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光电测速设置设计(一)
摘 要
转速是各类电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速而又方便地测量电机转速，极为重要。
目前国内外常用的转速测量方法有离心式转速表测速法、测速发电机测速法、闪光测速法、光电码盘测速法和霍尔元件测速法等。通过对现行电动机测速方法的研究发现离心式转速表和测速发电机由于要直接与电机转轴连接，测速仪作为电机的负载，对电机功耗较大，甚至有些电机根本带不动转速表和测速发电机，所以转速表和测速发电机对电机的测速不太适用，本文提出了电动机无接触测速法。详细分析了电动机无接触测速法的测速原理，介绍了无接触测速法所用的传感器光电码盘，设计了无接触测速的三种电路：①光电码盘LED显示数字电路型，②光电码盘LED显示单片机控制型，③光电码盘LCD显示单片机控制型。对于每一种电路分析了电路的组成、工作原理、转速的计算公式、元器件的逻辑参数和特性，给出了具体的电路，对于用单片机实现的电路，还分析了软件设计的方法，给出了程序流程图和程序清单。
用这三种测速方法设计的测速仪安装维护方便，工作稳定，运行可靠，测量精度高，具有较大的推广应用价值。
关键词：电动机，单片机，传感器，无接触，测速
ABSTRACT
Rotational speed is the primary physics data during the operation of various motors. It's extremely important to measure the rotational speed precisely, instantaneously and conveniently.
Nowadays the rotational speed-measuring methods; which are uncommon use in the country and abroad, includes: the eccentric turn-meter, the rotational speed-measuring dynamotor, the flashlight, the photo electricity coder, the Hall sensor. Via the research into the existing measuring methods of electric motor, it's discovered that electric motors consummates too much power and even some of them cannot run the trumpeter and rotational speed-measuring dynamotor. The recruit is caused because eccentric remitter is attached to electric motor rotor directly. Based on the fact that both tempter and rotational speed-measuring dynamotor don't apply to the rotational speed-measuring of electric motor, it's essential to put-forward non-contact rev-measuring method. With scientific analysis of principle (non-contracture-measuring)of method. More details about how to make photo electricity coder and sensor are introduced in this article. Three types of circuits are presented: ①the photo electricity coder LED-displaying digital circuit ②the photo electricity coder LED-displaying single-chip microcomputer control ③the photo electricity coder LCD-displaying single-chip microcomputer control. Specific circuits designed for each style after analyzing the circuit's composing, operation principle, calculating formula, component's logic parameter and characteristics. To the circuit operated by single-chip microcomputer, the method of software-design is analyzed and the procedure flow diagram/procedure lists are also provided.
