双通道转速测量仪器设计

2018-06-24谷玉海王倪珂

设备管理与维修 2018年13期

刘朔，谷玉海，王倪珂

（北京信息科技大学现代测控教育部重点实验室，北京 100192）

0 引言

转速是各种旋转机械的一个重要的状态参数[1]，精密离心机、高精度数控机床等精密旋转设备对电机转速有着极高要求[2]，为了保证机械设备正常的运转，精确地测量出电机运转的速度成为了关键。所设计的双通道转速测量仪采用了电感式接近开关，能够用非接触的方式对机械轴的转速进行精确的测量，在LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）显示屏上显示转速以及频率，并且能够将采集到的数据发送至计算机，对数据进行进一步分析，得到更多关于机械转速的信息。

1 测量原理

由于接近开关具有可靠性高、抗干扰能力强、频率响应快、定位精度高、使用寿命长等特性[3]，在对金属导体进行转速的非接触试测量时，通常用接近开关作为感应模块。电感式接近开关的测量原理主要是电涡流效应[4]，当有金属导体靠近接近开关时，由于电涡流效应，无需机械接触及施加任何压力，接近开关就能迅速发出电气指令，控制电路使开关产生动作。本文采用的电感式接近开关如图1所示。

图1 接近开关

2 测量电路设计

2.1 总体设计

本文设计的转速测量仪由主控电路、接近开关接口电路、LCD显示电路、频率/转速转换开关电路、RS232接口电路、供电电路组成，如图2所示。

2.2 主控电路的设计

主控单元的设计采用STM32F030F4芯片。主控单元对接收到的来自接近开关的脉冲信号进行处理，计算出机械轴转动的频率以及速度，然后由主控单元将计算所得的结果发送至LCD屏幕并在其上显示，主控单元也可以通过RS232接口电路将接收到的脉冲信号发送至计算机，在计算机上对脉冲信号进行进一步分析，得出更多有关于被测物体转动的相关信息。

图2 总体电路设计

2.3 接近开关电路的设计

当金属导体靠近或者远离接近开关时，接近开关的状态会发生变化，输出相应的脉冲信号，在接近开关的脉冲输出端口加上接近开关接口电路（图3）。若脉冲信号的电压＜3.3 V，则三极管发射极正偏，与单片机相连的集电极电压与脉冲信号电压相等，若脉冲信号的电压＞3.3 V，则三极管集电极反偏，与单片机相连的集电极电压为3.3 V，这样就能够对接近开关直接输出脉冲信号进行整形，最终输出方波如图4所示。

图3 接近开关电路

图4 接近开关电路输出波形

2.4 供电电路的设计

供电电路如图5所示，采用了型号分别为HT7150和HT7133的稳压器，将输入的12 V电压分别转换为6 V和3.3 V的电压，电容C1，C2，C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激震荡和抑制电路引入的高频干扰。当输入或输出端短路时，二极管D0给电容器一个放电通路，防止稳压器损坏，达到防接反的效果。

3 软件设计

图5 供电电路

测转速的本质是测量测速电路输出的脉冲信号的频率，常用测量频率的方法有测周期法和测频法[5]，本文采用测周期法来测量脉冲信号的频率。测周期法是在接近开关输出的一个脉冲周期内对高频的基准时钟进行计数来获得被测速度值[6]。两个相邻的脉冲信号的间隔时间的测量是借助单片机计数器对已知频率的时钟脉冲计数实现的。设时钟频率为f，单片机计数器的值为m，2个位置脉冲间的时钟脉冲个数为M。其转速n=f/m×60/M；其频率fx=f/m/M。

4 实验

将接近开关固定在支架上，在被测的旋转物体上粘贴磁铁，将接近开关摆放在距离磁铁约2 mm处，如图6所示，使被测物体开始转动，接通测速仪电源，打开电源开关。当拨片开关拨至转速一侧时候，实验结果如图7所示。当拨片开关拨至频率一侧时，实验结果如图8所示。当用信号发生器向测速仪发送如图9所示的频率为2.6 Hz的脉冲信号时，测速仪也能够测量出脉冲的频率，并计算出被测物体在相应频率下的转速，如图10和图11所示。