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1、测控1111 赵旭东 8号题 课题： 电动车速度测量与控制系统 班 级 测控1111 学生姓名 赵旭东 学号 1111203128 指导教师 张青春 纪剑祥 淮阴工学院电子与电气工程学院2015年1月 15 日 摘要本文设计的转速传感器是一种基于电涡流效应的传感器，由敏感探头、变换器以及延伸电缆组成，具有探头尺寸小、测试距离大、工作温度范围宽、响应快、耐恶劣环境、性能稳定、便于安装、通用性强等特点。该传感器采用扁平线圈作为敏感元件，通过后续测量电路处理后转化为（05）V方波输出。本文主要完成了该传感器的设计、制作和测试，并对试验结果进行了比较分析，试验结果表明传感器的性能指标满足使用要求。在电

2、涡流传感器基础理论中，着重阐述了电涡流效应和电涡流传感器的工作原理，从理论上分析了电涡流强度与测试距离和输入频率之间的关系，以及影响传感器特性的因素。在电涡流转速传感器的设计中，介绍了传感器的结构设计、敏感探头的设计和后续调理电路的设计，在对传感器系统联调及测试的研究中发现，使用该电涡流传感器进行转速测量时，在整个温度范围内受温度影响不大，在100150范围内最大偏差不超过1%，温度稳定性能较好。本文通过对传感器探头敏感线圈和电路的研究，掌握了电涡流强度与探头线圈参数和测试距离的关系及其对转速测量的影响，以及微弱信号拾取、放大、转换等技术，实现了宽温度范围的恶劣环境下被测面积小、测试距离大的转

3、速测量方式。关键词：传感器；转速测量；电涡流效应1引言当今高科技的信息时代，计算机、通信、传感器分别构成电子信息系统的“大脑”、“神经”和“感官”，被誉为现代信息领域的三大支柱之一1。其中传感器技术是整个信息技术的敲门砖，而传感器是信息来源的窗口、是获取信息的主要途径与手段。随着社会的不断发展，科技也在日新月异地发生着变化，人们对自动化技术等越来越加以重视。因此，作为其基础的传感器也受到了多方的关注。尤其是最近的几年来，在国家不断地推进经济、社会和生态相互和谐的情景下，更在物联网发展的大应用背景下，传感器由于其自身的特点在很多的领域得到了广泛的使用。测控系统中必须具备传感器，因为它是检测的元件

4、，是信息获取的关键和基础。只有通过传感器，人们才能进行之后的检测和控制的自动化。由此看来，传感器的技术水平会对测控系统的整体质量产生直接的影响，系统测控技术越高，对传感器的依赖就越多。可见，传感器技术的发展水平决定着一个国家的工业化水平。另外，在航空、航天、武器装备及船舶制造等国防工业中需要大量各种各样的传感器，用于不同环境下对现场数据进行测量以便及时进行控制，也显得尤为重要。目前，随着人们对测控的要求在不断地提高，传感器正在向智能化和多功能化等方向发展。进入21世纪以来，机械化水平不断地提高，机器在我们的生活中担任着越来越重要的角色，而很多机器都是靠机械旋转来运行的。因此，要想清晰地了解某机

5、器的工作状态，或者评估机器的性能等，都需要知晓该机器的转速，这也意味着精确地测量机器的转速是非常有意义的，可以体现在以下几个领域：（l）在测量和控制一些运功系统的时候，人们往往要检测出电机的转速，从而来改进该系统的性能，确保系统的高精度。只有测量出精确的转速，才能实现控制系统的高精度。（2）检测和控制机器的转速在实时控制工业领域方面也是非常重要的，因为转速对系统的误差分析和动态响应都起到了重要的作用。检测机器的转速，尤其是在智能化仪表和无人操作平台（如无人机）等领域具有重要的意义。（3）转速的测量在感应电机的应用领域也是具有广泛的应用，因为电机在启动的瞬间要进行转速的测量，才能精确地计算出力矩

