转速测量

摘要
转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,速度测量的精度直接影响系统的控制情况,它是关系测控效果的一个重要因素。

不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。

本文介绍了三种简单的电机转速测量方案，即：光电红外传感器转速测量、霍尔元件转速测量和基于MMA7361加速度计转速测量。

论述了设计方案，传感器原理和电路的设计，同时还对三种方案进行了仔细分析，针对其优缺点，适用场合及研究发展情况作了简要概括。

验证表明，三种方案切实可行。

关键词：电机转速测量；光电红外传感器；霍尔传感器；MMA7361；加速度计
Abstract
Speed is the motor an important state parameter, in many sports system and control the, the need to motor speed measuring, speed, the accuracy of measurement directly influence the control system, it is the relation measurement and control the effects of a important factor. Whether dc speed control system or ac speed regulation system, only speed high precision testing can obtain the high precision control system.This paper introduces three kinds of simple motor speed measurement solutions, namely: the photoelectric infrared sensor speed measurement, hall element speed measurement and based on MMA7361 accelerometer measurement speed. Discussing the design scheme, sensor principle and circuit design, also of three kinds of schemes are discussed, the advantages and disadvantages of the carefully, applicable occasions and research development are briefly summarized. Experiments show that three scheme is practical and feasible.
Key words: Motor speed measurement；Photoelectric infrared sensors；Hall element；
MMA7361；accelerometer
目录
摘要
Abstract
第一章绪论 (4)
第二章总体方案设计 (5)
2.1方案论证 (5)
2.2 具体设计方案 (5)
第三章硬件电路的设计 (7)
3.1传感器的选择 (7)
3.2霍尔式传感器的组成与基本特性....................... 错误！未定义书签。

3.3集成霍尔传感器................................................... 错误！未定义书签。

3.4信号处理电路....................................................... 错误！未定义书签。

3.5电机调速部分....................................................... 错误！未定义书签。

3.6键盘、显示器部分............................................... 错误！未定义书签。

第四章软件部分系统地实现 (10)
4.1总体设计思想 (10)
4.2软件的具体实现................................................... 错误！未定义书签。

结论................................ 错误！未定义书签。

致谢................................ 错误！未定义书签。

参考文献 .............................. 错误！未定义书签。

第一章绪论
随着科学技术的飞速发展，在工业的实时控制中，在各种机械设备中控制转速的应用逐渐增多。

由于转速控制对系统的稳定性有着至关重要的影响,转速的检测与控制在工业控制中占有很大的比重。

为了准确了解工作的情况并加以实时控制，对转速的检测与控制是十分必要的。

目前，虽然在市面上有一些转速测量仪，但它的体积相对庞大、结构复杂、价格比较昂贵，不适用于对体积小的仪器的转速进行测量。

在本次设计中，三种电机转速测量方案，即：光电红外传感器转速测量、霍尔元件转速测量和基于MMA7361加速度计转速测量系统结构简单，价格低廉，体积小，抗干扰能力强，适合应用于各种测量转速的电路中。

其中，光电红外传感器转速测量采用C8051F020单片机作为主控制器，设计了一个基于光电红外传感器的电机转速检测控制系统。

为此，介绍了系统的功能、结构框图，并阐述了其硬件和软件的设计与实现；霍尔元件转速测量采用了霍尔传感器和磁钢构成的脉冲发生器 ,与单片机的接口电路和倍频电路以及所采用的测速算法；基于MMA7361加速度计转速测量，介绍了几种基本的电机转速测量方法，并对这些测量方法进行了比较，给出了基于加速度计进行电机转速测量的硬件电路设计方法和测试系统的工作原理。

同时对三种转速测量方案进行了优缺点，适用场合及发展前景的比较。

第二章总体方案设计
2.1方案论证
方案一
电机在工农业生产过程实施控制中，转速的检测与控制一般占有很大比例，它对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响。

为此，笔者开发出以
C8051F020[1]控制器的电机转速检测控制系统，该系统使用不同于其他的非接触式光电红外元器件检测电机的转速，能控制电机进行精确的运动控制。

