前期材料.docx
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前期材料
序号：
10463330
常州大学
毕业设计前期材料
（2014届）
学生徐铮铮学号10463330
学院怀德学院专业班级电气101
题目基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计
类别毕业设计毕业论文
校内指导教师张晓花专业技术职务讲师
材料目录
序号
名称
数量
备注
1
毕业设计任务书
2
文献综述（设计类）
1
3
外文翻译（封面、译文、原文）
二○一四年十二月
学号：
10463330
常州大学
毕业设计开题报告
（2014届）
题目基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计
学生徐铮铮
学院怀德学院专业班级电气101
校内指导教师张晓花专业技术职务讲师
题目：
基于磁电传感器的电机转速自动检测系统设计
一、前言
1．课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势
（1）意义：
在工业生产和实验过程中，经常会遇到各种转速的测量和控制问题。
在这种情况下，我们可以通过磁电方法，将转速测量转变为频率测量。
频率测量的方法很多，不同的方法有各自适用的范围。
近年来随着电子技术的迅速发展，工业测控设备的不断更新，频率测量的方法和设备也有新的进展。
在实际应用中，选择不同的转速检测设计方案，得到的效果也不尽相同。
电机在运行的过程中，需要对其运行的平稳性进行监测，适时对转速进行测量可以有效地反应电机的状况。
另一方面，在运动控制系统中，转速检测也是电机速度或位置控制的基础。
磁电式传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。
它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。
它广泛的用于建筑工业等领域中振动、速度、加速度，转速、转数等非电量的测量。
因此研究基于磁电传感器的电机转速的自动检测系统有一定的实际意义。
（2）磁电传感器的研究现状及发展趋势
磁电式传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。
由于它有较大的输出功率，故配用电路较简单；零位及性能稳定；工作频带一般为10～1000Hz。
磁电式传感器具有双向转换特性，利用其逆转换效应可构成力（矩）发生器和电磁激振器等。
磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。
但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则需要配用积分或微分电路。
磁电阻传感元件是利用磁性材料的磁电阻效应,采用半导体工艺制成,还可进一步和半导体电路集成在一块芯片上,做成专用性器件。
由于它是强磁性合金材料制成,物理化学性能稳定,具有长寿命、高可靠、高灵敏度、温度系数小、范围宽、线性度好等特点[1]。
现在有一种81NiFe/Cr多层膜制作的磁电阻式传感器的新应用[2]。
一对易磁化轴相互垂直的磁电阻元件构成二维磁场探头，用它检测钢板上人工微裂缝附近的磁场分布。
磁电阻元件与永磁块组合构成力矩传感器，用于人体重心摇摆检测。
动平衡是中小型电机转子生产和制造过程中必须解决的问题。
随着全自动动平衡修正研究技术的发展,全自动平衡机成为高品质电机转子生产的必要设备。
磁电式振动速度传感器用于测量转子的振动量,是全自动平衡机的关键部件,而全自动平衡机是全天候长周期的工作设备,因此要求传感器有很好的稳定性和可靠性。
传统的动圈型磁电传感器由于其固有的结构缺陷,经常产生断线故障,严重影响了设备的日常使用。
针对传统动圈型磁电传感器的缺点,需要研究一种改进的差动动磁铁型磁电传感器。
我们的主要工作在于：
（1）差动动磁铁型磁电速度传感器结构设计：
提出了差动动磁铁型磁电速度传感器的结构,分析了其对于传统磁电传感器的结构优点；对传感器结构关键部件的弹簧片和永磁
体作了介绍,分别描述了弹簧片的结构及永磁体的材料和性能等相关内容。
（2）有限元软件分析：
鉴于较难给出弹簧刚度和永磁体空间磁场的解析解,利用有限元软件ANSYS对传感器进行结构分析和磁场分析。
建立了二维弹簧模型及永磁体二维磁场模型,给出了弹簧刚度计算结果和有限元磁通量算法及求解结果,研究了差动特性下的传感器性能指标。
（3）传感器结构参数影响分析：
研究传感器结构参数的变化对输出特性的影响,给出一些提高传感器性能的优化设计方法。
（4）实验验证：
将设计的传感器进行了实验验证,分别进行了标准传感器标定实验和实际装机不平衡量检测实验,给出了分析结果。
结果表明研制的差动动磁铁型磁电传感器结构合理,输出特性好,结构参数可以灵活变化以满足工作要求,对全自动平衡机性能的提高有很大意义[3]。
目前,技术先进国家的冶金厂,在自动化程度上进展迅速,其中对检测钢管的在线速度所采用的装置大都是压辊接触式的测速仪表,这种装置有丢转现象,造价较高,且寿命较短,现场维护不便。
