电机转速测量及频压转换

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西安交通大学工程训练中心,*,工业系统测量,转速测量及频压转换,11/27/2024,1,西安交通大学工程训练中心,引言,现实生活中，经常需要获取物体运动的速度：,比如：汽车是否超速？摩托车的速度表，控制系统中电机的转速等等。,经常涉及对旋转机械转速进行精确的测量和控制；,思考：如何获得测量速度呢？,11/27/2024,2,西安交通大学工程训练中心,转速的测量方法,电脉冲式转速传感器（,n,f,）,光电式转速传感器,（,绕轴旋转的光栅光电对管,）,磁电式转速传感器,（,转子和定子之间气隙构成的磁路周期性变化，引起工作磁通周期性的变化,）,直接通过,f,来测转速（脉冲计数）,单位时间的脉冲数,k,经历固定脉冲数所花的时间,t,将,f,转换为电压V测速（F/V转换）,11/27/2024,3,西安交通大学工程训练中心,引言,速度测量中通常需要进行机械上的速度升降，以适合于传感器的测量范围；,实现速度升降的常见机构有：带轮、链轮、齿轮、摩擦轮等；,本实验中使用,带轮机构,；使用“码盘光电对管”作为速度传感器，实现转速,n,频率,f,的转换，码盘一般与被测轮同轴安装；,为了把频率,f,电压,u,o,，需要频压转换（F-V）。此处，我们使用2907实现频压转换。,11/27/2024,4,西安交通大学工程训练中心,带传动机构,变速比：,工作原理：由,两个带轮,和一条,传动带,组成，靠传动带与轮之间的,摩擦力,传递运动和动力，一般用于两个平行轴之间传递定轴转动和动力；,主动轮也称原动轮、输入轮，从动轮也称被动轮、输出轮，输入轮常由电动机、内燃机等原动机拖动。,11/27/2024,5,西安交通大学工程训练中心,带传动机构,带传动机构的主要,优点,：结构简单，可以缓冲、吸收振动、具有过载安全性，可以在距离较远的两个轴之间传递转动；,缺点,：传动带与轮之间存在,相对滑动,，使传动精度降低，不适于频繁改变转动方向的场合，为减少滑动，要增加传动带与带轮之间的摩擦，或将传动带张紧，但这将增大轮轴的径向压力，从而加剧轴和轴承的磨损，降低机械效率。,11/27/2024,6,西安交通大学工程训练中心,光电信号转换,光电器件,光电器件的工作原理：,电流的作用能使半导体材料发出可见光或红外线；,光的照射能改变半导体材料的,导电性能,。,光电传感器：把,光信号,转换为,电信号,的光电耦合器件,作用：检测可见光和不可见光；,种类：光电二极管、光电三极管、集成光电传感器等。,11/27/2024,7,西安交通大学工程训练中心,光电信号转换,光电对管,u,o,/V,t,E,0.3,导通,截止,限流,电阻,光电对管的组成：发光二极管和光电三极管；,发光二极管发出红外光，光电三极管接收红外光；,串联在电路中的电阻起限流作用；,未遮挡时，光电三极管的c极和e极在光照作用下导通，输出为0.3V的低电平；遮挡时，光电三极管由于没有光照作用，c极和e极不导通，输出为10V高电平，,11/27/2024,8,西安交通大学工程训练中心,码盘式转速测量原理,u,o,/V,t,E,0.3,脉冲信号,波形不适当,需要整形,“,码盘+光电对管,”构成了码盘式转速测量传感器，将码盘的转速,n,转换为光电对管的脉冲输出，频率为,f,；,码盘上2,m,条黑白条纹相间，则一转输出,m,个脉冲信号，周期为,T,(单位为s)，即频率为,f,，则转速,n,为,60,f,/,m,转每分；,特殊：,当,m,=60时，,n,和,f,在数值上相等,。,T,11/27/2024,9,西安交通大学工程训练中心,转速测量中的信号调理,脉冲整形,问题：光电对管的输出,u,o,并非理想的矩形脉冲信号，可能会引起误码；,解决：用,比较器,对,u,o,进行,整形,，使上下沿变陡。