6、和瞬时加速度。此外，如果是带着离心开关的感应电机，就要在开启电机之后，测量打开该开关时的瞬时转速，通过测量这些电机的瞬时的转速，才能来衡量电机的性能，判断其优劣。因此，转速也是电机的重要指标。目前随着分布式的发电系统越来越受到人们的广泛使用，人们要对其开展精确的转速控制，才能有效地提高系统的转化效率。（4）人们要想良好地掌握开启电机时的瞬时工作状态，精确地测量出该电机的瞬时转速瞬时非常有必要的，因为转速不仅可以分析电机的良好性能，还能掌握负载的施加情况，从而为以后机器在发生故障时候进行诊断提供了物理的依据。此外，瞬时转速还提供了判断电机的很多信息，尤其是对柴油发动机来说，测试发动机的性能显得尤

7、为重要。（5）转速的测量在农业领域也得到了应用。随着农业的机械化水平不断地提高，在排种器的性能测量、检测排种的时间等领域上都要进行转速的精确检测，从而保证农业的丰收。2系统方案设计 2.1 总体结构设计该传感器总体结构如图1 所示。 图1 1探头罩 2线圈 3磁芯 4探头座 5同轴电缆 6连接器组件7壳体 8上盖 9电路组件 10连线 11电连接器图 1 传感器整体结构图传感器采用分体式结构，由敏感探头、变换器以及延伸电缆组合而成 .探头由探头罩 1 、敏感线圈 2 、磁芯 3 和探头座 4 组成，并通过同轴电缆 5及连接器组件 6 与变换器壳体 7 连接。 探头线圈将电涡流信号转换成电信号并

8、通过电路组件 9 将信号进行放大、滤波、整形，最后由电连接器 11 输出脉冲信号。2.2 传感器材料的选择传感器常用的金属材料有不锈钢 1Cr18Ni9Ti 和硬质铝合金 2A12T4 ，由于技术要求传感器总重量不超过 1kg ，而不锈钢的密度达到 7.8g/cm 2 ，同等体积则重量远超过合同指标；硬质铝合金密度为不锈钢的 1/3 ，但其耐腐蚀性能较差，该传感器需长期工作在恶劣环境中，且要求绝缘电阻不小于500M ，因而无法满足使用要求。传感器探头罩采用耐高低温、抗腐蚀、高强度和高韧性的聚四氟乙烯材料，用高温胶将线圈密封在探头罩里，并通过螺纹和粘合剂紧固在不锈钢探头座里。同轴电缆采用实芯聚四

9、氟乙烯绝缘同轴射频电缆，它具有衰减小、耐高温、耐潮湿、耐腐蚀、阻燃烧、可靠性高等多种特点。适用于通信、广播及其他电子设备传输射频信号。为增强变换器的耐湿热及抗腐蚀能力， 其上盖和壳体均采用聚四氟乙烯材料，并利用螺钉固定方式，增加了传感器总装时可安装性。2.3 传感器电路设计该传感器工作原理框图见图 2 。图 2 传感器功能框图 图2传感器功能框图该转速传感器的测量电路由高频振荡器、滤波器、脉冲转换电路组成。当振荡器产生交变磁场并接近被测体时， 振荡器幅度随被测体表面形成的电涡流场而产生变化，且随被测体的靠近而减小，经检波、滤波、脉冲转换电路后产生正比于转速的频率信号。目标：电路的输出电压频率与

10、转速呈正比。在被测体旋转过程中， 敏感线圈将传感器探头与被测体表面之间的距离变化转换为阻的变化，再通过后续处理电路转换为电压频率的变化，最后需要对输出信号进行调整。图 3为调幅式电涡流传感器电路原理。 图3调幅式电涡流传感器电路原理传感器线圈电感 L 和电容器 C 并联组成谐振回路。 石英晶体所构成的振荡电路，可以作为谐振回路的恒流源，该源的频率非常地稳定，在设置空载的时候，石英晶体的振荡频率即是和 LC 并联谐振回路中的谐振频率。当金属体和线圈之间的距离增大时，会在谐振回路中表现出阻抗的最大值，并且此时的输出电压也为最大。而在距离减少时，会影响线圈的电感 L ，从而造成回路的失调，造成电压值

