直流电动机多参数测量电路设计.docx

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直流电动机多参数测量电路设计

直流电动机多参数测量电路设计

直流电动机多参数测量电路设计

摘要

当今,电机各参数测量在故障保护系统不可或缺。

在实现灵活控制，可靠性高的基础上，对参数检测来实现过电流、欠电压和缺相的保护，用于故障检测和数字精密控制占有十分重要的地位，为电机提供一个空间。

本文设计了一种自动测量直流电动机参数的电路，能够实现直流电机的电枢电压、电枢电流和转速的自动检测和显示功能。

本系统采用带有A/D转换的STC12C560S2单片机作为核心部件，采用LEM电流传感器采集电机的电枢电流，LEM电流传感器的输出为0-5V模拟电压，可以直接与单片机接口；采用数字旋转编码器测量电机轴的实时转速，既可以满足电机转轴的高速测量精度，又可以满足电机转轴的低速测量精度。

电路结构简单,安装调试方便,测量结果精确，具有很高的实用价值。

关键词：

直流电动机；STC12C560S2；LEM电流传感器

DCmotormulti-parametermeasurementcircuitdesign

ABSTRACTR

Today,theelectricalparametersmeasuredatfaultprotectionsystemisindispensable.Intheflexiblecontrol,highreliability,basedonthedetectionparameterstoachievetheover-current,under-voltageprotectionandphaseforfaultdetectionandprecisiondigitalcontroloccupiesaveryimportantposition,toprovideaspaceforthemotor.

ThispaperpresentsadirectcurrentmotorparametersautomaticallymeasurementcircuitcanbeachievedarmaturevoltageDCmotorarmaturecurrentandspeedofautomaticdetectionanddisplayfunctions.ThesystemuseswithA/DconversionSTC12C560S2microcontrollerasthecorecomponents,useLEMcurrentsensorscollectthemotorarmaturecurrent,outputLEMcurrentsensoris0-5Vanalogvoltageordirectlyinterfacewiththemicrocontroller;digitalrotaryencodermeasuringmotorshaftspeedinrealtime,bothtomeetthemotorshaftspeedmeasurementaccuracy,butalsotomeetthelow-speedmeasurementaccuracyofthemotorshaft.Circuitstructureissimple,easyinstallation,accuratemeasurementresultswithhighpracticalvalue.

Keywords:

DCmotor;STC12C560S2;LEMcurrentsensors

一、绪论

1.1研究背景及意义

电机的使用和我们日常生活息息相关，不仅被广泛的应用于工业部门、运输部门、航空部门、医疗部门。

而且还在商务与办公设备和家用电器中发挥着重要的作用。

电机不仅可以用于电能的生产，而且也是电能应用的主要形式，而电机的各种参数更是让不同的电机别具一格，电机的多种参数的测量便可让我们直观了解。

在现代化技术日益发展的今天，为了提高生产效率，发展生产，传统产业也加速了进行现代化改造的步伐。

改造离不开一些现代化手段，我们可以利用先进的技术，科学有效的改变电机的转速，对其进行精确测量，在此基础上使用数码显示和超速报警装置，控制和测量生产生活中的一些旋转设备、仪器用品的速度，从而使生产生活更加便捷。

电动机多参数的测量不仅可以更好的进行数字控制，还可以对电机正常运行时状态的监测，测量电压、电流和转速可以直观看出电机运行状态，对于故障检测和数据测量了具有很好的控制效果，利用单片机进行信号转换可以实现数字报警等功能，为实现安全运行做出重要贡献。

电机工作电压，电流以及电网电压的监测是电机正常运行的保证，而多参数测量精准更是影响系统的控制，这关系实现报警功能的应用，科学有效的对电机状态的监测了解。

通过研究电机参数测量，我们也更加全面的了解了参数测量电路是怎样进行连接的，以及其中用的到的诸如：

TMS320X240单片机,8X190SC单片机，AT8051单片机等芯片的功能及其各个引脚的功能，充分的体现了理论与实践结合，给我们毕业后走向社会，做了进一步的准备。