,V,i,=,V,r,-u,i,u,o,=,AV,i,u,i,V,r,V,i,0,0,u,i,0,10V,11/27/2024,10,西安交通大学工程训练中心,比较器电路,11/27/2024,11,西安交通大学工程训练中心,比较器电路的应用,超限报警,电路：利用比较器实现。,当输入电压小于,2V,时，输出端电压为,0,，发光二极管不发光；,当输入电压大于,2V,时，输出突跳到,10V,输出，发光二极管发光报警。,使用该电路可以实现超限报警，调节可变电阻可以改变报警阈值,11/27/2024,12,西安交通大学工程训练中心,转速测量系统框图,码盘,+,光电对管,构成转速测量传感器，经过传感器，转速信号转换为高低电平渐变的脉冲信号；,调理电路中采用整形电路，将高低电平渐变的脉冲信号转换为高低电平突跳的理想脉冲信号；,经过,F/V转换电路将脉冲信号转换为电压输出，送给显示装置。,信号调理电路,传感器,码盘,光电对管,F/V,转换电路,显示装置,转速,n,整形,电路,脉冲,信号,电压,信号,11/27/2024,13,西安交通大学工程训练中心,取平均值,（滤波）,转速测量中的信号调理,F/V转换,C,2,u,o,t,AR,0,u,o,F/V转换原理：,F/V转换实现：,11/27/2024,14,西安交通大学工程训练中心,2907F/V转换电路,取均值,比较器,功率放大,限幅电路,-0.7V, 12V,11/27/2024,15,西安交通大学工程训练中心,转速测量电路,信号调理电路,码盘,光电对管,F/V,转换电路,显示装置,传感器,转速,n,整形,电路,脉冲,信号,电压,信号,11/27/2024,16,西安交通大学工程训练中心,训练内容1：,光电对管输出电平观察,在面包板上连接电路，完成光电信号转换。,间断地遮挡光电对管的光路，观测光电三极管c极（集电极）电平的变化，记录结果。,透光：,u,o,=,V；遮光：,u,o,=,V,思考：,MOC70T3光电对管的工作电压为10V。,MOC70T3发射端的工作电流一般为510mA，超过10mA时，容易烧坏器件,11/27/2024,17,西安交通大学工程训练中心,实验元件使用注意,严重警告！,千万别接错，否则元件烧毁,11/27/2024,18,西安交通大学工程训练中心,直流电源,光电对管输出电平观察,接线示意图,示波器,51k,1.5k,接线要求：,横平竖直,避免交叉,少用导线,11/27/2024,19,西安交通大学工程训练中心,训练内容2：,光电码盘与整形电路测试,器材：自制转速测量装置,电路连接：,装置示波器,电源,IN （整形前）,CH1,OUT（整形后）,CH2,GND,地线 GND,+15V, 电源,操作：,摇动手柄，改变转速，观察整形前、后的波形。,11/27/2024,20,西安交通大学工程训练中心,训练内容2：,转速装置及速度测量,操作：,摇动手柄，改变转速，观察整形前、后的波形。,11/27/2024,21,西安交通大学工程训练中心,训练内容3：,整形电路测试,在面包板上连接整形电路。,输入,u,i,：三角波，,f,= 1 000Hz，,u,ip-p,= 2V，直流电平,+1V,+3V,连续调节,数据记录：用示波器观测输入、输出信号波形，记录 +1V和 +3V时的输入输出波形。,将51k,W,电阻换成100k,W,电位器,输入,u,i,：三角波，,f,= 1000Hz，直流电平为+2V，,u,ip-p,= 2V 。,调节电位器使比较电平,V,r,从,0V,5V,，观察输入、输出波形。,11/27/2024,22,西安交通大学工程训练中心,信号发生器,直流电源,整形电路面包板测试,接线示意图,示波器,LM324,51k,100k,接线要求：,横平竖直,避免交叉,少用导线,11/27/2024,23,西安交通大学工程训练中心,整形电路测试,训练内容1-,信号整形,：,u,i,：三角波，,f,= 1KHz，,u,ip-p,= 2V，,直流电平 0V,+3V 连续调节（,OFFSET,）用示波器观测直流电平为0V和+3V时，,u,i,、,u,o,波形。