11、的下降。这也说明了 L 的大小和距离 x 有关，所以输出的电压也和距离有关。此后，将输出的电压经过一系列的放大和调理后，将信号的电平调整成以后电路可接受的水平。2.4电涡流传感器工作原理当高频（100KNZ左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。被测导体置于交变磁场中，被测导体就产生电涡流i2,。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，只集中在金属表面，这称为集肤效应。信号源的频率越高，集肤效应在金属表面越浅。图4 电涡流传感器工作原理.3、电涡流传感器的等效阻抗分析（1） 等效阻抗分析f信号源频率金属导体的磁导率金属导体的电导率r金属导体的形状

12、、表面因素交变励磁电流X 线圈到金属导体的间距电涡流线圈的阻抗与f、r、x，均有关系。(2)电涡流传感器的检测物理量检测深度：f越低，检测深度越深（集肤效应）。 检测间距： i1、 f、r 不变，z=f（x），非接触测量位移。 其他用途： i1、 f、x不变， 检测与、r 相关的表面温度、表面裂纹等参数，检测与有关的材料型号、表面温度等参数。 3.2 电涡流探头结构电涡流传感器的传感元件是一只线圈，俗称为电涡流探头。线圈结构：用多股较细的绞扭漆包线（能提高Q值）绕制而成，置于探头的端部，外部用聚四氟乙烯等高品质因数塑料密封。图5 电涡流传感器探头结构3.3 系统调试与验证将调理电路组件通过转接

13、夹具与直流稳压电源、波形发生器、数字繁用表、示波器和旋转式精密直流电阻箱连接。设置供电电压+24VDC ，调整波形发生器输出波形为正弦波，使传感器工作频率在 0 125Hz 范围内。调整用于调比较点电压的电阻箱，以 2.5V 为参考点，使电路组件输出方波占空比为 1 。 图6 打开电源，给电路组件供电 +24VDC ，转动固定传感器探头的位移螺母，逐渐增大探头与齿轮的间距，间距量由千分尺读出，调整调试电阻，使信号输出与标准值相符。每隔传感器额定测试距离内的一定间隔，从繁用表上分别读出传感器的输出电压值，进行示值校准。示值校准从 0mm 开始，在每个校准点上读取传感器输出值，一直到 5mm （称

14、正行程） ，然后按原校准点顺序回校（称反行程） 。 一个正、反行程为一个循环，并连续进行至少 3 个标定循环（即 n 3 ） 。传感器标定数据如表 5-1 所示。在整个测试距离范围内的电压序列数据组中，求出两相邻电压之差，找出不小于最大差值 90% 的两个差值，此两差值之间的区域即为线性区，在此范围内线性度不超过 1% 。以表 5-1 中所示数据为例，其线性范围为 1.0mm 4.0mm （电压输出限幅） 。用最小二乘法计算拟合直线，拟合直线方程：U out = U 0 + S 式中： S 传感器实际灵敏度；U 0 截距。4 误差分析与数据处理转速是指作圆周运动的物体在单位时间内沿圆周绕圆心转

15、过的圈数， 它是旋机械状态监控的一个重要参数 3 。目前利用传感器进行转速测量，是测与转速有关的周期性信号。 其方法是在旋转体上加工或加装一个有凹口的圆盘状或齿轮状的金属体，只要在旁边安装一个电涡流传感器，经变器电路处理后将电信号转换成脉冲信号， 该输出信号频率可用频率计或示器测出，然后换算成转速。其原理图如所示。 图75系统联调启 动 转 速 测 试 台 ， 分 别 设 定 转 速 10r/min 、 100r/min 、 1000r/min 、2000r/min 、 3000r/min 、 4000r/min 、 5000r/min ，并分别从示波器上读出传感器输出脉冲信号的下限和上限电压