With those three methods mentioned above, a new type of trumpeter can be developed. This new trumpeter has advantage in convenience if installation and maintenance. It can operate steadily, measure accurately too. The latest turnmeter's application and dissemination would be marketable and profitable.
KEY WORDS: electric motor, single-chip, sensor, non-contacting, rev-measuring
目 录
第1章 绪论 3
1.1 概述 3
1.2 电机转速测试技术的国内、外发展现状 3
1.2.1 常用的数字测速方法 4
1.2.2 模拟式转速测试装置 8
1.2.3 常用数字测速方法评价 9
1.3 目前国内外使用的速度测试装置存在的缺点 10
第2章 光电测速法的基本原理 11
2.1 电机转速的常用测量技术 11
2.1.1 机械离心式转速计测转速 11
2.1.2 用光电反射式传感器测转速 11
2.1.3 用电磁传感器测转速 12
2.1.4 日光灯法 12
2.1.5 感应线圈法 13
2.1.6 测振法测量转速 13
2.1.7 漏磁法测量转速 14
2.2 光电码盘测速法原理 16
2.3 用数字电路构成的光电码盘测速电路 17
2.3.1 电路概述 17
2.3.2 电路输出波形 21
2.3.3 存在问题 22
第3章 系统的硬软件设计及方案选择 23
3.1 单片机控制LED显示的电机光电码盘无接触测速电路 23
3.1.1 前向通道与后向通道 24
3.1.2 LED显示接口 24
3.1.3 软件设计 25
3.2 LCD显示接口及方案选择 27
3.2.1 LCD显示接口 27
3.2.2 设计方案选择 29
3.3 单片机控制LCD显示的电机光电码盘无接触测速电路的设计 30
3.3.1 ICM7211液晶显示驱动器 30
3.3.2 AT89C51单片机 34
3.3.3 LM324四运放 35
3.3.4 测速电路图的设计 36
3.3.5 软件设计 37
第4章 测试数据比较分析 40
4.1 调试 40
4.2 数据比较分析 41
参考文献 42
致 谢 43
附 录 44
诚信声明
绪论
概述
从电机学的知识，我们知道：电动机的作用是将输入的电能转换为相应的机械能输出。在实际的工业生产中，由于大多数生产机械都是靠电动机的转动来带动的，同时由于电动机输出机械能的大小与转速的大小密切相关，因此，对电机转速的测定在自动控制系统中是非常重要的。
在实际的工业生产中，随着生产机械负载的发展，对电动机的控制将提出日益复杂的要求。如要求平稳起动、恒速或变速运动、瞬时制动、自动反向等，要使电机能适应上述各种各样的要求，就必须要有一套相应的自动控制系统来对它加以控制。而在这样的自动控制系统中，对电机转速加以测试的设备是必备的，而且对电机转速的测试精度直接影响到控制的效果是否能达到要求的精度。这就要求我们能设计出一套精确的测试装置来对转速加以测定。
由于旋转物体的转速是难以直接检测的，因此一般不采用直接的方法加以测定，而是通过各种各样的变换器，将转速变换成其它物理量，如机械量、电量等，然后再用模拟和数字的方法将其显示出来，按其显示方法的不同，转速变换器大致分为模拟式和数字式两种。完整的转速检测器通常由转速变换器，辅助线路和输出装置组成：其中变换器的作用是把敏感固定元件和转动元件之间的能量变化，变换成与转速成正比的电信号;辅助线路包括激励电源、放大器、检测器等等。模拟式的变换器中，输出信号的大小是转速的函数，要求在整个有效速度范围内是线性的；而数字式的变换器中，输出信号频率同转速成正比。
电机转速测试技术的国内、外发展现状
在目前，国内外广泛使用的交直流电气传动速度控制的调速系统中，用于检测转速的传感器装置可分为两类：一类是输出为数字量(脉冲量)的传感器，一般称为增量式脉冲发生器，包括光电式脉冲发生器、感应式传感器、磁电式脉冲发生器、圆光栅传感器、旋转式感应同步器等；另一类是输出为模拟电压量的模拟式传感器，即传统的测速发电机、容式和祸流式转速检测器等。所以转速的测量方法也就分为数字测速和模拟测速两种，现针对上述各种测速装置及方法简略分述如下。
常用的数字测速方法
在闭环伺服控制系统中，根据脉冲计数来测量转速的方法有：M法、T法，以及后来发展的M/T法、变MT/法等。而高速、高精度、连续测量方法是近期在发展变M/T法基础上逐渐发展起来的。各种方法有其各自的优点及其具体的适用范围，现简述如下。
