直流电动机多参数测量电路设计.docx

1、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

2、，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DC motor multi-parameter measurement circuit designABSTRACTR Today, the electrical parameters measured at fault protection system is indispensable. In the flexible control, high reliability, based on th

3、e detection parameters to achieve the over-current, under-voltage protection and phase for fault detection and precision digital control occupies a very important position, to provide a space for the motor. This paper presents a direct current motor parameters automatically measurement circuit can b

4、e achieved armature voltage DC motor armature current and speed of automatic detection and display functions. The system uses with A / D conversion STC12C560S2 microcontroller as the core components, use LEM current sensors collect the motor armature current, output LEM current sensor is 0-5V analog

5、 voltage or directly interface with the microcontroller; digital rotary encoder measuring motor shaft speed in real time, both to meet the motor shaft speed measurement accuracy, but also to meet the low-speed measurement accuracy of the motor shaft. Circuit structure is simple, easy installation, a

6、ccurate measurement results with high practical value.Keywords: DC motor; STC12C560S2; LEMcurrent sensors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

7、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

8、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

9、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： 01000r/min , 报警限值：750850r/min2.工作电压测量范围：0250V, 报警限值：

10、200240V3.工作电流测量范围：0200A, 报警限值：90110A2.2 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

11、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2.50.625V 供电电压5V 精度0.2%

12、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

13、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2.4 M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2.5 T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

14、。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2.6 PALD6615-256-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5.5-3.5V3.1280字节RAM4.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

15、驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA5.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：1117MHZ3.3V 单片机为：812MHZ10.4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T111.3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

16、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

17、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

18、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50K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1.1K，

19、R1为51K。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

20、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50.5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/min1.510-2Nm100N10N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+7030m/ S2（10200Hz）（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IP540.9KG（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

21、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DC5V18黑色编码器0V（地线）19白色清0（用于0位设定）外部输入530V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:2.954.35(WH

22、)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

23、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 714脚：D0D7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3.6 LCD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

24、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00HFFH(为下面演算方便起见，设为00H100H，误差小于千分之四

25、)，而设其转换结果为01000r/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

26、次存入68H6FH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68H6FH)转换成与其自身所对比的十进制数的工程量(依然存68H6FH)。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。

27、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(68H6FH)，并通过4次循环，完成对4个数据的处理。程序如下：PROC：JBC P0，PRl 数据处理子程序 RET PR1： LCALL RANG 调排队子程序LCALL LO

28、AD 调中值(滤波结果)传送子程序 LCALL CHAA 调数据变换(采样值十二进制数工程量)子程序 LCALL CHAB 调数据变换(二进制数-十进制数工程量)子程序 RET RANC:MOV R2,#04H 四组数据排队 RAN1:MOV R3, #04H RAN2:MOV A, R3 MOV R4, A MOV R0,7CH RAN3:MOV A, R0 MOV R5,A INC R0 MOV A, R0 CLR CSUBB A,R5 JNC RAN4 MOV A, R5 XCH A, R0 DEC R0 MOV R0, A INC R0 RAN4:DJNZ R4, RAN3 DJNZ

29、R3, RAN2 MOV A,7CH 以下三条，7CH单元内容加5，指向下组数据首址 ADD A, #05H MOV 7CH, A DJNZ R2, RAN1 MOV 7CH, #50H 四组数据排队后，7CH单元内容恢复为50H RET LOAD:MOV R0, #52H 各中值传送至滤波结果单元 MOV R1, #64H 64H67H置滤波结果MOV R2, #04H LD1: MOV A, R0 MOV R1, A MOV A,R0 以下三条，R0内容加5ADD A, #05H MOV R0, A INC R1 DJNZ R2,LD1 RET CHAA:MOV R0, #64H ;数据变

30、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rMOV R1, #68H MOV DPTR, #TAB2 MOV R2, #04H CH1: CLR A MOVC A, A+DPTR MOV B, A MOV A, R0MUL AB MOV R3,A 乘积低位暂存R3 INC DPTR CLR A MOVC A, A+DPTR MOV R1, A INC R1XCH A, BMOV R1, A INC R1 INC DPTRINC R0 DJNZ R2, CH1 RET TAB2:DB 7DH,05H,7DH,07H 乘的系数和右移次数表 DB 19H, 05H, 7DH, 06H CHAS:XCH A,B 双字节右移 CLR CRRC A4.2 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