电机测速.docx

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电机测速

河南科技学院新科学院

电子课程设计报告

题目：

电动机测速器设计

专业班级：

电气工程及其自动化

*****

时间：

2011年6月6日到6月17日

指导教师：

徐涛王玉萍

完成日期：

2011年6月15日

摘要………………………………………………………………………………1

1引言……………………………………………………………………………2

1.1电动机转速测量现状及前景………………………………………………2

1.2研发意义……………………………………………………………………2

2总体设计方案…………………………………………………………………2

2.1设计思路……………………………………………………………………2

2.2总体设计框图………………………………………………………………4

3设计原理分析…………………………………………………………………4

3.1电源的选择…………………………………………………………………4

3.2传感器电路…………………………………………………………………4

3.3定时电路……………………………………………………………………5

3.4控制电路……………………………………………………………………7

3.5计数器电路…………………………………………………………………7

3.6驱动显示电路………………………………………………………………8

3.7总体电路……………………………………………………………………9

3.8PCB文件的打印输出………………………………………………………11

4总结与体会……………………………………………………………………12

参考文献…………………………………………………………………………13

电动机测速器设计任务书

1.计设目的与要求

设计一电动机测速器装置，理解相关要求，自主完成对系统的相关设计，要求所设计的电路具有以下功能：

（1）能够测量电动机每秒钟所转的圈数并监视电动机的运转情况；

（2）自己选择要测量的电动机的合适的转速范围；

（3）运用相关的集成芯片对信号进行译码，用四位数码管显示电动机的转速（转/分）。

2设计内容

（1）画出电路原理图，熟练掌握各种逻辑功能并正确使用逻辑关系；

（2）确定相关元器件的合适的元件参数；

（3）制作出电路仿真图示；

（4）制作SCH文件的生成与打印输出；

（5）制作PCB文件的生成与打印输出。

3编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和电路图，并且有自己的有总结体会。

4答辩

在规定时间内完成相关叙述并回答出提出的相关问题。

摘要：

转速是电机最为重要的一个状态参数，它是电机的一个重要的性能指标，把握它的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指标．本论文要设计一个用霍尔传感器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500～5000r/min，用4位七段数码管显示相转速。

为了要实时监测电机轴的转速，方法是用霍尔传感器件固定在在电动机的圆盘上。

它涉及到信号的采集、控制计数、译码、显示，以及计数等多种功能电路。

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，其结构简单，原理易于掌握，能较精确测得电机的转速。

关键词：

转速测量;霍尔传感器；555触发器；74LS00；4518；CD4555BM；数码管。

引言

1.1电动机测速发展现状及前景

目前国内外对电动机的测速方法有很多，按照不同的理论方法，先后产生拟测速法、同步测速法以及计数测速法。

计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。

由于电磁测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下又具有非接触、高精度、高分辨率等优点，使得光电传感器在检测和制作领域得到了极其广泛的应用。

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，它是电动机的一个重要的状态参数。

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；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。

2总体设计方案

2.1设计思路

利用霍尔元件作为获取电动机转速信号的拾取元件，在电动机的转盘上安装磁钢，将霍尔元件固定在适当的位置上，电动机转动一周，霍尔元件得到一个脉冲，作为电路的计数脉冲。

计数脉冲通过计数器进行计数，为了满足电路的设计要求，通过555、R、C构成的多谐振荡器进行计时，通过控制电路来实现在要求时间内对霍尔元件获取的有效转速信号进行计数。

计数电路选用十进制的计数芯片，为了使设计的电路能在要求范围内工作，必须采用四个十进制的计数器，对于译码器和数码管，选用适当的元器件。

数字转速仪电路由霍尔传感器电路、定时电路、控制电路、计数电路、译码驱动、和显示电路组成。

（1）霍尔传感器。

由磁钢、开关性集成霍尔元件和电平转换电路组成。

当转动部件转动时，磁块与霍尔元件相对位置发生变化，通过霍尔元件的磁通量发生变化，其输出电压也发生变化。

当磁块经过霍尔元件时，输出端产生一个低电平脉冲，该脉冲周期对应转动部件的转动周期。

（2）定时电路。

有555电路、R、C等组成多谐触发器，产生60秒的信号，以脉冲信号的形式输出。

在555的输出端接上一指示电路，有三极管和发光二级管组成，，当555输出为“1”时，三级管道通，发光二极管开始发光，开始计数，当定时器等于60秒时，555输出为“0”，三级管截止，发光二级管熄灭，停止计数。