1.2国内外研究现状

20世纪80年代后期，随着人工智能和计算机技术的飞速发展，直流电机参数测量走进自动控制时代，无疑问正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及高安全性等高科技的方向迅速发展。

我国加入WTO后，电机行业面临着巨大竞争压力和挑战，高效利用电机和使用电机并熟悉电机的参数是非常必要的，开发我国高校电机是非常必要的，这也是我国赶上国际水平和推进行业技术的进步的需要。

随着科技的发展故障智能检测发展也成为信息处理的一大关键，我国也在1997年成立中国自动化学会技术故障诊断协会。

说明对电机参数检测越来越精细和深入。

自动控制和人工智能发展无疑不能离开电机多参数精确测量，为此研究电动机多参数测量和电路设计具有重要的意义。

1.3项目研究内容

系统自动检测直流电动机的转速、工作电压、工作电流及三个参数，并显示各个参数的检测结果。

并具有超限报警功能。

二、总体方案设计

2.1设计技术要求

1.转速测量范围：

0—1000r/min,报警限值：

750—850r/min

2.工作电压测量范围：

0—250V,报警限值：

200—240V

3.工作电流测量范围：

0—200A,报警限值：

90—110A

2.2系统组成

直流电动机多参数测量系统主要由电压的测量、电流的测量、转速的测量三个测量部分，以及STC12C5A60S2单片机和显示、报警六个模块组成。

系统的组成框图如图2.1所示。

图2.1系统的组成框图

2.3系统工作原理

直流电动机的电枢电压采用电阻分压电路获取电压测量模拟信号，电动机电流测量采用电流传感器，转速检测采用旋转编码器，旋转编码器输送数字信号与单片机直接相连，显示电路可以实时显示直流电动机的电枢电压、电枢电流以及转速值，当量程高与上限或低于下限时，单片机会输出报警信号，起动报警电路工作。

2.4主要模块的方案选择

2.4.1电流传感器的选择

直流电动机的电枢电流测量选择LEM电流传感器。

当今，环境保护是世界范围内最重要的问题之一。

低成本、高性能、体积小、5V供电是环境保护对电力行业的基本要求。

LEM是电流测量控制、监控、保护领域的领导者，其在驱动、不间断电源、开关电源、功率变化电源等领域有着丰富的应用经验。

LEM电流传感器，具体型号有LTS6-NP、LT4000-L和LA200-P电流传感器等等，本文选择型号为LTS6-NP电流传感器，因为供电电压为0-5V，所以为了满足量程需要和性能需求选择LTS6-NP满足需求。

霍尔闭环电流传感器•输出2.5±0.625V•供电电压5V•精度0.2%•频率范围0-200KHZ•温度范围-40--+85℃•响应时间≤100nS•PCB安装

图2.2电流传感器

2.4.2旋转编码器的选择

图2.3旋转编码器

光电式旋转编码器是一种测量转速和转角的装置。

当这种装置与电动机相互连接时，电动机的转动会带动码盘来实现旋转，然后发出转速还有其转角的信号；旋转编码器一般分为绝对式和增量式两种形式。

一一个光栅数为N的码盘，其转速分辨率就是1N，经常使用光栅数为1024、2048、4096等的旋转编码器。

在此基础上增加光栅的数量会加大旋转编码器的成本和制造难度。

而使用倍频电路则可以避免增加旋转编码器的光栅数量，同时还可以提高分辨率，但如果倍频电路的倍频过大实现起来比较困难，所以我们一般使用四倍频电路。

通常使用旋转编码器来实现数字测速方法可以分为三种：

M法、T法、和MT法

M法测速：

在时间T内对旋转编码器输出的脉冲个数M进行测量，并由此算出这段时间内地额平均转速，这种计算方法称为M法测速，如图2.4所示。

图2.4M法测速

T法测速：

在编码器连续的两个输出脉冲的时间间隔以内，使用计算器来记录频率为f的高频时钟脉冲的数量，并用这个方法来计算转速，这种测速方法就叫做T法测速。

本文使用的是T法测速，如图2.5所示

图2.5T法测速

旋转编码器是被用来测量转速的。

其功能可以简单划分成单路输出、双路输出的形式。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），还有电压等等。

