【报告】北航仪器光电综合实验报告电机测速及磁悬浮实验

2012/4/13

【关键字】报告

光电编码盘测量电机转速实验报告

实验时间：2012年4月13日星期五

（一）实验目的：

1．了解光电编码盘的组成和工作原理；

2．掌握增量式光电编码盘的使用方法。

（二）实验内容：

1．了解绝对式光电码盘的工作原理，使用方法和如何提高绝对式光电码盘分辨率的措施；

2．了解增量式光电码盘的原理，学习其使用方法，利用电路板、光电码盘、示波器等设备观察光电码盘的输出波形，并实现码盘测速；了解增量式光电编码器

的辨向电路原理并用实验验证。

（三）实验仪器：

实验设备主要有电机和码盘实验装置组成，如图5所示。其它实验仪器包括：可调直流电源1台、万用表1个、双踪示波器1台、实验板（学生自搭建）1个，74LS74和74LS08

芯片各1片，导线若干。

（四）实验步骤：

1.用74LS74(双上升沿D触发器)和74LS08（四——二输入与门）及导线搭建辨向

电路和计数脉冲电路；

2.调整可调直流电源输出的电压在0∼20V之间，用万用表标定；

3.连接电源输出到永磁直流电机（连线时关闭电源）；

4.检查光电码盘的电源供电、辨向电路和与门连接是否正确（光电编码盘引线定

义：白色线—— +5V电源，黑色线—— 电源和信号的公共地，红色线——A相

输出，绿色线—— B相输出，黄色线——C相输出）；

5.电源上电（先给光电码盘供电，再给电机供电）；

6.用示波器观测码盘输出信号的波形；

7.测量码盘输出脉冲的频率，计算电机的转速；

8.更换电机供电电压值，重复2∼7；

9.数据处理，绘制电压与电机转速之间的实验曲线；

10.撰写实验报告。

（五）实验数据记录:

a)实测的输入电压和输出频率对应表；

*频率1、2、3组单位：kHz

b)输入电压与转速的关系曲线

(六) 实验小结及思考题：

1.通过电路方法提高测量精度：

实验中使用的增量式光电码盘主要参数如下：

LEC-102.4BM-G05E型增量式光电码盘：电源电压：直流5V，每转输出脉冲数1024

实验中主要用到了D触发器和与非门，通过与非门获得的计数波形如下：

电路结构如下：

分析波形可以看出，通过与门电路获得的计数脉冲，其频率和输入A或B频率相同，此时获得的每转输出脉冲数为1024；

若将A和B同时输入同或门，此时当AB电平相同时，输出电平为高；不同时输出电平为低：分析波形，由此可以得到将每一格输入周期一分为二，即每转输出脉冲数为2048。从而提高测量精度。

2.将绝对式光电码盘的循环码，转换为二进制编码：

将循环码转换为二进制码,原则为保留循环码最高位，作为目标二进制码的最高位；对目标二进制码的次高位，用循环码的对应位与高一位进行异或操作，所以结果为该位二进制码结果；对二进制码其它位，依次重复该方法，即可获得需要的二进制码。

硬件实现方式可以采用FPGA编程，或使用74LS136（四2输入异或门），将对应位分别接入门电路，即可在输出端获得对应的二进制编码。

钢球主动磁悬浮实验

实验时间：2012年5月11日星期五

一、实验目的：

1、了解主动磁悬浮轴承的基本构成；

2、掌握电涡流位移传感器的基本测量方法；

3、了解磁轴承控制电路的工作原理；

4、了解PID控制器的作用规律。

二、实验内容：

磁悬浮球实验装置主要由：底座、短支柱、长支柱、下支板、上支板、磁轴承定子、传感器、钢球、保护螺钉、调理电路、控制电路和功放电路等构成。其工作原理如图2所示。传感器安装在下支板上，用于测量钢球在竖直方向上相对下支板的位移，位移传感器检测到钢球偏离参考点的位移，位移信号经调理电路后，由控制电路输出控制信号，功放电路根据控制信号的大小，输出控制电流给磁轴承定子的线圈，磁轴承定子在线圈通电后，在磁轴承下端的磁极处产生磁感应强度，磁极N和钢球之间、钢球和磁极S之间产生气隙，在2个

磁极对钢球磁力吸引的作用下，磁极与钢球之间的气隙动态变化，最终电磁力促使转子回到平衡位置。当磁极对钢球的吸引力F 与钢球的重量G 在竖直方向达到平衡时，钢球将被悬于空中。

实际实验中用到的装置示意图及原理图：

Figure 1 实际装置示意图及实际图 Figure 2 主动磁悬浮装置工作原理框图

三、 实验结果：

（1） 实验中用到的材料参数：

1、 球头杆材料：DT4E ；球头杆质量：38克；球头直径：47mm

2、 磁轴承定子线圈参数：绕线匝数：N=160匝，线圈电阻：R=1.4 （直流）， R=6.6 (20kHz 交流)线圈电感：L= 9.32mH(20kHz 交流)，线圈最大允许电流：3.0A ，磁极与钢球之间气隙的等效横截面积A=0.00015平方米；

3、 电涡流位移传感器型号：CWY-D0-20Q08-50V ，传感器灵敏度：约6V/mm ，传感器量程：1mm ，传感器电源电压：24V （2） 实验现象描述：

将电源调整到实验要求值，合理设置PID 参数，可以看到，球头杆稳定的悬浮在外磁极下方，与外磁极间保持稳定的距离。 （3） 钢球稳定磁悬浮时线圈电流：

考虑到 6.6(20khz)R =Ω，故可直接计算电流有效值：0.920.13946.6U V

I A R =

==Ω

（4） 根据实验装置的数据，估算等效气隙的值：

利用公式：20

2B A

F u =，可得：

0.079B T ===；

利用公式：0

B

=

N i H u δδ⋅=⋅⋅，可得： （5） 思考题：

PID 控制器在钢球悬浮过程所起的作用是什么？

比例环节主要用于使控制量向偏差减少方向变化，同时强化控制作用；积分环节的主要作用是减少超调量，提高系统稳定性；微分环节的作用是减小超调量，克服振荡，