（3）控制电路。

采用74LS00与非门。

由定时器的输出信号控制传感器输出脉冲输入计数器的个数。

当定时器输出为“0”时，没有计数，74LS00被封锁；当定时器输出为“1”时，74LS00被打开，传感器的输出脉冲通过74LS00进入计数器进行计数。

（4）计数电路。

采用CD4518组成8421码同步十进制计数器，对控制电路的输出的脉冲信号上升沿进行触发计数。

为了满足上升沿计数的要求，需要将CD4518的CP端接高电平，计数脉冲信号接EN输入端。

因为CD4518内含有两个相同的计数器，可将第一级的Q3输出端接第二级的EN端，构成串行计数。

（5）译码、驱动、显示电路。

对计数器的输出端得BCD码进行译码，并驱动数码显示管显示测量的转速。

定时器开始计时，555输出为高电平，T饱和导通，发

光二极管发光，同时打开74LS00与非门，由传感器传来的转速计数脉冲信号通过此与非门进入计数器开始计数，并在数码管上显示。

在定时时间内，555输出为高电平，控制与非门保持开门状态，当设定的时间到来时，555输出为低电平，T截止，发光二极管熄灭，同时控制电路与非门电路被封锁，转速计数脉冲信号不能通过，计数器停止计数，这时显示器上显示的就是所测的转速。

2.2总体设计流程图

3设计原理分析

3.1电源的选择

在整个电路当中，主要要选择匹配的电源的器件有霍尔传感器、555触发器、控制电路当中选择的74LS00芯片、计数器、译码驱动和数码管。

元件都可以选用5V的电源作为供电电源。

3.2传感器电路

传感器电路主要用的原件是霍尔传感器，霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。

后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。

通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。

霍尔效应。

在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压。

霍尔元件。

根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。

它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。

信息技术等领域得到广泛的应用。

图2霍尔元件工作原理图

电源5V

输出脉冲

图3霍尔元件连接电路

3.3定时电路

555芯片引脚图及引脚描述如图4、图5所示

555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V。

1脚为地。

2脚为触发输入端；3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。

当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平；2脚和6脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，6脚为阈值端，只对高电平起作用。

3脚

输出低电平。

4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。

5脚是控制端。

7脚称放电端。

参数功能特性：

供应电压4.5-18V，供应电流3-6mA，输出电流225mA，上升/下降时间100ns。

555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器。

555管脚图

图

图5计时电路

3.4控制电路

控制电路采用的是74LS00，这个芯片内部封装的是四组两输入的与非门组成，十四个管教排列，其中7和14脚分别为接地和电源。

1、2；4、5；9、10；12、13脚为输入端；3、6、8、11为输出端。

3.5计数电路

本电路采用四个同步计数器接成串行工作方式，查看电路产品资料后，准备采用CD4517，管脚如下图，该芯片是同步加数器，在一个封装种含有两个可互换的二/十进制计数器，其功能脚是1到7脚，9到15脚。

真值表见下图。

图6CD4517管脚排列

表1引脚功能

引脚

符号

功能

19

CLOCK

输入始终控制端

715

RESET

清除端

210

ENABLE

计数允许控制端

3456

Q1A----Q4A

计数输出端

11121314

Q1B-----Q4B

计数输出端

8

VSS

接地

16

VDD

电源正

图7计数电路图

3.6驱动显示电路

对于计数后在显示电路上显示问题，查阅电子手册后，采用CD455BM译码驱动。

查看真值表，CD4555BM是一组用来作为BCD对共阴极LED七段显示器译码的包装。

其引脚图如图9所示，其各脚功能如下：

LT：

做灯泡测试用，当LT=0，则不论其它输入状态为何，其输出abcdefg=1111111，使七段显示器全亮，即显示8，以便观测七段显示器是否正常。

当LT=1，则正常。

BI：

空白输入控制，当

BI=0（LT为1时）则不论DCBA之输入为何，其输出abcdefg皆为0，即七段

显示器完全不亮，此脚可供使用者控制仅对有效数据译码，避免在无意义的数据输入时显示出来造成字型的系乱。

LE：

数据栓锁致能控制；在CD4555BM中，不但具译码功能，更具有数据栓锁的记忆功能。

当LE=0时（LT=1且BI=1），DCBA数据会被送入IC的缓存器中保存，以供译码器码；当LE=1时，则芯片中的暂存器会关闭，仅保存原来在LE=0时的DCBA数据供译码器译码。

换句话说当LE=1时，不论DCBA的输入数据为何，皆不影响其输出，其输出abcdefg仍保留原来在LE由0转为1以前的资料。

由于采用CD4555BM，数码管采用共阴极连接方式。

驱动显示电路如图8所示。

图8CD4555BM译码显示电路

3.7总体电路图如图9所示

图9总体电路图

4总结与体会

电机转速的测量方法很多，其中利用电磁式转速传感器测速分辨力高、性小、反应时间快、抗干扰能力强、适用于瞬态转速的测试，而且其测量电机转速简便，使得电磁式转速传感器应用广泛。

在电机的转速测量中，该电路能够实现电机转速的测量与显示，达到了测量的目的，电机转速以r／min为单位。

同时由于该原理和结构上的特点，测速精密不可能达到相当高的程度，但其方法简单方便、系统成本低等优点是显而易见的。

参考文献

[1]元红妍张鑫，电子综合设计实验教程[M]；山东大学出版社。

[2]李瑜芳传感器原理及其应用[M]；电子科技大学出版社。

[3]孙余凯吴鸣山等传感器技术基础与技能实训教程[M]。

电子科技大学出版社。

[4]邱光远电路第五版，高等教育出版社。

[5]谢自美伊仕肖看罗杰，电子线路综合设计，华中科技大学出版社。

[6]21世纪电子网。

附图