課程設(shè)計(jì)-電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)0引言在工業(yè)控制領(lǐng)域，轉(zhuǎn)速是電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)。電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量要求快速、可靠、準(zhǔn)確。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有模擬測(cè)量法和數(shù)字測(cè)量法2種。模擬測(cè)量法信號(hào)遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確傳輸不易實(shí)現(xiàn)，數(shù)字測(cè)量法將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量與控制，具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求。這里設(shè)計(jì)一種電機(jī)轉(zhuǎn)速通用測(cè)量系統(tǒng)，與電機(jī)同軸安裝的光電編碼器將電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，采田工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制器西門子S7-200PLC，利用其高速計(jì)數(shù)器采集脈沖信號(hào)，根據(jù)M法測(cè)速原理，經(jīng)過PLC編程處理實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。1數(shù)字測(cè)速原理數(shù)字測(cè)速中光電編碼器是轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件，俗稱碼盤。光電編碼器與電機(jī)同軸連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。采用光電編碼器測(cè)速的方法有多種，這里采用測(cè)頻法(M法)。在采樣時(shí)間T內(nèi)捕捉編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)M，用以計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速，稱為M法測(cè)速[1]，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為：n＝60M/ZT(1)其中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Z為編碼器分辨率，即電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈編碼器產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)。數(shù)字測(cè)速測(cè)量效果主要取決于編碼器分辨率、編碼器加工精度與安裝精度。編碼器分辨率相對(duì)較高時(shí)優(yōu)先選擇M法[2]，M法測(cè)速量化誤差為1／M，該量化誤差由編碼器加工精度及編碼器輸出脈沖前沿與測(cè)速時(shí)間采樣脈沖前沿不齊等原因決定，最大為1個(gè)脈沖誤差[3]。2測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)速系統(tǒng)由三相異步電機(jī)、變頻器、PLC、編碼器、直流24V穩(wěn)壓電源組成。異步電機(jī)型號(hào)為JW5024，功率60W，電壓380V，額定電流0.33A，額度頻率50Hz，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1400r／min；PLC型號(hào)為西門子CPU224XP；變頻器型號(hào)為三菱FR-S520SE-0.4K-CH；光電編碼器型號(hào)為歐姆龍E682-CWZ6C，分辨率1024P／R。圖1為PLC電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)硬件圖，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)與光電編碼器同軸連接，利用PLC高速計(jì)數(shù)器HSCO及輸入端I0.0采集編碼器脈沖輸出端產(chǎn)生的脈沖。測(cè)速中斷程序流程如圖2所示，當(dāng)定時(shí)中斷事件發(fā)生時(shí)，進(jìn)入中斷程序，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，在中斷程序中讀取HSC0的值，此值是50ms內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)，根據(jù)M法測(cè)速，由PLC計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，再將HSC0當(dāng)前值清零并重啟HSC0。每觸發(fā)1次定時(shí)中斷，計(jì)算1次電機(jī)轉(zhuǎn)速。3實(shí)驗(yàn)測(cè)試在前述硬件平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，設(shè)置變頻器不同輸出頻率調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)采用MCGS進(jìn)行上位機(jī)轉(zhuǎn)速顯示監(jiān)控[7]，表1為電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)，該表數(shù)據(jù)表明轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差會(huì)隨著轉(zhuǎn)速升高而降低，該誤差最大為0.1％，在常規(guī)工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中可以忽略。4結(jié)語電機(jī)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)可靠準(zhǔn)確直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這里設(shè)計(jì)了一種通用測(cè)量系統(tǒng)，采用光電編碼器作為電機(jī)轉(zhuǎn)速的脈沖產(chǎn)生裝置，利用西門子S7-200PLC的高速計(jì)數(shù)器采集光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，根據(jù)M法測(cè)速方式，由PLC實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該通用測(cè)速系統(tǒng)具有快速、可靠、誤差小等特點(diǎn)，同時(shí)設(shè)計(jì)思路與編程思路簡(jiǎn)單，可移植性好，為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供一種切實(shí)可行的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方案。參考文獻(xiàn)：[1]高玉芹．電機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度快速測(cè)量[J]．自動(dòng)化與儀表，2000，15(6)：41-44．[2]文曉燕，鄭瓊林，韋克康，等．增量式編碼器測(cè)速的典型問題分析及應(yīng)對(duì)策略[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(2)：185-189．[3]宋剛，秦月霞，張凱．基于普通編碼器的高精度測(cè)速方法[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36(8)：1169-1172．[4]韓亮．PLC在電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量中的應(yīng)用[J]．常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，25(3)：36-38．[5]蔡文皓，趙旭，耿力．基于以太網(wǎng)的PLC電機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)程監(jiān)控[J]．微特電機(jī)，2014，42(4)：44-46．[6]李曉海，南新元，謝麗蓉．基于高速脈沖計(jì)數(shù)器的電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．微電機(jī)，2012，45(2)：72-74．[7]王菊葉，高瑞敏．基于MCGS和PLC的電機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34(3)：123-125．

