電動機測速及顯示分析

閆　丹1，吳慶廣2

(1佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005；

2中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132021)

?

電動機測速及顯示分析

閆丹1，吳慶廣2

(1佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005；

2中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132021)

摘要通過對單片機復位電路的原理，利用傳感器對電動機轉速進行測速，發電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外,還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉速方法，證明了轉速的測試具有重要的意義。

關鍵詞電動機；單片機；傳感器；測速

0引言

在工程實踐中,經常會遇到各種需要測量轉速的場合, 例如在發動機、電動機、卷揚機、機床主軸等旋轉設備的試驗、運轉和控制中,常需要分時或連續測量和顯示其轉速及瞬時轉速。要測速首先要解決的是采樣問題。在使用模技術制作測速表時，常用測速發電機的方法，即將測速發電機的轉軸與待測軸相連，測速發電機的電壓高低反映了轉速的高低。為了能精確地測量轉速外,還要保證測量的實時性,要求能測得瞬時轉速方法。因此轉速的測試具有重要的意義。

1轉速測量系統的原理

1.1轉速測量方法

轉速是指作圓周運動的物體在單位時間內所轉過的圈數,其大小及變化往往意味著機器設備是否正常運轉,因此,轉速測量一直是工業領域的一個重要問題。按照不同的理論方法,先后產生過模擬測速法(如離心式轉速表)、同步測速法(如機械式或閃光式頻閃測速儀) 以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。文中所述采用單片機和光電傳感器組成的高精度轉速測量系統,其轉速測量方法采用的就是電子式定時計數法。

1.2轉速測量原理

一般的轉速長期測量系統是預先在軸上安裝一個有60 齒的測速齒盤,用變磁阻式或電渦流式傳感器獲得一轉60 倍轉速脈沖,再用測頻的辦法實現轉速測量。而臨時性轉速測量系統,多采用光電傳感器,從轉軸上預先粘貼的一個標志上獲得一轉一個轉速脈沖,隨后利用電子倍頻器和測頻方法實現轉速測量。不論長期或臨時轉速測量,都可以在微處理器的參與下,通過測量轉軸上預留的一轉一齒的鑒相信號或光電信號的周期,換算出轉軸的頻率或轉速。即通過速度傳感器,將轉速信號變為電脈沖,利用微機在單位時間內對脈沖進行計數,再經過軟件計算獲得轉速數據。

2電子式定時計數測量頻率常用方法

2.1測頻率法

在一定時間間隔t內,計數被測信號的重復變化次數N,則被測信號的頻率fx可表示為

fx=Nt

(1)

2.2測周期法

在被測信號的一個周期內,計數時鐘脈沖數m0,則被測信號頻率fx=fc/m0。式中,fc—時鐘脈沖信號頻率。

2.3多周期測頻法

在被測信號m1個周期內,計數時鐘脈沖數m2,從而得到被測信號頻率fx,則fx可以表示為fx=m1fcm2,m1由測量準確度確定。

3測量轉度系統硬件設計

3.1轉速信號采集

在設計中采用光電傳感器采集信號，這種傳感器是把旋轉軸的轉速變為相應頻率的脈沖，然后用測量電路測出頻率，由頻率值就可知道所側轉速值。這種測量方法具有傳感器結構簡單、可靠、測量精度高等特點，是目前常用的一種測量轉速的方法。從光源發出的光通過測速齒盤上的齒槽照射到光電元件上，使光電元件感光。測速齒盤上有30個齒槽，當測速齒槽旋轉一周，光敏元件就能感受與開孔數相等次數的光次數。對于被測電機的轉速在0～3600r/min的來說,每轉一周產生30個電脈沖信號,因此,傳感器輸出波形的頻率的大小為

0Hz≤f≤1800Hz

(2)

