基于虚拟仪器的电机转速测控系统.docx

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基于虚拟仪器的电机转速测控系统

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摘要

转速是电机极为重要的一个状态参数，它的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试以及故障检测与诊断的准确性；在速度闭环控制系统中，测试装置属于反馈环节，转速检测的宽素性和精度将直接影响系统的控制效果和动静态性能，因此转速的高精度测试具有重要的意义。

本论文要设计一个用光电转换方式来测量电动机的转速系统，并做出相应的仿真分析，测速对象为一台额定电压为5V的直流电动机，基本要求是电机转速范围为600~6000r/min,测量的相对误差不大于1%，且用4位七段数码管显示相应的电动机转速。

为了知道电机的实际转速，需要实时监测电机轴的转速，方法是电机的轴上连接一个开孔圆盘，通过光电开关将转速换为电脉冲信号，通过计数等电路，测量出电机的实际转速。

它涉及到光电转换，整形，倍频，计数，译码。

显示。

以及计数显示之间的时序关系的控制等多种电路。

论文所设计的系统用到的器件都是本专业电路中常见的器件，价格便宜，且起结构简单，原理易于掌握，但却能较精确测得电机的转速。

关键词：

转速测量；光电转换；倍频；锁相环；施密特触发器；

Abstract

Rotationalspeedisaveryimportantstateparameterofelectricmotors.Itsmeasurementprecisionwilldirectlyaffectthetestofotherrelevantparametersandcharacteristicsofelectricmotorsandthetestofdetectionanddiagnosisoffaults.Inspeedloopcontrolsustem,thevelocitymeasurementdevicesarefeedbacklink.Thespeedinessandprecisionoffthevelocitymeasurementwilldirectlyaffectofthesystemandstaticanddynamicstatefeatures.Thereforethehigh-precisiontestsofrotationalspeedaresignificance.

Thisthesiswantstodesignasystemofphotovoltaicconversiontomeasuretherotationalspeedofelectricmotors,andmakethecorrespondingsimulationanalysis.Theobjecttomeasureisadirectcurrentgeneratorwhoseratedvoltageis5Vandspeedscopeis600~6000r/min.Therelativeerrorofmeasurementisnotmorethan1%andusefoursevensegmentnumericdisplaytoshowcorrespondingelectricmotorsrotationalspeed.

Toknowtheactualelectricalrotationalspeed,weneedreal－timemonitoringtherotationalspeedofthemotor’saxis.Byconnectingtheaxisadishwithholes,rotationalspeedwillbechangedtoelectricitypulsesignalthroughPVswitches.Throughcountingandothercircuits,theactualrotationalspeedofmotorwillbeknown.

Thedevicesusedbythedesignedsystemarefamiliarandcheapness.Thoughthesystem’sstructureissimpleandprincipleiseasytounderstand,Itcanaccuratelydetectthemotor’sspeed.

Keywords:

RotationalSpeedMeasuring;PhotovoltaicConversion;Frequencydoubling;PhaseLockedLoops;SchmittTrigger;

目录

中文摘要

英文摘要

第一章绪论1

1.1电机转速测量发展现状及前景1

1.2研发意义1

1.3课题任务1

第二章转速测控系统总体结构3

2.1硬件系统3

2.1.1多功能转子实验台3

2.1.2转速测控传感器4

2.1.3直流电机转速控制器5

2.2软件系统6

第三章转速测控原理9

3.1转速测量方法9

3.2转速控制方法16

第四章转子实验台虚拟仪器开发16

4.1虚拟仪器概述16

4.1.1虚拟仪器的概念17

4.1.2虚拟仪器的基本结构和类型17

4.1.3虚拟仪器的演变与发展18

4.2转速测量和控制虚拟仪器的设计19

第五章小结22

参考文献23

致谢.....25

第一章绪论

1.1电机转速测量发展现状及前景

目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法（如离心式转速表，用电机转钜或者电机电动势计算所有得），同步测速法（如机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。

计数粗俗法又可分为机械式定时计数罚和电子式定时计数法。

传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有蚕蛹电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等），电容式（对高频振荡进行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号，其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性，低噪声，高分辨率和高精度的优点。

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下有具有非接触，高精度，高分辨率，高可靠性和反应快等优点，加之激光光源，光栅，光学码盘，CCD器件，光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

而采用光电传感器的电机转速测量系统测量准确度高，采样速度快，测量范围宽和测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