16、值。调整用于调输出脉冲占空比的电阻箱，使上限输出为 5V ，其占空比约为 1 左右，并用示波器记录其输出频率。以测试距离 2mm 为例，如表 5-2 所示。最后用相同阻值的电阻代替电阻箱的阻值，依次焊接在电路组件上。6 控制系统硬件电路6.1 单片机系统选用基于AVR增强型RISC结构的高性能、低功耗微控制器ATmega88单片机。它的常用引脚功能如下： (1)端口B (PB70)。端口B为8位双向I/O口，作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B保持为高阻态。通过对系统时钟选择位的设定，PB6可作为反向振荡放大器与内部时钟

17、操作电路的输入，PB7可作为反向振荡放大器的输出。系统使用内部RC振荡器时，通过设置ASSR寄存器的AS2位，可以将PB76作为异步定时器/计数器2的输入口TOSC21使用。 (2)端口C (PC50)。端口C为7位双向I/O口，作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C保持为高阻态。其中PC6/RESET 引脚当RSTDISBL位被编程时，可将PC6作为一个I/O口使用。因此，PC6引脚与端口C其他引脚的电特性是有区别的。RSTDISBL位未编程时，PC6将作为复位输入引脚Reset。此时，即使系统时钟没有运行，该引脚上出现

18、的持续时间超过最小脉冲宽度的低电平将产生复位信号。 (3)端口D (PD70)。端口D为8位双向I/O口，作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D呈现为三态。 (4)AVCC。AVCC为A/D转换器的电源。当引脚PC3.0与PC7.6用于ADC时，AVCC应通过一个低通滤波器与Vcc连接。不使用ADC时该引脚应道接与Vcc连接。PC6.4的电源则是由Vcc提供的。 (5)AREF。AREF为ADC的模拟基准输入引脚。 (6)ADC76。TQFP与MLF封装芯片的ADC76引脚为两个10位A/D转换器的输入口，它们的电压由AV

19、CC提供。 ATmegg88由于采用了小引脚封装(DIP28或TQEP/MLF32 )，所以其价格仅与低档单片机相当，具有极高的性价比。ATmega88有如下特点：8K字节的系统内可编程Flash(具有在编程过程中还可以读的能力，即RWW), 512字节EEPROM, 1 K字节SRAM, 23个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，一个SPI串行端口，一个6路10位ADC (TQFP与MLF封装的器件具有8路10位ADC)，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及五种可以通过软件选择

20、的省电模式。因此，A Tmega88作为一款功能齐全、接口丰富，性价比极高的处理器，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案，非常适合电动自行车控制器的开发7 。 如图所示为本系统中基于ATmega88单片机的电动自行车用BLDCM控制器连接图。PC4/PD5/PD6为上桥驱动控制信号，输出PWM信号，PD2/PD4/PD7输出下桥驱动控制信号。PB0/PBl/PB2为霍尔信号采集输入口，PB3为刹车信号输入口，PB5为LED驱动口，PC6为RST复位脚。PD3为BREAK端口，当单片机检测到电流过大时，便把信号送到此引脚，单片机执行中断程序，PC3为电流检测口， PC0和PC1为液晶显示

21、电路时钟信号输入引脚，ADC6为欠压保护引脚，ADC7为手把信号输入引脚，同时PB3, PB4, PBS,PC6以及+5V和GND还作为ISP调试口，用于在线调试和下载程序。 图8主控模块6.2 转子位置及转速检测电路电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增加系统的硬件投资和整个系统的体积。在系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。经过滤波后的脉冲信号如图5所示,它们是脉宽为180，相位上互差120的方波信号。对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生P个方波脉冲(P为电动机的极对数)，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的。脉冲信号