測速齒盤裝在發射光源(紅外線發光二極管)與接收光源的裝置(紅外線接收二極管)之間,紅外線發光二極管(規格IR3401)負責發出光信號,紅外線接收三極管(規格3DU12)負責接收發出的光信號,產生電信號,每轉過一個齒,光的明暗變化經歷了一個正弦周期,即產生了正弦脈沖電信號。

3.2轉速信號處理電路設計

轉速信號處理電路包括信號放大電路、整形及三極管整形電路。由于產生的電壓信號很小，所以要進行放大處理，一般要放大至少1000倍(≥60dB)，然后在進行信號處理工作。信號放大裝置選用運算放大器TL084作為放大電壓放大元件，采用兩級放大電路，每一級都采用反向比例運算電路，設計的電壓放大倍數為3000倍。其中第一級放大倍數為30，第二級放大倍數為100，放大后電壓變化范圍為0～4.8V。TL084采用12V雙電源供電，由于電源的供電電壓在一定范圍內有副值上的波動，形成了干擾信號。為起到消除干擾，實現濾波作用，故供電電源兩端需接10UF的電容接地，電容選擇金屬化聚丙已烯膜電容。兩級運放放大所采用的供電電源均采用此接法。整形電路的主要作用是將正弦波信號轉化為方波脈沖信號，正弦波信號電壓的最大幅值約為4.8V，最小幅值為0V。整形電路設計的是一種滯回電壓比較器，它具有慣性，起到抗干擾的作用。從而向輸入端輸入的滯回比較器。在整形電路的輸入端接一個電容C7(103)，起到的作用是阻止其他信號的干擾，并且將放大的信號進行濾波，解耦。R11和R17防止電路短路，起到保護電路的作用。

3.3復位電路

MCS-51單片機復位電路是指單片機的初始化操作。單片機起運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統中其他部件處于一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部電路才能實現，見圖1。

復位電路的基本功能是：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定后，撤銷復位信號。為可靠起見，電源穩定后還要經過一定的延時才撤銷復位信號，以防電源開關或電源插頭分-合過程中引起的抖動而影響復位。單片機的復位是由外部的復位電路來實現的。片內復位電路是復位引腳RST通過一個斯密特觸發器與復位電路相連，斯密特觸發器用來抑制噪聲，

3.4晶振電路

晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯再串聯一個電容的二端網絡，電工學上這個網絡有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯諧振，較高的頻率是并聯諧振。AT89C51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩定性、起振的快速性和溫度的穩定性。因此，此系統電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30μF。在焊接刷電路板時，晶體振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩定、安全地工作。

4結語

基于單片機的轉速測量系統，具有硬件電路簡單，程序簡單和運算速度快，測速范圍廣，抗干擾性能好的特點。在設計的信號處理電路中經過濾波，能夠進一步減少誤差，使測速精度得到提高。

參考文獻

[1]馬全權，李慶輝，強盛.一種高精度實時電機轉速測量新方法.齊齊哈爾大學學報，2002.

[2]孫桂榮，班瑩，劉鳴.電機轉速測量設計實驗.實驗室科學，2005.

[3]王雪文.張志勇.傳感器原理及應用.北京：航空航天大學出版社，2004.

ResearchandAnalysisonSpeedMeasurementandDisplayofMotor

Yan Dan and Wu Qingguang

(1.JiamusiExplosion-ProofElectricMachineInstitute，Jiamusi154005,China;2.EthleneGlycolFactoryofPetroChinaJilinPetrochemicalCompany，Jilin132021,China)

AbstractBased on principle of restoration change circuit of single chip computer, motor speed is measured by sensor. Because voltage level of generator reflects magnitude of speed, real-time measurement of speed should be ensured except for accurate measurement, and transient speed should be measured. It is proved that speed measurement has a great significance.

Key wordsMotor；single chip computer；sensor；speed

收稿日期：2015-8-25

作者簡介：閆丹女1978年生；畢業于哈爾濱師范大學漢語言文學專業，現從事電機技術工作.

中圖分類號：TM306

文獻標識碼：B

文章編號：1008-7281(2016)01-0038-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.11