1.2研发意义

转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，它是电动机极为重要的一个状态参数。

它的测量精度将直接影响电动机其它有关参数和特性的测试，以及故障检测与诊断的准确性；在速度闭环控制系统中，测速装置属于反馈环节，转速检测的快速性和精度将直接影响系统的控制效果和动静态性能，因此转速的高精度测试具有重要的意义。

电机转速测量系统可以应用于测量各种机械的转速，如冰箱压缩机，空调压缩机等等，以及其他的发动机，电动机的转速测量，也可用于电机转速的反馈以控制电机平稳运行和调速。

1.3课题任务

本论文要设计一个用光电转换方式来测量电动机的转速系统，并做出相应的仿真分析，测速对象为一台额定电压为5V的直流电动机，基本要求是电机转速范围为600~6000r/min,测量的相对误差不大于1%，且用4位七段数码管显示相应的电动机转速。

为了知道电机的实际转速，需要实时监测电机轴的转速，方法是电机的轴上连接一个开孔圆盘，通过光电开关将转速换为电脉冲信号，通过计数等电路，测量出电机的实际转速。

它涉及到光电转换，整形，倍频，计数，译码。

显示。

以及计数显示之间的时序关系的控制等多种电路。

第二章　转速测控系统总体结构

本章讨论了转速测控系统的总体结构，整个系统分为两个部分，即硬件平台和软件系统。

硬件平台包括多功能转子实验台、PWM电机转速控制器、数据采集控制系统；软件系统主要包括试验测控软件

2.1硬件系统

硬件系统主要由以下各部分组成：

多功能转子实验台、电机转速控制器、数据采集系统、现场视频监控系统。

四部分协同工作实现试验数据的采集和在线分析、试验台转速的控制和电源控制、现场工况的视频监控。

2.1.1转子实验台

转子试验台是本系统的测控对象。

其结构如图2-1。

图2-1转子试验台

转子采用整体圆柱轴承支承，润滑油润滑。

在轴承座上有传感器安装位置，便于轴承根部的振动测量。

另外还有传感器支架，用于安装电涡流传感器，对不同位置的轴心位移进行测量。

本系统选用的ZHS系列多功能转子试验台，此试验台主要特点是结构紧凑、体积小、运转方便、演示项目多、测试手段先进。

其结构组成主要有：

1）直流电机（0至10000转/分）。

2）底座。

3）含油轴承支座4个。

4）安装电涡流传感器的支座2个。

5）两种类型的圆盘各1个，可调节转动不平衡。

2.1.2转速测量传感器

1）.光电转速传感器

直接测量电机转速的方法很多，可以采用各种光电传感器，也可以采用霍尔元件。

本系统采用光电传感器来测量电机的转速。

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和相应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。

光电转速传感器的结构见图2-2。

它由开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等组成。

开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光，通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收，将光信号转为电信号输出。

开孔圆盘上有许多小孔，开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数，因此，可通过测量光敏元件输出的脉冲频率，得知被测转速，即n=f/N，式中：

n-转速f-脉冲频率N-圆盘开孔数。

图2-2光电转速传感器

2）.磁电感应式转速传感器

原理：

对一个匝数为N的线圈，当穿过它的磁通量发生变化时，线圈产生的感应电动势

磁通的变化可通过多种方法来实现，如磁铁与线圈之间作切割磁力线运动、磁路中磁阻变化、恒定磁场中线圈面积变化等，因此可制造出不同类型的传感器，用于测量速度、扭矩等物理量。

其工作原理：

线圈与磁铁固定不动，通过运动着的被测物体改变磁路的磁阻，从而引起磁力线的增强或减弱，使线圈产生感应电动势。

如图2-21：

图2-21磁电感应式转速传感器

感应电动势变化的频率f与齿轮转速n成正比。

齿轮旋转时，齿的凹凸面使磁阻改变，磁能量随之变化。

f=Zn/60n=605/Z

n-被测轴的转速r/min

f-感应电动势的频率HZ

Z-齿轮的齿数

2.1.3直流电机转速控制器

转子实验台配置的是直流电机，电机转速由电枢电压决定，用微机实现直流电机调速十分

方便。

本系统中的电机控制采用脉冲宽度调制（PWM）控制器。

脉冲宽度调制驱动装置是利用大功率电力电子元件的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短，通过改变直流电动机电枢上电压的“占