单路形式的输出是指旋转编码器的是以一组脉冲的形式进行响应，然而双路形式的旋转编码器则可以响应两组相位差90度的脉冲信号，由于这两组脉冲即可以用来测量转速，又可以被用来检测旋转的方向。

本为采用的是PALDISS系列旋转编码器如图2.6所示

图2.6PALD6615-256-C05E旋转编码器外观

2.4.3单片机的选择

首先介绍单片机STC12C5A60S2。

1.增强型8051CPU,1T（1024G）,单时钟/机器周期

2.工作电压5.5-3.5V

3.1280字节RAM

4.通用I/O口，复位后为：

准双向口/弱上拉可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA

5.有EEPROM功能

6.看门狗

7.内部集成MAX810专用复位电路

8.外部掉电检测电路

9.时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器常温下内部R/C振荡器频率为：

5.0V单片机为：

11~17MHZ3.3V单片机为：

8~12MHZ

10.4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1

11.3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟

12.A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S

因为该系列单片机内部具有8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合，转换速度能达到250K/S的特点，所以本文选择STC12C5A60S2单片机。

2.4.4显示模块

LCD具有显示质量高，没有电磁辐射，可视面积大，应用范围广，画面效果好，并且具有数字式接口的特点本系统采用的LCD为RT-1602C，其主要引脚的功能如下：

RS：

是一种命令和数据选择端，当用高电平的时候用来选择作为数据寄存器，低电平时用来选择作为指令寄存器，

RW：

被称为读取输写选择性输入端，用高电平来读取操作指令，然而低电平时可用来进行写操作，当RS和RW同时作为低电平的时候，用来输入指令或者用来显示地址；当RS被用作为低电平、RW被作为高电平时的时候，进行读忙信号；使用RS为高电平、RW为低电平的时候，被用来写入数据，E：

使能端，在E端是高电平跳向低电平的时候，液晶模块开始执行命令。

三、硬件电路设计

3.1单片机接口电路设计

STC52C1260引脚图:

图3.1单片机引脚图

单片机各引脚说明见附录

晶振电路：

晶振在使用过程中，可以用一个电容和电阻材料并联再串联一个电容，构成二端网络，学术上这个网络是由两个谐振点构成的，把频率自身的高低来划分，比较低的频率被叫做串联谐振，比较高的频率被叫做并联谐振；因为晶体它本身的性质导致这两个频率的距离几乎的接近，在这个特别窄的频率范围之内，晶振可以等效为一种把电能转化为磁能而存储起来的装置，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就

以组成

联电路。

连接如图3.2

图3.2晶振电路

晶振电路与单片机连接如图3.3

图3.3晶振电路与单片机接口连接图

3.2电压和电流测量电路设计

直流电动机的电枢电压量程0-250V范围内采用电阻分压电路输出0-5V模拟电压送给单片机P0直流电动机的电枢电流量程0-200A的范围内经过LEM电流传感器输出0-5V模拟电压给单片机P1口。

输入电压的测量在0-250V范围内，输出电压为0-5V，考虑到最大电压的测量值是250V时，分压电路的分流电流为5mA,所以选取总电阻50KΩ左右,分压电阻如图所示，分别为R1和R2，R2应选取总电阻的1/50，所以选R2为1.1KΩ，R1为51KΩ。

电压测量输出在分压电阻R1、R2中间输出线送给单片机接口相连。

电流测量经过LEM电流传感器，输入电枢电流测量在0-200A范围内，输出电压为0-5V，输出端与单片机接口相连，电压和电流测量电路如图3.2所示。

图3.4电压、电流测量电路

3.3旋转编码器接口电路

旋转编码器旋是被用来测量转速装置。

它可以分成单路和双路两种输出方式。

技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。

单路的输出可以理解成旋转编码器的输出是由一种脉冲组成的，然而双路输出的旋转编码器输出两组相位差九十度的脉冲，比较这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以了解其旋转的方向。