该全数字电机转速检测系统可以固定安装在电机设备上，也可以制作专用的手持转速表。

在工农业生产控制和民用电器中都有较高使用价值。

方案二
所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器成本低、构造容易、性能好。

它成功地嵌入目前国内大学中普遍采用的DCS-1型直流调速系统实验装置中，已可靠运作两年以上。

而且有关用测速发电机测速的系统实验可以照常进行，硬件上无须做任何运动，反复卸下一个、装上另一个，才能进行相应的系统实验。

方案三
MMA7361是一款低功耗、低寄生电容的微型机械加速度计，具有尺寸小，自测试，可进行温度补偿等特征。

该器件还可用于检测线性运动物体的加速度以及圆运动的加速度。

MMA7361还具有睡眠模式节省电能等特点。

2.2 具体设计方案
方案一
该系统要求 C8051F020 单片机计算出由光电元器件采集电路检测的电机转速，然后根据电机运转状态调整电机转速。

如此反复，使电机运转在稳定的转速。

系统主要功能模块包括转速采集电路、驱动电路、显示电路和控制电路。

系统的整体结构如图1所示。

方案二
霍尔传感器选用霍尼韦尔公司的SS41型霍尔位置传感器/开关输出[2]。

它尺
寸小,有灵敏的磁特性响应速度快 ,工作速度从0～100kHz ,完全满足采样时间的
要求。

可采用单5V电源供电,输出电压值小于0.4V ,故与微机接口时,需有后续电路放大脉冲信号。

用实验的方法测定传感器与磁片的敏感距离,确定传感器的固定位置。

磁片选用 30SH型。

将磁片粘贴于电机连动轴的一周 ,注意辨别每个磁片的
N、S 极 ,(N 极贴向转动轴 ,S极朝向霍尔传感器) 。

按磁片数目与轴的周长计
算间距 ,均匀粘贴。

要提高测量精度 ,应适当增加电机旋转 1 周时产生的脉冲数 ,即增加粘贴的磁片个数 ,从而使间距变小。

但间距不能太小 ,否则会影响到霍尔
传感器的输出脉冲。

采用 502 胶水粘贴即可 ,电机高速运转时 ,也从未出现过磁片的被甩出或滑动现象。

微机接口电路将传感器输出的微弱的脉冲信号转换为幅值为 +5V 的单片机标准输入信号。

用LM311比较器实现。

实际电路如图 1 所示。

R2 、R3 用于调整比较器的基准电压,设定为 0.25V.当传感器的输出电压高于基准电压时 ,比较器输出 + 5 V 的高电平 ,反之则输出为 0V 的低电平。

比较器上拉电阻的大小会影响输出幅度 ,由 500Ω改为15 kΩ后 ,使输出幅值增大。

D1 用作限幅保护。

经该电路输出波形规则稳定。

方案三
按照脉冲信号与标准频率信号的相互关系，将转速测量分为测频法，测周期法、和测频率周期法等几种方法。

无论是T法, M法,还是 M/T法,其转速测量的精度均由晶体振荡器的振荡频率决定,也就是说,决定电机转速的量为传感器的输出脉
冲。

除此以外,也可以采用测量电压的方式来测定电机转速,如基于加速度计的电机转速测量方法。

第三章硬件电路的设计
3.1传感器的选择
方案一
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。

接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。

此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的发射装置。

它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。

它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

方案二
霍尔传感器是利用霍尔效应进行工作的，其核心元件是根据霍尔效应原理制成的霍尔元件。

本文介绍一种泵驱动轴的转速采用霍尔转速传感器测量。

霍尔转速传感器的结构原理图如图3.1, 霍尔转速传感器的接线图如图3.2 。

传感器的定子上有2 个互相垂直的绕组A 和B, 在绕组的中心线上粘有霍尔片HA 和HB ,转子为永久磁钢,霍尔元件HA 和HB 的激励电机分别与绕组A 和B 相连,它们的霍尔电极串联后作为传感器的输出。

图3.1 霍尔转速传感器的结构原理图
图3.2方案霍尔转速传感器的接线图
方案三
转速测量原理图
优点：低功耗、睡眠模式、低寄生电容、尺寸小、自测试、可进行温度补偿等特征。

3.2 系统硬件设计
方案一
电机转速采集电路采用非接触式的红外光电元器件,利用红外线检测器的收发脉冲信号来检测电机的转速。

这里的红外检测器件只允许通过频率大约38.5kHz 的信号，检测器只捕捉每秒闪烁38500 次的红外光。

从而防止了普通太阳光源和室内光对红外线的干涉，增加了检测系统的可靠性和灵敏性。

红外光电传感元器件采集的电机转速电路如图2所示。

方案二
测速算法由单片机编程实现。

由于 M 法测速在低速段测速精度低 ,而 T 法测速在高速时分辨率低所采用的 M/ T测速法兼有 M 法和 T 法的特点 ,在高速段与M 法相近 ,在低速段则与 T法相近。

即集中了它们的优点 ,做到在低速时有较强的分辨能力 ,在高速[2]时 ,有较高的测速精度。

方案三
随着单片机技术的发展，特别是高性价比的单片机的涌现，以单片机为核心的转速测量系统的智能化更高，功耗更小，本系统就是采用TI单片机MSP430作为主控制器MMA7361作为转速传感器。

其硬件结构如图E所示
第四章软件部分系统地实现
4.1总体设计思想
转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有 M 法 ( 测频法 )、T 法 ( 测[4]周期法 ) 和 M/T 法 ( 频率周期法 ) 。

M 法是利用一段时间间隔内产生的输出脉冲数来确定转速。

T法是通过测量光电编码器两个相邻脉冲的
时间间隔，即脉冲周期来确定转速。

而 M/T 法相对于其它两种方法有较高的精度，但它的实时性差。

由于该系统采用灵敏性和可靠性很高的光电传感器件进行速度采集，因此采用 M 法 ( 测频法 )。

转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。

光电采集的输出脉冲信号，其频率和转速成正比。

脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：N = 60/PT。

其中，N 为电机转速，P 为电机转一圈的脉冲数，T 为输出方波信号周期。

电机转速的调整使用 C8051F020 单片机的可编程计数器阵列 PCA，PCA 的 5 个 16 位捕捉 / 比较模块都可以独立地配置成脉宽调制输出 PWM工作模式，PWM 输出频率取决于 PCA 计数器/ 定时器的时基，使用模块的捕捉 / 比较寄存器PCA0CPLn 改变 PWM 输出信号的占空比，从而达到对电机转速的调控。

电机转速检测控制系统的主程序和转速计算流程图如图5所示。

为了减小转速检测误差及某些不确定的干扰对检测结果的影响，程序采用了五次平均值滤波，将每五个转速脉宽的平均值做为一次采样值。