开发电机转速测速系统。随着科学技术的不断提高，FPGA日益成熟，其强大的功能已被人们深刻认识。使用FPGA来开发电机转速测速系统具有无法比拟的优点。再加上光电编码器发展如此迅速，十分具有诱惑力。现在国内外大多采用光电编码器作为载体，以FPGA为核心进行设计开发。针对目前出现的测速系统进行改善和提高[17-20]。三、本课题相关理论综述[2]（1）直流有刷电机3/8有刷电机是内含电刷装置的将电能转换成机械能（电动机）或将机械能转换成电能（发电机）的旋转电机。有刷电机是所有电机的基础，它具有启动快、制动及时、可在大范围内平滑地调速、控制电路相对简单等特点。（2）电子式转速表电子式转速表是一个比较笼统的概念：以现代电子技术为基础，设计制造的转速测量工具。它一般有传感器和显示器，有的还有信号输出和控制。（3）转速传感器转速传感器从原理（或器件）上来分，有磁电感应式、光电效应式、霍尔效应式、磁阻效应式、介质电磁感应式等。另外还有间接测量转速的转速传感器：如加速度传感器（通过积分运算，间接导出转速），位移传感器通过微分运算，间接导出转速），等等。测速发电机和某些磁电传感器在线性区域，可以直接通过交流有效值转换，来测量转速；大多数都输出脉冲信号（近似正弦波或矩形波）。针对脉冲信号测转速的方法有：频率积分法（也就是F/V转换法，其直接结果是电压或电流），和频率运算法（其直接结果是数字）四、作者的总体设计思路1、分析电机转速测量系统的工作原理及基本组成；2、分析非接触式转速测量的方法，并进行转速测量传感器的选型；3、进行电机转速测量系统的硬件选型与电路原理设计；4、进行电机转速测量系统的软件流程设计。参考文献[1]邓建,林桦.基于DSP的绝对式光电编码器的电机转速测量.电机与控制应用,2001,37(1):50～52[2]陈湘令.直流调速系统中数字测速的实现.现代电子技术,2007，04：61～62[3]赵树磊,谢吉华,刘永锋.基于霍尔传感器的电机测速装置.电气传动自动化,2008，No.(10):53～56[4]高德亮,范振华.扭矩传感器原理及应用.组合机床与自动化加工技术,2008,21(5):67~68[5]吴卫华.磁电式传感器设计性实验研究.电气传动,2010,32(9):50～534/8[6]谢志萍.传感器与检测技术.华侨大学学报,2009,30(4):44～46[7]付立悦,尚晓龙.基于霍尔传感器的转速测量系统设计.计算机测量与控制,2010,34(8):56～60[8]左小五,王静.基于霍尔传感器电机转速的单片机测量.机电工程,2010,15(4):44～46[9]A.Rkki.Finiteelementanalysisforarollingrotorelectricalmachine.IEEETransactionsonMagnetics,2010,46(8):45～47[10]莫少莹.单片机原理及接口技术课程实验教学改革.微计算机信息,2007,13(28):57～59[11]吴卫华,眭永兴,裴明旭.磁电式传感器设计性实验研究.电气传动,2009,12(02):34～38[12]刘东辉,吴初娜.基于霍尔传感器的制动踏板行程测量系统设计.石油化工自动化,2011,23(1):39～40[13]李翰臣,赵树忠.使用三个定时/计数器的单片机测试系统.电气传动自动化,2004,12(02):57～61[14]杨文萃,孔伟.单片机计数电路的应用.计算机测量与控制,2008,34(27):78～79[15]王会青,贾策.基于单片机的转速测试系统.光学精密工程,2000,14(02):56～57[16]宋跃辉,宋杨,周毅等.基于单片机的齿轮转速测量系统.机电工程,2011,14(2):43～45[17]KonradWegener.ProgressTowardstheFirstWirelessSensorNetworksConsistingofInkjet-Printed,Paper-BasedRFID-EnabledSensorTags.ProceedingsoftheIEEE,2010,98(9):5～9[18]SaschaJaumann.Electriccurrentsensors:areview.MeasurementScience&Technology,2010,21(11):22～24[19］Vejian.Themeasurementofmechanicalparametersofaswitchedreluctancemotordrivesystem.InternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2010,13(49):15～17[20]王文成,李健.基于单片机的电机转速测量系统的设计.中国机械工程,2008,22(08):47～505/8[21]邵显涛,陈明,李俊.基于霍尔传感器电机转速的单片机测量.机械管理开发,2007,12(05):55～57[22]王敬轩,杨丰.基于霍尔传感器的直流电机测速系统研究.机电工程,2009,12(08):41～43[23]马庆勇,吴中明.基于单片机的多功能时钟控制电路.微计算机信息,2009,11(03):22～23[24]梁欣铃.基于单片机的磁电式传感器测速装置.仪器仪表学报,2011,30(4):15～19[25]G.Bucci,C.Landi.Metrologicalcharacterizationofacontactlesssmartthrustandspeedsensorforlinearinductionmotortesting.Periodical-IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,1996,45(2):12～146/8毕业设计开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题要研究或解决的问题由于直流有刷电机定子转子间的摩擦驱动，电机转速稳定性一直不高。因此，电机转速稳定性的监控对电机性能分析意义重大，并且电机伺服控制也要求对电机转速进行准确测量。转速测量根据被测对象与测速设备是否接触可分为接触式测量和非接触式测量。传统测速一般采用接触式测量,在测量中会出现被测旋转体能量损耗大、测量设备移动性差、灵活性不够等一些缺点。随着科学技术的发展以及实际应用的需要,非接触式测量研究及应用越来越受到重视。在速度测量显示方面,传统方法是采用指针表指示,由于指针转速表惯性大,分辨率低,主观影响大,因此很难实现精确测量�在旋转机械工作过程中或者在印刷行业印刷品的印刷过程中,由于运转速度或者印刷速度过快,人眼无法实时识别旋转机械的故障情况或者印刷品画面的质量情况,有时会造成严重的不良后果。本课题就是为了解决这一问题而采用非接触式测量方法测量转速。二、二、拟采用的研究手段（1）运用传感器采用单片机控制系统来对电机的转速进行测量。主要运用霍尔效应，因此传感器采用霍尔传感器。通过霍尔传感器，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。（2）使用MTALAB等软件实现电路设计、编程等对硬件系统实行控制，精确测量电机的转速等物理量。（3）充分利用图书馆，查阅资料，与同学、导师进行讨论研究。7/8毕业设计开题报告指导教师意见：指导教师：年月日所在系审查意见：系主任：年月日