转速测量及控制系统设计

测试技术基础课程设计报告书设计题目转速测量及控制电路设计院（系）机械工程与应用电子技术学院班级080102指导教师组长组员2011年6月7日北京工业大学1目录一、课题背景、目的及目标.............................................................2二、方案选择....................................................................................22.1备选方案................................................................................22.2测量电路原理........................................................................32.3控制电路工作原理................................................................8三、方案具体实施..........................................................................123.1传感器的选择.....................................................................123.2电路板制作及调试.............................................................123.3整体电路搭建和调试..........................................................12四、系统测试的具体步骤及过程和结果.......................................134.1电路分块测试......................................................................134.2整体电路测试......................................................................13五、分析与总结..............................................................................14六、小组成员及分工.......................................................................16七、参考文献..................................................................................16测试技术基础课程设计2一、课题背景、目的及目标在各种工业生产领域里都活跃着各式各样的旋转机械，如何正确地测量这些旋转机械的转速，并加以控制，这对利用旋转机械获得输出动力的用户来说，是一项不可缺少的工作。我们的系统就是来实现如何测量转速并进行转速控制的功能，最终可以应用到实际生产过程中。二、方案选择转速的测量方法多种多样，利用传感器来测量是现今最通用的路径。广泛应用的传感器有光电传感器、电磁传感器、霍尔传感器等。2.1备选方案1.运用光电式转速传感器将转速信号转为数字信号，将信号传送到计算机，运用labview显示电机转速，并发出转速控制命令，在经过D/A转换和控制电路控制电机转速；图2.12.运用光电式转速传感器将转速信号转为数字信号，将其传送至放大电路并显示转速，和要求的转速进行比较，然后调整控制电路地滑动变阻器电阻，进而控制电机转速图2.23.运用霍尔式转速传感器将转速信号转为数字信号，将其传送至放大电路并显示转速，和要求的转速进行比较，然后调整控制电路地滑动变阻器电阻，进而控制电机转速。光电式转速传感器计算机D/A转换控制电路电机电机光电式转速传感器计数电路控制电路测试技术基础课程设计3图2.3经过分析讨论和实际操作，考虑到我们的控制电路和显示电路的电压限制，我组最终选择第三套方案。下面是方案电路的具体分析：2.2测量电路原理2.2.1主要原理：霍尔转速传感器的霍尔元件在产生霍尔电势后，会将其转换为交变电信号，最后传感器的内置电路会将信号调整和放大，输出矩形脉冲信号。因此在霍尔转速传感器测量非铁磁材质的设备时，需要事先在旋转物体上安装专门的磁铁物质，用以改变传感器周围的磁场，这样霍尔转速传感器才能准确的捕捉到物质的运动状态。所以我们对输出信号采集后，在单位时间内统计有多少个高频信号，就可以间接的测得转速，单位（转/分）。实验室的测速转盘上有6个磁铁，因此电机主轴旋转一周就产生6个脉冲，根据显示电路板显示的旋转频率f(赫兹),得出转速n（转/分）与频率f的关系为：60106fnf2.2.2主要元器件本电路中用到的主要元器件有：译码器4511BD、加法器4518BD、触发器4013BD、时钟芯片PCF8583、共阴极数码管等；电机霍尔式转速传感器计数电路控制电路测试技术基础课程设计4其电路图如图所示：图2.4芯片资料如下：测试技术基础课程设计5测试技术基础课程设计6测试技术基础课程设计7图2.5各主要元器件及其性能指标时钟芯片PCF8583及周围元件组成的局部电路能产生高精度的频率为1Hz的方波信号。图2.6产生的方波信号图2.2.3基本思想当接入输入信号后，电路将记录在时钟芯片产生的一个周期信号内输入信号的脉冲数，此脉冲数即为输入信号的频率。2.2.4电路分析在没有接入输入信号时，两个触发器的Q端均处于低电平状态。