本为采用的是PALDISS系列旋转编码器

表3.1机械参数

电源电压DC（V）

输出形式

输出码制

放大整形

分割数

5±0.5

电压

自然二进制码

有

256

表3.2机械参数

允许最大机械转数

启动力矩（25℃）

允许轴负载

径向

轴向

200r/min

≤1.5×10-2N·m

100N

10N

表3.3环境参数

工作环境

储存温度

耐振动

耐冲击

构造

防护等级

重量

-20~+50

-30~+70

30m/S2

（10~200Hz）（X、Y、Z三个方向各2小时）

30m/S2

（X、Y、Z三个方向各2次）

防尘

IP54

0.9KG（电缆除外）

旋转编码器与单片机连接电路图如图3.5

图3.5旋转编码器与单片机接口图

表3.4接线表

航空插头脚位

电缆颜色

输出功能

备注

1

浅蓝色

八位2进制码的第1位最低位

单圈基础码（每转脉冲）

2

深蓝色

八位2进制码的第1位

3

紫色

八位2进制码的第1位

4

橙色

八位2进制码的第1位

5

灰色

八位2进制码的第1位

6

绿色

八位2进制码的第1位

7

黄色

八位2进制码的第1位

8

浅紫色

八位2进制码的第1位

17

红色

编码器电源DC5V

18

黑色

编码器0V（地线）

19

白色

清0（用于0位设定）

外部输入5~30V正脉冲

其余脚

空脚

3.4显示电路

1602液晶显示器有装有背部光线显示和背部无光线显示两种方式的功能，主要的控制装置基本是由HD44780构成的，具有背部光线显示的相对不带背光的厚，不过他们在应用方面中并无差别。

1602液晶显示器模块最佳工作电压为5V

字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm引脚功能说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明所示:

第1脚：

VSS为地电源；第2脚：

VDD接5V正电源；第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度；第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作；当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据；第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令；第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线；第15脚：

背光源正极；第16脚：

背光源负极[2]。

LCD与单片机连接如图

图3.6LCD与单片机连接图

3.5总图

图3.7总电路连接图

四、系统的软件设计

软件设计部分可以划分为LCD软件编写构建显示电路、外部中断程序控制、报警信号电路传输与控制、在整个体系中使用的变老以全局变量形式，并提供主程序来进行调试和使用，以此来完成程序的显示。

主程序流程图如下

图4.1主程序

4.1程序设计

4.1.1数据处理子程序

1.中值滤波子程序

中值滤波被用来清除障碍信号。

把数次采样所获得的值进行依次排列，其平均值作为结果。

通过第一次循环使最大的数“沉底”，通过第二次循环又使次大的数“沉底”，按照此排列，直到所有数据都按从小到大顺序排列。

小循环计数器为R4，由4次逐渐减少至1次。

另外，由于需对4组数据进行排列，所以又设置了第三重循环，循环计数器为R2（为4次）。

当每组数据排序完后，将7CH的内容加5，使之指向下一组数据的首址，直至4组数据均排序完后，又将7CH单元重置50H。

2.数据转换A子程序（CHAA）

现以电动机转速为例，设滤波结果为X，其变化范围为00H～FFH（为下面演算方便起见，设为00H～100H，误差小于千分之四），而设其转换结果为0～1000r/min，显然，两者之间有如下比例关系：