常用的测速方法有三种：M法、T法和M/T法[3，9]。
M法测速(又叫定时测角法)：即在规定的时间间隔内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值，这种方法称为M法测速。设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为P，且在规定的时间（s）内，测得得脉冲数为，如图1-1所示，则电机每分钟转数由式（1-1）给出
（1-1）
图1-1 M法测速原理
M法测速的技术指标有：
分辨率：M法的测速分辨率如式（1-2）所示
（1-2）
由上式可见，Q值与转速无关，即计数值变化1，在何转速下所对应的转速值增量均等。当电动机转速很小时，在规定时间内只有少数几个脉冲，甚至只有一个或者不到一个脉冲，则测出的速度就不准确了。欲提高分辨率，可改用较大P值的脉冲发生器(即增加光电转盘的透光孔或刻线密度)，或增加检测时间。
测量精度：此方法虽然检测时间一定，但检测的起始时间具有随机性，因此测量过程在极端情况下会产生士1个转速脉冲的检测误差，则相对误差为。当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号的个数较大时，才有较高的测量精度。即随着转速增加，即增大，相对误差会减小，说明M法适用于高速测量场合。
检测时间：由式(1-2)可得式（1-3）
（1-3）式中——规定的测量时间。
在保持一定分辨率的情况下，缩短检测时间的唯一办法是改用P值大(转盘刻线密度大或透光孔多)的光电脉冲发生器。
T法测速(又叫定角测时法)：即测量相邻两个脉冲的时间间隔来确定被测速度的方法。用一已知频率为的高频时钟脉冲向一计数器发送脉冲数，此计数器由测速脉冲的两个相邻脉冲控制其起始和终止。若计数器的读数为（如图1-2所示），则电机每分钟的转数由式（1-4）表示
（1-4）
式中——时钟脉冲频率；
——计数器对时钟脉冲频率的脉冲计数值。
图1-2 T法测速原理
T法测速的技术指标有：
分辨率：其计算公式如（1-5）
（1-5）
可见，在极端情况下，时间的检测会产生士1个高频脉冲周期。因此T法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号时间较大)时，才有较高的测量精度。亦即随着转速的升高，Q值增大，转速愈低，Q值愈小，T法测速在低速时有较高的分辨率。
测量精度：由于光电脉冲发生器制造误差为，导致测速的绝对误差随着转速的升高而增加。另外，时钟脉冲计数时，总有一个脉冲的误差，由此造成的相对误差为。随着转速增加，计数值减小，此项误差也随之增大。可见，T法在低速时有较高的精度和分辨率，适合于低速时测量。
检测时间：检测时间T等于测速脉冲周期，如式（1-6）所示
（1-6）
可见，随着转速的升高，检测时间将减小。确定检测时间的原则是：既要使T尽可能短，又要使计算机在电机最高速运行时有足够时间对数据进行处理。
时钟脉冲的确定：由式（1-5）可知，愈高，分辨率愈高，测速精度愈高；但过高又会使过大，使计数器字长加大，影响运算速度。确定方法是：根据最低转速和计算机字长设计出最大计数，由式（1-4）得
（1-7）
M/T法测速：同时测量检测时间和在此检测时间内脉冲发生器发送的脉冲数来确定被测转速，其原理如图1-3所示。它是用规定时间间隔以后的第一个测速脉冲去终止时钟脉冲计数器，并由此计数器值来确定检测时间T。检测时间为
（1-8）设电机在T（s）时间内转过的角度位移为X（rad），则其实际转速值为
（1-9）如果电机每转动一圈脉冲发生器输出P个脉冲，在T时间内，计数值为，则
角位移X为。同时，考虑在检测时间内，由计数频率为的参考时钟脉冲来定时，且计数值为，则检测时间T可表示为，于是被测转速为
（1-10）
上式中的项是常数，在检测时间T内，分别计取测速脉冲和时钟脉冲的脉冲个数和，即可计算出电机转速值。计取时间内的测速脉冲的个数相当于M法，而计取T（）时间内参考时钟脉冲的个数相当于T法，所以这种测速方法兼有M法和T法的优点，在高速和低速段均可获得较高的分辨能力，M/T法由此而得名。
通过上面的分析可知：M法测量转速在极端情况下会产生士1个转速脉冲的误差，而T法在极端情况下，时间的测量会产生士1个高频脉冲周期，由于转速脉冲的频率远小于高频脉冲的频率，因此如果用转速脉冲信号的上升沿/下降沿来同步计数器的起止，在预定的测速时间内，转速脉冲信号的计数值将为整数(无误差)，只有高频时钟脉冲会产生土1的误差，因其很小，影响可以忽略，所以M/T法可适用于测量高、低速的场合，且具有较高的测速精度，但检测时间不宜过长。虽然M/T法测速可满足一些快速性要求不高的速度伺服控制的要求，它具有宽的调速范围、高精度和高分辨率的特点，但对于快速响应的伺服系统，M/T法在低速运行时，会使检测时间过分加长，这是速度闭环所不能忍受的。
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