电路进入工作状态后，当时钟芯片产生的时钟信号脉冲的上升沿到来时，触发器的Q端测试技术基础课程设计8被置为高电平，随后电容要进行充放电过程，由于时间常数很小，触发器的Q端又很快处于低电平状态，形成一个尖峰脉冲，将加法器和计数器全部清零。这时输入信号的脉冲每经过一个下降沿，加法器就完成一个加一的操作。每完成十个加一的操作，各位加法器的Q4端就会产生一个下降沿的脉冲，使得十位端加法器完成一个加一的操作，实现进位。1秒后，即时钟信号经历了一个周期后，时钟芯片产生的时钟信号脉冲的上升沿再次到来，触发器的Q端又被置为高电平，随后电容要进行充放电过程，形成一个尖峰脉冲，使译码器完成锁存操作，并使显示器显示所记录的脉冲数（即输入信号的频率）。。2.3控制电路工作原理2.3.1电路原理图U37413247651VDD12VVDD12VVEE-12VQ1VDD12VVEE-12VQ2Q4D2Q3D1S1AR610kOhmR810kOhmVEE-12VR51kOhmR91kOhmR2100kOhmR11100kOhmW250%R46.8kOhmR106.8kOhm12VDCR33.6kOhmR123.6kOhmU1741*3247651R74.7kOhmU2741*3247651W150%VDD12VVEE-12VR18.2kOhmVDD12VVEE-12VC10.1uF10kOhm50kOhm图2.7电路原理图脉宽调质式直流电机控制电路可分为三角波发生电路、电压比较器电路、推挽放大电路等三部分组成，现进行如下分析：2.3.2三角波发生单元电路测试技术基础课程设计9图2.8三角波发生单元电路图如图2.8所示，该单元电路是一个三角波发生器，该电路的特点是不需外加触发信号，电路自激振荡，没有稳态，可以产生稳定的三角波，为整个电路提供时钟脉冲。这个电路首先通过改变运算放大器的正向输入端电压，使工作在饱和区的运算放大器的输出端产生方波，在经过工作在线性区的运算放大器的积分电路使输出端产生三角波。下面介绍主要元件的功能及一些数值的计算。第一级的运算放大器工作在饱和区，通过比较正向输入的电压与零的大小即输出+12V或-12V的方波，第一级运算放大器的输出方波即是第二级运算放大器的正向输入电压。利用工作在先线性区的运算放大器的“虚短路”、“虚断路”原理计算第一级运算放大器的正向输入电压。由“虚短路”uu，“虚断路”0ii可得1111111oI（2-1）0771tIoIFFUuUdttRCRC（2-2）将式（2-1）代入式中有117IIwFUtURRRC（2-3）336171118.2104.7100.1103.854()F（2-4）当10u时产生的方波将从+12V转变为-12V，或者将从-12V转变为+12V，即影响着方波输出的频率，当滑动变阻器滑动到总阻值的50%时，可以得到方波输出的周期为：33617318.2104.7100.110154.162510FwRRCtsR（2-5）由此可得方波输出的周期为：44154.16104616.64Tts（2-6）由式（2-4）可见，通过调节电位器（滑动变阻器1wR）可以得到不同频率的方波。测试技术基础课程设计102.3.3电压比较器电路单元图2.9电压比较器单元电路图如图2.9所示，为电压比较器单元电路图，此处的LM741运算放大器工作在饱和区，运算放大器的正向输入端为从上一级电路中的输出波形，运算放大器的方向输入端是通过电位器来调节出来的电压，此电压为一个标准的比较值，若三角波的电压比此比较值大，则输出的电压被拉为+12V的高电平；若三角波的电压值比此比较值小，则输出的电压被拉为-12V，也正是调节此处的电压比较值来调节输出波形的占空比。用数学关系式表现上述关系即：若uu输入比较值，则有12uV输出；若uu输入比较值，则有12uV输出。下面以一个实例来计算该电路模块。若此时滑动变阻器放置在总阻值的50%，则此时的电压比较值为：2412(56.8)06.86.810u比较值即当将滑动变阻器放置在总阻值的50%时，比较值为0，既可以将三角波变为占空比为50%的方波，此时电机转速的宏观反映即没有转动。2.3.4推挽功率放大单元电路图2.10推挽放大单元电路图测试技术基础课程设计11如图2.10所示，为推挽放大单元电路图。此电路部分为功率放大电路，当通过电压比较器输出的电压为+12V时，由三极管（NPN型）基极、发射极和集电极的电压可以判断三极管Q1工作在饱和区。工作在饱和区时，三极管Q1的集电极和发射极将近似短路。由三极管（PNP型）基极、发射极和集电极的电压可以判断三极管Q2工作在饱和区。此时，在连接电机后，三极管Q2的集电极和发射极的电压降为0V，直接导通用来驱动电机，我们驱动的电机的功率为12V，20W。在推挽功率放大电路上半部分导通的同时，下半部分是截止的。我们来看二极管D2的两端所承受的电压为24V，因此，在选用二极管型号时一定要注意这种参数的选择。在注重二极管所能承受方向电压的同时，我们也应当注意二极管的转换频率，及方波的频率。在这里我们所选二极管时选用的是快恢复型的二极管，因为在三角波发生器中的电位器调节到一定程度的时候，产生方波的频率会比较大，二极管恢复的速度一定要能够与此波形相互匹配，所以选用快恢复的二极管。推挽功率放大电路的下半部分与上半部分的工作原理相同。在下半部分工作的时候，推挽功率放大电路是的上半部分是截止的。当有第二级输出的电压为-12V时，由三极管（PNP型）基极、发射极和集电极的电压可以判断三极管Q3工作在饱和区，工作在饱和区时，三极管Q3的集电极和发射极将近似短路。再由三极管（NPN型）基极、发射极和集电极的电压可以判断三极管Q4工作在饱和区。此时，在连接电机后，三极管Q4的集电极和发射极的电压降为0V，直接导通用来驱动电机，我们驱动的电机的功率为12