基于霍爾傳感器的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量設(shè)計(jì)隨著單片機(jī)的不斷推陳出新，特別是高性價(jià)比的單片機(jī)的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測(cè)量控制普遍采用了以單片機(jī)為核心的數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。本文介紹了一種由單片機(jī)C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)最的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速測(cè)量及控制的基本原理1.1轉(zhuǎn)速測(cè)量原理

轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法很多，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有M法(測(cè)頻法)、T法(測(cè)周期法)和MPT法(頻率周期法)，該系統(tǒng)采用了M法(測(cè)頻法)。由于轉(zhuǎn)速是以單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨測(cè)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，霍爾器件輸出脈沖信號(hào)，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號(hào)的周期與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號(hào)周期。根據(jù)式(1)即可計(jì)算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。霍爾器件是由半導(dǎo)體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外磁場(chǎng)B，在沿平面方向兩端加外電場(chǎng)，則使電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，結(jié)果在器件的兩個(gè)側(cè)面之間產(chǎn)生霍爾電勢(shì)。其大小和外磁場(chǎng)及電流大小成比例。霍爾開關(guān)傳感器由于其體積小，無觸點(diǎn)，動(dòng)態(tài)特性好，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，故在測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在這里選用美國(guó)史普拉格公司(SPRAGUE)生產(chǎn)的3000系列霍爾開關(guān)傳感器3013，它是一種硅單片集成電路，器件的內(nèi)部含有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡(jiǎn)單、輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點(diǎn)。1.2轉(zhuǎn)速控制原理直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加于電機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)，可以采用C8051F060片內(nèi)的D／A轉(zhuǎn)換器DAC0的輸出控制直流電機(jī)的電壓從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在這里采用簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)器算法(簡(jiǎn)單的加一、減一法)。比例調(diào)節(jié)器(P)的輸出系統(tǒng)式為：式中：Y為調(diào)節(jié)器的輸出；e(t)為調(diào)節(jié)器的輸入，一般為偏差值；Kp為比例系數(shù)

從上式可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出Y與輸入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時(shí)的特點(diǎn)，這是一種最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差e(t)有關(guān)外，主要取決于比例系數(shù)Kp，比例調(diào)節(jié)系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性也越大。反之，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)作用越弱。對(duì)于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是存在靜差，對(duì)于擾動(dòng)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時(shí)將會(huì)引起自激振蕩。對(duì)于擾動(dòng)較大，慣性也比較大的系統(tǒng)，若采用單純的比例調(diào)節(jié)器就難于兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調(diào)節(jié)規(guī)律比較復(fù)雜的PI(比例積分調(diào)節(jié)器)或PID(比例、積分、微分調(diào)節(jié)器)算法。系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過7079最終在LED上顯示測(cè)試結(jié)果，硬件組成如圖1所示。此外，還可以根據(jù)需要調(diào)整控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制器C8051F060主要完成轉(zhuǎn)速脈沖的采集、16為定時(shí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)定時(shí)、運(yùn)算比較，片內(nèi)集成的12位DAC0控制轉(zhuǎn)速，并且通過7279顯示接口芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示等多項(xiàng)功能。

系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK等于18432000，T0定時(shí)1ms，初始化時(shí)TH0=(-SY-SCLK／1000)》8；TL0=-SYSCLK／1000。等待1s到，輸出轉(zhuǎn)速脈沖個(gè)數(shù)N，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速值。將1s內(nèi)的轉(zhuǎn)速值換算成1min內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速值，并在LED上輸出測(cè)量結(jié)果。2.2軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用C8051F060中的IWT0中斷對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)。定時(shí)器T1，工作于外部事件計(jì)數(shù)方式，對(duì)轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)數(shù)；T0工作于定時(shí)器方式，均工作于方式1。每到1s讀一次計(jì)數(shù)值，此值即為脈沖信號(hào)的頻率，根據(jù)式（1）可計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速與施加工于電機(jī)兩端的電壓大小有關(guān)，故將實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值比較，若大于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值則減小DAC0的值調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直到轉(zhuǎn)速值等于預(yù)設(shè)定的值，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，程序流程如圖2、圖3所示。3.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和誤差分析繪制了測(cè)量誤差曲線，如圖4所示。誤差分析表明，轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差在5%以內(nèi)，并且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增加測(cè)量誤差愈小，呈指數(shù)形式