,将10k,W,电阻短路,输入,u,i,：三角波，,f,= 1 000Hz，直流电平为0V，,u,ip-p,= 1V 。,观察输入、输出波形。,11/27/2024,24,西安交通大学工程训练中心,训练内容4：,F/V转换特性的测试,电路连接：,电源, 10V；,f,in,信号发生器提供一个输入信号，接,信号输出端；,GND,地线 所有地线共到一起；,CV（,u,o,放大前）,万用表,红表笔,或者示波器,信号输入端；,V,o,（,u,o,放大后）,万用表,红表笔,或者示波器,信号输入端。,11/27/2024,25,西安交通大学工程训练中心,实验电路板简介,F/V转换,C,2,f,in,W,1,W,3,CV,（,u,o,放大前,）,VO,（,u,o,放大后,）,11/27/2024,26,西安交通大学工程训练中心,F/V转换特性的测试,思考,如校准目标是5V，CV最大只有2V，如何解决？,加入两级反相放大器,u,o,= KV,cc,RC,1,f,in,：调整,V,cc,、R、C,1,的参数,写出F/V输出电压,u,o,与转速,n,的关系,11/27/2024,27,西安交通大学工程训练中心,F/V 转换特性的测试,电路校准：,f,in,= 02000Hz,u,o,=,02V,校准信号（函数信号发生器）：方波，,f,in,= 2 000Hz，直流电平为零，,u,ip-p,= 12V,C,2,=1,m,F,校准：,W,1,CV(,u,o,)=2V；,W,3,V,o,=5V,频率电压转换关系测试：,f,in,： 02000Hz，每隔200Hz测一个点，记录,u,o,(CV)值。,在坐标纸上画出F/V转换电路的,f,in,-,u,o,曲线。,11/27/2024,28,西安交通大学工程训练中心,训练内容5：,F/V转换纹波与响应速度,不接电容，观察电荷泵输出恒定脉宽的信号。,F/V转换纹波的观察,f,in,= 1 000Hz，分别取,C,2,=,1,m,F,、,0.01,m,F,、,20,m,F,观测CV（,u,o,）的纹波，记录纹波的峰-峰值。,F/V转换响应速度的观察,分别取,C,2,= 1,m,F,、,0.01,m,F,、,20,m,F ，在02 000Hz范围内快速改变,f,in,，用示波器观察输出电压CV（,u,o,）随频率,f,in,变化的快慢。,思考：,随着滤波电容,C,2,的增大，纹波,，响应速度,。,选取F/V转换的滤波电容,C,2,有什么原则？,11/27/2024,29,西安交通大学工程训练中心,训练内容5：,F/V转换纹波与响应速度,当输入信号的频率过高时，输出电压不再随频率线性增加；（原因是此时脉宽比输入信号半个周期还要宽）,而当输入信号频率过低时，输出电压会有波动，不稳定；,所以输入信号过高或过低系统都不能很好的工作，所以系统只能工作在这个频率范围之内，这个频率区间称为系统的带宽。,而元件只能工作在最高频率之下，这个最高频率以下的区间也称为元件的带宽。,设计时，,应该让系统工作在带宽范围之内,。,11/27/2024,30,西安交通大学工程训练中心,思考,会根据信号的波形参数和整形要求选择比较电平、计算分压电阻值；,写出F/V输出电压,u,o,与转速,n,的关系。,C,2,取值有什么原则？,有的工业系统中不允许传动机构发生相对滑动，应采取什么传动机构？,列举转速测量在工业中的应用,11/27/2024,31,西安交通大学工程训练中心,思考：,找出与F/V转换装置的对应物,11/27/2024,32,西安交通大学工程训练中心,小结,信号调理电路,码盘,光电对管,F/V,转换电路,显示装置,传感器,转速,n,整形,电路,脉冲,信号,电压,信号,取平均值,（滤波）,C,2,u,o,t,AR,0,u,o,11/27/2024,33,西安交通大学工程训练中心,光电信号转换,光电对管,u,o,/V,t,E,0.3,导通,截止,思考,：如何把输出逻辑,变反,？透光,1；遮光,0,限流,电阻,11/27/2024,34,西安交通大学工程训练中心,