电机测速设计

河南科技大学电子课程设计报告

题目：电动机测速器

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摘要 (3)

1 引言 (3)

1.1 电动机转速测量现状及前景 (3)

1.2 研发意义 (3)

2 总体设计方案 (4)

2.1 设计思路 (4)

2.2 总体设计框图 (5)

3 设计原理分析 (5)

3.1 电源的选择 (5)

3.2转速测量原理 (5)

3.3开关型霍尔传感器介绍 (5)

3.4定时电路 (6)

3.5 控制电路 (7)

3.6计数器电路 (9)

3.7驱动显示电路 (11)

3.8总体电路 (11)

4 总结与体会 (12)

参考文献 (12)

电机测速器

摘要：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，画出原理图。为了知道电机的实际转速，需要实时监测电机轴的转速，该系统利用霍尔传感器采集脉冲信号，涉及到信号的采集，控制计数、译码、显示。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，价格便宜，且其结构简单，原理易于掌握，但却能较精确测得电机的转速

关键词：霍尔传感器555触发器CD4511 4518 数码管

1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(如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)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。

传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式(利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等)、电容式(对高频振荡进行幅值调制或频率调制)等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料来发生脉冲信号．其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点。

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、高可靠性和反应快等优点，使得光电传感器在检测和制领域得到了广泛的应用。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，它是电动机极为重要的一个状态参数。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，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，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等组成单稳态触发器，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 总体设计框图

图1 总体设计框图

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。M法（测频法）：在规定的检测时间内，检测霍尔传感器所产生的脉冲信号的个数来确定转速。虽然检测时间一定但检测的起止时间具有随机性，因此M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的误差。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，因此M法适合于高速测量。

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。

3.3开关型霍尔传感器介绍

霍尔传感器是利用霍尔效应原理制成的一种磁敏传感器。它是近年来为适应信息采集的需要而迅速发展起来的一种新型传感器，这类传感器具有工作频带宽，响应快、面积小、灵敏度高、无缺点、便于集成化、多功能化等优点，且易与计算机和其它数字仪表接口，因此被广泛用于自动监测、自动测量、自动报警、自动控制、信息传递、生物医学等各个领域。此处主要介绍开关型霍尔传感器。

开关型霍尔传感器由稳压器A、硅霍尔片B、差分放大器C、施密特触发器D和OC 门输出E五部分组成，如图3.1所示．从输入端1输入电压Vcc，经稳压器A稳压后加在硅霍尔片B的两端，以提供恒定不变的工作电流．在垂直于霍尔片的感应面方向施加磁场，产生霍尔电势差Vw，该n信号经差分放大器c放大后送至施密特触发器D整形．当磁场达到“工作点”(即B。)时，触发器D输出高电压(相对于地电位)，使三极管E导通，输出端V。输出低电位，此状态称为“开”。当施加的磁场达到“释放点”(即B。)时，触发器D输出低电压，使三极管E截止，输出端y。输出高电位，此状态称为“关”。这样2次高低电位变换，使霍尔传感器完成了1次开关动作。开关型霍尔传感器构成图如图2所示：

图2 开关型霍尔传感器构成

图3 传感器电路原理图

3.4 定时电路

555芯片引脚图及引脚描述

555 芯片是定时器,是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555的8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。

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，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2 Ucc/3，称高触发端，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可打200mA。

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，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。

图4 555内部电路

图5 555定时电路原理图

3.5 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，十四个管脚排列，其中7脚和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。用5V电源供电。

图6 74ls00引脚图

3.6 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CD4518，管脚如下图7，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。计数电路原理图见下图8。

图7 CD451管脚图

表1 引脚功能表如下图所示

图8 计数电路

3.7 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CD4511译码驱动。查看真值表，CD4511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CD4511 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=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CD4511，数码管采用共阴极连接方式。驱动显示电路如图9所示。

图9 驱动显示电路

3.8总体电路

总体原理电路见附录1

该电路设计用555定时电路定时1分钟，计算这一分钟内由霍尔传感器送到电

路中的脉冲数，并通过显示电路显示出来，从而知道电机每分钟的转数，开关1用

来控制555定时器输出高电平60秒，起触发作用，开关2用来显示数据的清零。

4 总结与体会

为期两周的课程设计就要结束了，回首整个过程，仍会感到一些紧张，但更多的是充实，在设计电路的过程中学到了很多以前没有注意的知识。

刚拿到课程设计任务书的时候，感觉自己的题目很简单，应该一周之内就能完成的，可当自己真正的设计时，好多需要考虑的问题一个一个的出现在我的眼前，要想完成电路的设计，就需要仔细地把一个个问题解决好。为了解决设计中的问题，自己不厌其烦的去图书馆查资料，和同学交流一起想解决问题的办法。

以前在学习专业课时，感觉没有多少实际的用途，因而学习兴趣不高。通过这次的课程设计，我认识到了学校开设的课程都是有一定作用的，只是在学习的时候没有体会到罢了。以后要好好学习自己的专业课，勤于动手，把所学的用于实际的生活中，做到实践与理论相结合。

总之，这次的课程设计让我学到了很多东西，牢记了很多东西。体会到理论到实践有很大的距离，从理论到实践是一次质的跨越，只有把理论运用到实际中，才能体现知识的作用和价值。

参考文献

[1] 孙鹏，陈景.数字电子技术基础与设计[ M ].大连：大连理工大学出版社，2004