课程设计-电机转速测量仪设计

电机转速测量仪设计课程设计0引言在工业控制领域，转速是电机运行状态的重要参数。电机转速测量要求快速、可靠、准确。工业现场转速测量方法主要有模拟测量法和数字测量法2种。模拟测量法信号远距离准确传输不易实现，数字测量法将转速信号转换为脉冲信号，对其进行测量与控制，具有可靠性高，抗干扰能力强的特点，满足工业现场需求。这里设计一种电机转速通用测量系统，与电机同轴安装的光电编码器将电机转速信号转换为脉冲信号，采田工业现场控制器西门子S7-200PLC，利用其高速计数器采集脉冲信号，根据M法测速原理，经过PLC编程处理实时计算电机转速。1数字测速原理数字测速中光电编码器是转速或转角检测元件，俗称码盘。光电编码器与电机同轴连接，当电机转动时，带动码盘旋转，便发出转速或转角信号。光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。采用光电编码器测速的方法有多种，这里采用测频法(M法)。在采样时间T内捕捉编码器输出的脉冲个数M，用以计算这段时间内的平均转速，称为M法测速[1]，则电机转速为：n＝60M/ZT(1)其中：n为电机转速，Z为编码器分辨率，即电机每转一圈编码器产生的脉冲个数。数字测速测量效果主要取决于编码器分辨率、编码器加工精度与安装精度。编码器分辨率相对较高时优先选择M法[2]，M法测速量化误差为1／M，该量化误差由编码器加工精度及编码器输出脉冲前沿与测速时间采样脉冲前沿不齐等原因决定，最大为1个脉冲误差[3]。2测速系统设计测速系统由三相异步电机、变频器、PLC、编码器、直流24V稳压电源组成。异步电机型号为JW5024，功率60W，电压380V，额定电流0.33A，额度频率50Hz，电机额定转速1400r／min；PLC型号为西门子CPU224XP；变频器型号为三菱FR-S520SE-0.4K-CH；光电编码器型号为欧姆龙E682-CWZ6C，分辨率1024P／R。图1为PLC电机转速测量系统硬件图，变频器驱动电机转动，电机与光电编码器同轴连接，利用PLC高速计数器HSCO及输入端I0.0采集编码器脉冲输出端产生的脉冲。测速中断程序流程如图2所示，当定时中断事件发生时，进入中断程序，计算电机转速，在中断程序中读取HSC0的值，此值是50ms内编码器发出的脉冲数，根据M法测速，由PLC计算出电机转速，再将HSC0当前值清零并重启HSC0。每触发1次定时中断，计算1次电机转速。3实验测试在前述硬件平台上进行实验测试，设置变频器不同输出频率调整电机转速，同时采用MCGS进行上位机转速显示监控[7]，表1为电机转速测量数据，该表数据表明转速相对误差会随着转速升高而降低，该误差最大为0.1％，在常规工业应用场合中可以忽略。4结语电机控制系统中，转速的实时可靠准确直接影响到整个系统的稳态误差与动态响应。这里设计了一种通用测量系统，采用光电编码器作为电机转速的脉冲产生装置，利用西门子S7-200PLC的高速计数器采集光电编码器产生的脉冲信号，根据M法测速方式，由PLC实时计算电机转速。实验测试表明，该通用测速系统具有快速、可靠、误差小等特点，同时设计思路与编程思路简单，可移植性好，为工业现场提供一种切实可行的电机转速测量方案。参考文献：[1]高玉芹．电机转速的高精度快速测量[J]．自动化与仪表，2000，15(6)：41-44．[2]文晓燕，郑琼林，韦克康，等．增量式编码器测速的典型问题分析及应对策略[J]．电工技术学报，2012，27(2)：185-189．[3]宋刚，秦月霞，张凯．基于普通编码器的高精度测速方法[J]．上海交通大学学报，2002，36(8)：1169-1172．[4]韩亮．PLC在电机转速测量中的应用[J]．常州工学院学报，2012，25(3)：36-38．[5]蔡文皓，赵旭，耿力．基于以太网的PLC电机转速远程监控[J]．微特电机，2014，42(4)：44-46．[6]李晓海，南新元，谢丽蓉．基于高速脉冲计数器的电机转速测量系统设计[J]．微电机，2012，45(2)：72-74．[7]王菊叶，高瑞敏．基于MCGS和PLC的电机测控系统设计[J]．制造业自动化，2012，34(3)：123-125．