22、再经过处理提高其脉冲频率后送到单片机的中断口，通过软件运用算法测速，从而实现转速检测。 图9三相位置信号系统的转子位置信号是通过无刷直流电动机本身自带的霍尔元件来检测的，由于霍尔元件是集电极开路输出，其输出信号经过上拉电阻得出位置方波信号，再送到单片机控制器的控制引脚进行位置信号的捕捉，图6示。为了使电路尽可能的简单，降低成本，本系统是通过位置参数进行计算得到速度信号。原理是:无刷直流电动机转子每转过60电角度都有一次换相，只要测得两次换相的时间间隔t，就可以计算出电机换相期间的平均角速度 。 图10 位置及转速检测电路如上图所示，JI, J2和J3分别与直流无刷电机的三根霍尔引出线相连。R1

23、3阻值为2.2K，分别与R3032构成霍尔信号整定电路，把信号电平整定为0V或5V，使之与单片机的I/O口电平一致。C1, C2和C3与接地端相连，能够起到滤除霍尔信号中的杂波作用 10 。 无刷直流电机按霍尔元件的电角度可分为60和120电机。上述两种电机的换相均是根据安装在电机内部的三个开关式的霍尔传感器输出的霍尔信号(HA, HB, HC)来控制的。60电机有(000)和(I11)状态，即三个霍尔可以输出全低或全高，没有(101)和(010)状态，120电机则没有(000)和(111)两种状态。三相霍尔信号(HA, HB, HC)经霍尔采样电路采样后送给单片机，单片机软件控制程序将霍尔信

24、号以数组形式存储在单片机制成霍尔信号数组表和霍尔相序数组表存储到单片机EEPROM中，当系统检测到电机要换相时通过查上述两表便可得到MOSFET要导通的顺序，输出换相控制信号。霍尔信号数组表与霍尔相序数组表的关系是:霍尔信号的值为霍尔相序数组表的下标，霍尔信号数组表的下标为霍尔相序数组表的值，建立霍尔相序数组表的好处是换相时程序能更加迅速地查到电机换相顺序。6.3 转速控制方法 6.3.1 电机的调速原理直流电动机转速的表达式见公式(1)： 公式(1) 式中 U电枢端电压；I电枢电流； R电枢电路总电阻,每极磁通量； K电动机结构参数 由此可知，直流电动机的调速方法有三种：调节电枢供电电压U，

25、改变电机的主磁通改变电枢回路电阻R。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往和调压调速配合使用，在额定转速以上做小范围的升速 11 。通常，无刷直 流电机是通过调节输入电机的直流平均电压达到调节转速的目的。调节方式有两种:一种为PAM(Pulse Amplitude Mede)脉冲幅值调制方式，另一种为PWM(Pulse Width Mode)脉宽调制方式。PWM调节是一种根据能量冲量等效原理，通过将固定不变的系统电压斩成占空比可变的PWM波，通过改变占空比来改变电机电枢两端的平均电压的电压调节

26、方式。其具有体积小、控制方便、调速性能好、成本低的优点，同时，其易与控制器构成闭环控制系统，控制方法灵活多变。综上所述，调压调速是无刷直流电机最常用、最可靠、最有效的调速方式，无刷直流电机无级调速系统一般采用调压调速。本系统是在PWM调压调节方式的基础上来构建无刷直流电机驱动系统的。6.4 全桥逆变及功率驱动电路 本系统采用的逆变电路为三相六管全桥式逆变器，其工作方式为120，导通型为星形三相六状态。功率开关管选用高速型MOSFET器件IRF540，它内阻低、热阻小，因此运行功耗低，适合输出级使用，具体参数如下：VDS =100V、VDGR =500V、 ICM= 28A、RDS =0. 7

27、、PCM =150W。其结构原理如图9所示，功率开关管VlV6分别与直流无刷电动机的A, B, C三相绕组相连。来自单片机的信号通过驱动电路驱动各功率开关管的导通、断开，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化按一定的次序换相，各相导通示意图如表1所示。采用全桥逆变器的无刷直流电机在120导通方式下，电机同时有两相绕组工作，提高了无刷直流电机的利用率，也提高了电机的出力和效率；在该换相方式下，无刷直流电机同一桥臂的上下两管互差60电角度导通，在换相瞬间不存在同一桥臂上下两管同时导通的情况，不必在控制上设置死区，提高了系统的安全性。综上所述，采用该逆变器作为电子换向器并采用1

