电动机测速器设计11

电动机测速器设计 2011-07-01 00:24:25| 分类： 默认分类|举报|字号 订阅 电动机测速器设计任务书 一．设计目的与要求 设计一个电动机测速器，要认真并准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能： （1）测量电动机每秒钟所转的圈数，监视电动机运转情况； （2）自选所测电动机范围； （3）4位数码管显示电动机转速（转/分）。 二．设计内容 （1）画出电路原理图； （2）确定元器件及元件参数； （3）进行电路模拟仿真； 三．编写设计报告 写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。 四．答辩:在规定时间内，完成叙述并回答问题。 目录 1设计基本原理 ………………………………………………………………………………... 3 2测速器设计方案……………………………………………………………………………….4 3单元电路的设计……………………………………………………………………………….5 3.1广电脉冲变换电路………………………………………………………………………...5 3.2时钟发生器………………………………………………………………………………….5 3.3定时电路……………………………………………………………………………………..6 3.4寄存器………………………………………………………………………………………..7 3.5计时器………………………………………………………………………………………..8 4整体电路图……………………………………………………………………………………..8 5电路仿真………………………………………………………………………………………...9 6心得体会……………………………………………………………………………………….13 7元件清单……………………………………………………………………………………….13 8参考文献……………………………………………………………………………………….14

摘要：在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合，例如在发动机、电动 机、卷扬机、机床主轴等旋转设备的试验、运转和控制中，常需要分时或连续测 量和显示其转速及瞬时转速。要测速，首先要解决是采样问题。在使用模技术制 作测速表时，常用测速发电机的方法，即将测速发电机的转轴与待测轴相连，测 速发电机的电压高低反映了转速的高低。为了能精确地测量转速外,还要保证测量的实时性,要求能测得瞬时转速方法。因此转速的测试具有重要的意义。 关键词： 关键词：电动机，传感器 ，频率计 1、设计的基本原理 转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数,其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否,因此,转速测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法,先后产生过模拟测速法、同步测速法以及计数测速法。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。本文介绍的采用频率计和光电传感器组成的高精度转速测量系统,其转速测量方法采用的就是电子式定时计数法。 对转速的测量实际上是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。在频率的工程测量中,电子式定时计数测量频率的方法一般有三种： ①测频率法:在一定时间间隔 t 内,计数被测信号的重复变化次数 N ,则被测信号的频率 fx 可表示为: f x =N/t (1) ②测周期法:在被测信号的一个周期内,计数时钟脉冲数 m0 ,则被测信号频率 fx = fc/ m0 ,其中, fc 为时钟脉冲信号频率。 ③多周期测频法:在被测信号 m1 个周期内, 计数时钟脉冲数 m2 ,从而得到被测信号频率 fx ,则 fx 可以表示为 fx =m1× fc/m2, m1 由测量准确度确定。 电子式定时计数法测量频率时,其测量准确度主要由两项误差来决定:一项 是时基误差;另一项是量化±1 误差。当时基误差小于量化±1 误差一个或两个数量级时,这时测量准确度主要由量化±1 误差来确定。对于测频率法,测量相对误差为： Er1 =测量误差值实际测量值×100 % =1N×100 % (2) 由此可见,被测信号频率越高, N 越大, Er1 就越小,所以测频率法适用于高转速信号的测量。对于测周期法,测量相对误差为： Er2 =测量误差值实际测量值×100 % =1m0×100 % (3) 对于给定的时钟脉冲 fc , 当被测信号频率越低时,m0 越大, Er2 就越小,所以周 期法适用于低转速信号的测量。对于多周期测频法,测量相对误差为: Er3 =测量误差值实际测量值×100%=1m2×100 % (4) 从上式可知,被测脉冲信号周期数 m1 越大, m2 就越大,则测量精度就越高， 它适用于高、低频信号(高、低转速信号）的测量。但随着精度和频率的提高，采样周期将大大延长,并且判断 m1 也要延长采样周期,不适合实时测量。 根据以上的讨论,考虑到实际应用中需要测量的转速范围很宽,上述的转速 测量方法难以满足要求,因此,研究高精度的转速测量方法,以同时适用于高、低转速信号的测量,不仅具有重要的理论意义,也是实际生产中的需要。