近年我国从日本、意大利引进的几套机组就采用了这种测速装置。
考虑到上述因素,我们试验研制一种非接触式（磁电）测速传感器,同时采用了峰—峰值电路,在二次仪表上可直观地获得钢管的在线速度,为实现微机自动控制提供可靠依据[4]。
（4）电机转速自动检测的研究现状及发展趋势
电机在各行各业中发挥着重要的作用，而电机转速是电机重要的性能指标之一，因而需要测量电机转速，使它满足人们的各种需求。
概述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[5]。
随着微电子技术的不断发展,特别是高性价比单片机的涌现,为电机转速测量打开了广阔的空间。
一般情况下,基于光电传感器、霍尔传感器的转速测量系统均能准确完成电机转速的测量。
但在粉尘环境、机床侧面和底部等恶劣环境下,光电转速测量方法误差较大。
无线电机转速测量方法,给出了各个单元模块。
基于加速度计的电机转速测量方法,给出了硬件电路的设计和测试原理。
通过对比研究可以看出,本测试方法具有一定的应用价值[6]。
电机转速是判断电机运行状况的重要标志之一。
目前,实验室电机转速一般通过转速表来测量,通常采用测周法和测频法。
这两种方法的测量精度与记录的脉冲个数有关,随着被测电机的转速变化,在极端的情况下会产生±1个字的误差。
针对传统电机转速检测方法的不足,阐明了利用等精度测量方法对实验室电机转速进行测量和监控报警的具体原理。
以FPGA（Field－ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列）控制芯片为核心,设计了相应的电路系统,并通过MAX+PLUSH进行了仿真分析[7]。
在异步电机矢量控制等电机控制的研制过程中，为了得到电机的运行工况，更好地研究异步电机矢量控制方案和记录、分析实际运行效果，需要对异步电机的各种信号进行采集、存储、分析、显示。
为了达到上述目的，需要同步、长时间地采集异步电机端部电压信号、电流信号、电机转速等多路信号，并对采得的信号进行实时存储、动态回放和分析处理，采用传统测量仪器已经不能满足这些要求，采用数字存储示波器记录数据，存在存储深度不够及数据分析处理的问题。
如果采用计算机技术同仪器技术相结
合的虚拟仪器技术，可以更好地实现上述功能。
针对异步电机控制系统的测试要求，需要研制基于虚拟仪器技术的异步电机运行工况测试系统[8]。
2．课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题
1）研究目标：
运用磁电传感器的原理测量电机的转速
2）研究内容：
显示器实时显示测量的转速值，并且实现声音报警
3）关键问题：
a分析转速测量的方法
b编程实现电机转速的测量
c单片机芯片的选定
d系统的调试
e二次电路的设计
二、设计方案的确定
1．方案的原理、特点与选择依据
根据电磁感应定律,当w匝线圈在恒定磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为Φ,则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系:
E=-w（dΦ/dt）。
常见的磁电传感器有变磁通式和恒磁通式两种，如图1、图2所示：
图1变磁通式磁电传感器结构图
图2恒磁通式磁电传感器结构图
磁电式转速传感器的工作方式决定了它有很强的抗干扰性，能够在烟雾、油气、水汽等环境中工作。
磁电式转速传感器输出的信号强，测量范围广，齿轮、曲轴、轮辐等部件，及表面有缝隙的转动体都可测量。
磁电式转速传感器的工作维护成本较低，运行
过程无需供电，完全是靠磁电感应来实现测量，同时磁电式转速传感器的运转也不需要机械动作，无需润滑。
磁电式转速传感器的结构紧凑、体积小巧、安装使用方便，可以
和各种二次仪表搭配使用。
磁电式传感器直接输出感应电势，且传感器通常具有较高的灵敏度，所以一般不需要高增益放大器。
但磁电式传感器是速度传感器，若要获取被测位移或加速度信号，则需要配用积分或微分电路。
2．电机测速总体方案
单
片
机
单
片
机
LCD显示
电机
电机
报警器
电机转速信号采集
电机转速信号采集
二次电路
图3电机转速检测的系统框图
电机测速的系统框图如图3所示，它由测量台、二次仪表电路、人机接口及单片机组成。
测量台用于测量电极的转速，把采集到的电机转速信号送入二次电路，因为采集的信号比较小，需要放大电路将信号放大，再经过施密特触发器将正弦信号整形为方波，才可以送入单片机，单片机通过在一定时期内计数脉冲的次数，转换为转速并显示。
单片机连接LCD数码管和报警器。
其中，数码管显示电机转速，当电压高于24V时，蜂鸣器报警。
（1）电机转速测量台装置示意图
图4磁电转速传感器安装示意图
磁电传感器测量电机转速的安装示意图如图4所示，被测电机主轴通过联轴器连接一安装12只磁钢电机转盘平台，电机转动过程中，电机转盘平台随电机一起转动，电机旋转一周有12次磁钢与磁电传感器测头相对，根据磁电传感器的工作原理，电机旋转一周使磁电传感器的输出电压变化12次，转速和磁电传感器输出电压变化频率的关系是n=60*f/12。