28、20导通方式作为换向的无刷直流电机驱动系统，是一种具有较高效率和较好可靠性的驱动系统 。图11无刷直流电动机星型连接全桥驱动结构原理图全桥型逆变电路有六个功率开关器件，若每个开关器件都用一单独的驱动电路驱动，则造成系统硬件结构复杂且可靠性也会下降。因此本驱动电路采用的是美国IR公司最新6单元驱动集成电路IR2130。用IR2130来驱动MOSFET组成的全桥逆变器，驱动时采用120导通方式，即任一时刻仅有两个开关处于闭合状态。该电路为28脚双列直插元件，驱动能力强，保护功能齐全。如图12所示，在IR2130引脚中，VB1VB3是悬浮电源连接端，通过自举电容为3个上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮

29、电源；VS1VS3是其对应的悬浮电源地端。HIN1 HIN3, LIN1LIN3为逆变器上桥臂和下桥臂功率管的驱动信号输入端，低电平有效；ITRIP是过流信号检测输入端，可通过输入电流信号来完成过流或者直通保护:HO1 HO3，LO1LO3是逆变器上下桥臂功率开关器件驱动信号输出端；FAULT为过流、直通短路、过压、欠压保护输出端，该端提供一个故障保护的指示信号。IR2130是MOSFET 、 IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过其内部自举电路，能同时驱动桥式电路中低压侧和高压侧的功率元件。IR2130具有6路输人信号和6路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器

30、件，使整个驱动电路更加简单可靠，IR2130与全桥逆变电路的连接如图13所示。高压侧通道的输出驱动电源是通过自举技术获得的，高压侧的栅极电荷由自举电容C14、C15 、C16提供。自举电容在器件断态时通过自举二极管被15 V充电，且为了防止自举电容两端电压放电，3个自举二极管D4,D5,D6应选用高频快恢复二极管，本设计中选用FR107。单片机根据霍尔传感器输人信号经内部逻辑处理输出6个控制信号，分别送到IR2130的27管脚，经IB2130内部处理产生6路驱动信号分别驱动逆变电桥中6个功率MOSFET管。通过电阻RS检测到的电流信号分别送给IR2130的9脚(过电流信号检测输人端)和13脚(

31、放大器同相输人端)。当外电路发生过流或直通时，引脚9端电压高于0.5 V时，内部保护电路使IR2130输出驱动信号全为低电平，6只功率管全部截止，起到保护作用。 图12 IR2130驱动芯片 图13 驱动电路与全桥逆变电路的连接6.5 速度、报警显示电路 电动自行车在行驶过程中，常常需要了解行驶中的速度和电量，以便更好地控制速度和进行报警显示，掌握保证行驶的安全。本系统使用的EDM1190A是一种实用美观的四位串行段式液晶显示模块。与现有的一些并行段式液晶显示模块相比，EDM1190A具有管脚少（现在一般的四位并行段式LCD模块一般都多达40个引脚，而EDM1190A只有4个引脚）、与单片机系

32、统连接简单、编程方便等优点。EDM1190A段码式液晶显示器模块由LCD液晶显示器、驱动电路、8位CPU接口电路构成。它具有低功耗、抗干扰性强、温度范围宽等优点。 2个LCD显示模块EDM1190A分别用来显示2个4位数。（1）和（2）两个EDM1190A 的数据输入管脚DIN端都与单片机的PC2口相连。单片机的PC1和PC0分别与（1）和（2）两个EDM1190A的时钟信号管脚CLK相连。预显示数字的二进制段码由PC2口一位一位的输出，只要在PC1和PC0两个端口分时产生方波信号就可以控制在（1）和（2）LCD上显示数字。显示电路如图14所示。图14 液晶显示电路6.6 刹车电路目前市场上的电动自行车有低电平刹车和高电平刹车两种类型，本设计的