2、测速器设计方案 如图1所示，电动机测速器采用光电传感器获得信号，经光电脉冲变换电路转换成稳定的脉冲，将此脉冲用数字频率计处理可得脉冲频率。数字频率计由时基电路、逻辑控制电路、闸门电路、计数锁存电路、脉冲形成电路和译码显示电路组成。 数字频率计的工作过程是：被测信号fx 经脉冲形成电路整形，变成如图2I所示的脉冲波形，其频率与被测信号的频率fx相同。实际电路输出标准时间信号II，设其持续时间为1s，计数器计得脉冲数N（如III所示）就是被测信号的频率。逻辑控制电路得作用是：其一，产生锁存信号IV，使显示的数字稳定。其二，产生定时清零信号V，使计数器每次从零开始计数。 我们设定旋转盘开孔数为60，那么1s内测得的频率就是电动机的每分钟转过的圈数，即转速。电动机转速范围：10（转/分）～5000（转/分） 图1.整体方案图 图2.工作时序波形 3、 单元电路设计 3.1光电脉冲变换电路 如图3所示，光敏三极管U6与运算放大器构成光电开关：当有光线照射到光敏三极管时，光敏三极管相当于一个闭合的开关；否则，光敏三极管相当于一个断开的开关。由此产生的开关信号经过运算放大器获得高、低电平信号，再用施密特触发器整形，可获得稳定的脉冲信号。 图3.光电脉冲变换电路 3.2时钟发生器 如图4所示，由555定时器构成多谐振荡器，可产生较稳定时钟信号。其频率为： f = 1.43/[(R1+2R2)C1]≈48Hz

图4.时钟发生器 3.3定时电路 定时电路(闸门电路)的作用是控制计数器的输入脉冲。当标准时间信号(1s负脉冲)来到时，闸门开通，被测信号的脉冲通过闸门进入计数器计数；标准时间脉冲结束时(为低电平时)闸门关闭，计数器无时钟脉冲输入。定时电路的另一个功能是控制计数器的清零信号CLR和寄存器的触发脉冲(详见频率计电路图)。 如图5所示，闸门电路由一个555定时器构成的单稳态触发器和一个与门来组成。输出电压OUT的脉宽: Tw =1.1×R3×C4=1s

图5.定时电路 3.4寄存器 寄存器的作用是将计数器在1s结束时的计数值进行锁存，使显示器上获得稳定的测量值。因为计数器在1s内要计成千上万个输入脉冲，若不加寄存器，显示器上的数字将随计数器的输出而变化，不便于读出。 如图6所示，选用两个寄存器74HC374可以完成上述锁存功能。 图6.寄存器 3.5计数器 如图7所示，计数器由4个十进制计数器74LS192构成: 被测信号接CLK, VCC接+5V, CLR接地实现计速功能。

图7.计数器 4、整体电路图 如图8所示为频率计整体电路图。说明：开关J1的作用是控制数码管的显示，J1接+5V时，数码管显示为0000；J1接地时，数码管显示计数器1s后的数字。 图9.数字频率计整体电路图 5、电路仿真 5.1光电脉冲变换电路仿真 在采用Multisim仿真时，由于光敏三极管不能产生电流，故利用光敏三极管的开关特性，可以用开关代替光敏三极管。如图10所示，通过开关的断、开(手动)，获得如下波形。这说明此电路基本达到了设计要求。 图10.光电脉冲变换电路仿真 5.2时钟发生器仿真 如图11所示，从波形图可见：频率 f ≈50Hz，与理论值相符合。 图11.时钟发生器仿真 5.3定时电路仿真 如图12所示，实现了限制计数脉冲的作用(定时约为 1s) 图12.定时电路仿真 5.4数字频率计仿真 函数信号发生器输出1kHz的方波信号，通过频率计测得频率为995Hz。 图13.数字频率计仿真

6、心得体会 这次设计不但加深了我们对课本知识的理解，更重要的是，我们了解到了做一个课程设计的全过程。我们在课本上所学的知识是有限的，因此我们在解决实际问题的时候，不但要充分利用已学的知识，更要积极的运用网络、图书馆等各种工具，勇于学习新的知识，因为我们所学的知识在实际操作中是远远不足的。

元件清单 8、参考文献 [1] 康华光主编．《电子技术基础》．高等教育出版社，2005 [2] 王连英主编．《基于Multisim 10的电子仿真》．北京邮电大学出版社，2009

7、元件清单 元器件名称 型号规格 数量 光敏三极管 1 运算放大器 LM324M 1 施密特触发器 40106BT_5V 1 反相器 74F04N 2 555定时器 LM555CM 2 与门 74F08D 1 寄存器 74HC374 2 十进制计数器 74LS192 4 数码管 4 电阻 10KΩ 5 电阻 50KΩ 1 电容 10nF 1

电容 0.01μF 1 电容 1μF 1 电容 18.2μF 1 单刀双掷开关 1