电机转盘平台由电机的运转而转动，平台上有12个磁钢，如图5所示。
磁电传感器通过对磁钢的测量，产生电压信号。
图5电机转盘平台和磁钢
（2）元器件的选择
需要的实验器材：
PC机、单片机、LCD数码管显示、蜂鸣器
1）单片机的选择
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。
图6是常用的STC12C5A60S2单片机，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。
图6单片机器件图
2）数码管的选择
图7LCD1602及其引脚
因为微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点，所以我们选用了LCD1602液晶显示屏，如图7所示。
LCD1602液晶显示屏。
工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）
注：
为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
图8 液晶显示屏的接线图
管脚定义：
1602采用标准的16脚接口，其中：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VCC接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平
（1）时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
3）蜂鸣器的选定
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。
有源蜂鸣器直接接上额定电源（新的蜂鸣器在标签上都有注明）就可连续发声；而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。
有源蜂鸣器和无源蜂鸣器如图11所示：
图11有源蜂鸣器和无源蜂鸣器
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的（但AVR可以驱动小功率蜂鸣器），所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。
蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：
一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。
图12蜂鸣器电路原理图
蜂鸣器的电路原理图如图12所示，当单片机流过的电压足够让基极导通时，蜂鸣器才能实行报警动作。
三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值
第1-3周文献翻译语句通顺流畅；广泛了解与课题有关的文献资料，提出合理可行的设计方案，撰写的开题报告
第4-9周着手进行系统详细设计方案的实施，并按时完成各阶段性设计任务
第10周按时保量完成上述任务
第11-13周实现课题设计方案并进行有效测试，分析测试结果
第13-16周撰写结构合理的毕业论文
第17周完成既定毕业设计，顺利通过答辩
四、参考文献
[1]范立成,付永华;磁电阻传感元件的性能及应用[J];传感器技术;1987年21期
[2]陈慧余，马书炳，罗有泉，刘明成，李志超;磁电阻式传感器及其应用[J];物理;1994年10期
[3]沈海平；用于全自动平衡机的差动动磁铁型磁电速度传感器研究[J];浙江大学，2011年
[4]郑延才；一种磁电式传感器在测速中的应用；工业仪表与自动化装置，1986年06期
[5]于炳亮;电机转速测量方法研究[J];山东科学;2005年05期
[6]姚伟鹏;韩党群;王天鹏;基于单片机无线电机转速测量系统[J];科技信息;2009年01期
[7]周红军;实验室电机转速测量及监控报警系统的设计[J];重庆科技学院学报（自然科学版）;2007年01期
[8]潘伟峰;基于虚拟仪器技术的异步电机运行工况测试系统的研制[D];重庆大学;2003年
[9]Tai-HoYu,Ching-ChungYin.Amodalsensorintegratedcircularcylindricalwedgewaveultrasonicmotor.SensorsandActuatorsA:
Physical,2012,Vol.174:
144-154
[10]F.Burger,P.-A.Besse,R.S.Popovic．NewsinglechipHallsensorforthreephasesbrushlessmotorcontrol[J].SensorsandActuatorsA:
Physical,2000,Vol.81,Issues1–3:
320-323
五、指导教师审阅意见
签名
年月日
（注：
学生可根据文献综述的内容相应扩充本表各项的大小）
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