则有：

也即当电动机转速的滤波结果为X时，其所对应的二进制数的工程量为X乘以7DH，再除以25。

同样，对于工作电压、工作电流、电网电压，分别有如下计算公式：

由此可知，数据转换A子程序的程序设计思想是：

先将滤波结果乘以一个系数，得到一个双字节数，后将该双字节数右移n次即可。

由于乘的系数和右移次数各不相同，本来要编制4个子程序以分别实现转换。

为使程序简洁，现仍以一个子程序实现转换。

其具体方法是以查表得到每次乘的系数和右移次数。

程序中双字节数右移一位专门用一个CHAS子程序完成，右移n次只要n次调用该子程序即可。

4次转换结果依次存入68H～6FH单元（每个转换结果占两个字节）。

3.数据转换B子程序（CHAB）

该子程序的主要作用是将二进制数的工程量（存68H～6FH）转换成与其自身所对比的十进制数的工程量（依然存68H～6FH）。

由于本课题中各参数的最大值均不超过1000，故双字节数高位字节的前六位恒为0。

程序设计中把双字节数逐位向左移至C标志，后判C标志的内容。

若为1，则把该位所对应的权值加入累计单元（工作寄存器R5、R6作累计单元）；若为0，则不加。

图4.2双字节二进制数各位权值

由于各数据高位字节的前6位恒为0，所以在对数据的高位字节进行处理时，先空移6次，不作判断。

仅对后两位作处理，而低位字节的8位则全部作处理。

判别C标志的内容及进行累加由专门的子程序CAK完成。

该子程序据C标志的内容确定是否要对权值进行相加，若要加，则通过两次查表，先后找到权值的低位和高位分别累加到R6（置累加和的低位）、R5（置累加和的高位）中。

需要强调的是为使累加和为十进制数，所以在两次执行加法指令后均需进行二-十进制调整。

另外，考虑到在低位字节相加时可能对高位字节产生进位，故在第二次相加时，需采用ADDC指令。

当累加完成后，需将累加的结果送目标单元（68H～6FH），并通过4次循环，完成对4个数据的处理。

程序如下：

PROC：

JBCP0，PRl数据处理子程序

RET

PR1：

LCALLRANG调排队子程序

LCALLLOAD调中值（滤波结果）传送子程序

LCALLCHAA调数据变换（采样值十二进制数工程量）子程序

LCALLCHAB调数据变换（二进制数-十进制数工程量）子程序RET

RANC:

MOVR2,#04H四组数据排队

RAN1:

MOVR3,#04H

RAN2:

MOVA,R3

MOVR4,AMOVR0,7CH

RAN3:

MOVA,@R0

MOVR5,AINCR0

MOVA,@R0

CLRC

SUBBA,R5JNCRAN4

MOVA,R5

XCHA,@R0

DECR0

MOV@R0,A

INCR0

RAN4:

DJNZR4,RAN3

DJNZR3,RAN2

MOVA,7CH以下三条，7CH单元内容加5，指向下组数据首址

ADDA,#05H

MOV7CH,A

DJNZR2,RAN1

MOV7CH,#50H四组数据排队后，7CH单元内容恢复为50H

RET

LOAD:

MOVR0,#52H各中值传送至滤波结果单元

MOVR1,#64H64H～67H置滤波结果

MOVR2,#04H

LD1:

MOVA,@R0

MOV@R1,A

MOVA,@R0以下三条，R0内容加5

ADDA,#05H

MOVR0,A

INCR1

DJNZR2,LD1

RET

CHAA:

MOVR0,#64H;数据变换，将4个采样值变成二进制数工程量;程序设计思想：

乘X除r

MOVR1,#68H

MOVDPTR,#TAB2

MOVR2,#04H

CH1:

CLRA

MOVCA,@A+DPTR

MOVB,A

MOVA,@R0

MULAB

MOVR3,A乘积低位暂存R3

INCDPTR

CLRA

MOVCA,@A+DPTR

MOV@R1,A

INCR1

XCHA,B

MOV@R1,A

INCR1

INCDPTR

INCR0

DJNZR2,CH1

RET

TAB2:

DB7DH,05H,7DH,07H乘的系数和右移次数表

DB19H,05H,7DH,06H

CHAS:

XCHA,B双字节右移

CLRC

RRCA

4.2报警子程序

报警子程序是本程序中较为复杂的一个子程序。

其设计思想是将4个参数的转换结果分别与各参数的上下限进行比较，也即做8次双字节减法（各参数的上下限通过查表取得），并由C标志得到8个报警信息。

各参数的转换结果在与下限相减时，若有借位（C标志为1）需报警；而在与上限相减时，无借位（C标志为0）需报警。

根据本课题要求，各参数不管是超过上限，还是低于下限均用同一个报警灯报警，故在程序设计中还需将8