基于霍尔传感器的直流电机转速测量设计随着单片机的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机的涌现，转速测量控制普遍采用了以单片机为核心的数字化、智能化的系统。本文介绍了一种由单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器进行测最的直流电机转速测量系统。转速测量及控制的基本原理1.1转速测量原理

转速的测量方法很多，根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T法(测周期法)和MPT法(频率周期法)，该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理，将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿，转盘随测轴旋转，磁钢也将跟着同步旋转，在转盘下方安装一个霍尔器件，转盘随轴旋转时，受磁钢所产生的磁场的影响，霍尔器件输出脉冲信号，其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系：式中：n为电机转速；P为电机转一圈的脉冲数；T为输出方波信号周期。根据式(1)即可计算出直流电机的转速。霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片，在垂直于平面方向上施加外磁场B，在沿平面方向两端加外电场，则使电子在磁场中运动，结果在器件的两个侧面之间产生霍尔电势。其大小和外磁场及电流大小成比例。霍尔开关传感器由于其体积小，无触点，动态特性好，使用寿命长等特点，故在测量转动物体旋转速度领域得到了广泛应用。在这里选用美国史普拉格公司(SPRAGUE)生产的3000系列霍尔开关传感器3013，它是一种硅单片集成电路，器件的内部含有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、史密特触发器和集电极开路输出电路，具有工作电压范围宽、可靠性高、外电路简单、输出电平可与各种数字电路兼容等特点。1.2转速控制原理直流电机的转速与施加于电机两端的电压大小有关，可以采用C8051F060片内的D／A转换器DAC0的输出控制直流电机的电压从而控制电机的转速。在这里采用简单的比例调节器算法(简单的加一、减一法)。比例调节器(P)的输出系统式为：式中：Y为调节器的输出；e(t)为调节器的输入，一般为偏差值；Kp为比例系数

从上式可以看出，调节器的输出Y与输入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出现就产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点，这是一种最基本的调节规律。比例调节作用的大小除了与偏差e(t)有关外，主要取决于比例系数Kp，比例调节系数愈大，调节作用越强，动态特性也越大。反之，比例系数越小，调节作用越弱。对于大多数的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。比例调节的主要缺点是存在静差，对于扰动的惯性环节，Kp太大时将会引起自激振荡。对于扰动较大，惯性也比较大的系统，若采用单纯的比例调节器就难于兼顾动态和静态特性，需采用调节规律比较复杂的PI(比例积分调节器)或PID(比例、积分、微分调节器)算法。系统的硬件软件设计2.1硬件设计本系统采用单片机C8051F060作为主控制器，使用霍尔传感器测量电机的转速，通过7079最终在LED上显示测试结果，硬件组成如图1所示。此外，还可以根据需要调整控制电机的转速。控制器C8051F060主要完成转速脉冲的采集、16为定时计数器计数定时、运算比较，片内集成的12位DAC0控制转速，并且通过7279显示接口芯片实现数码显示等多项功能。

系统采用外部晶振，系统时钟SYSCLK等于18432000，T0定时1ms，初始化时TH0=(-SY-SCLK／1000)》8；TL0=-SYSCLK／1000。等待1s到，输出转速脉冲个数N，计算电机转速值。将1s内的转速值换算成1min内的电机转速值，并在LED上输出测量结果。2.2软件设计本系统采用C8051F060中的IWT0中断对转速脉冲计数。定时器T1，工作于外部事件计数方式，对转速脉冲计数；T0工作于定时器方式，均工作于方式1。每到1s读一次计数值，此值即为脉冲信号的频率，根据式（1）可计算出电机的转速。由于直流电机的转速与施加工于电机两端的电压大小有关，故将实际测得的转速值与预设的转速值比较，若大于预设的转速值则减小DAC0的值调整电机的转速，直到转速值等于预设定的值，这样就实现了对电机转速的控制，程序流程如图2、图3所示。3.实验测试结果根据实验测试和误差分析绘制了测量误差曲线，如图4所示。误差分析表明，转速测量误差在5%以内，并且随着转速预设值的增加测量误差愈小，呈指数形式