直流电动机多参数测量电路设计.docx
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直流电动机多参数测量电路设计
直流电动机多参数测量电路设计
直流电动机多参数测量电路设计
摘要
当今,电机各参数测量在故障保护系统不可或缺。
在实现灵活控制,可靠性高的基础上,对参数检测来实现过电流、欠电压和缺相的保护,用于故障检测和数字精密控制占有十分重要的地位,为电机提供一个空间。
本文设计了一种自动测量直流电动机参数的电路,能够实现直流电机的电枢电压、电枢电流和转速的自动检测和显示功能。
本系统采用带有A/D转换的STC12C560S2单片机作为核心部件,采用LEM电流传感器采集电机的电枢电流,LEM电流传感器的输出为0-5V模拟电压,可以直接与单片机接口;采用数字旋转编码器测量电机轴的实时转速,既可以满足电机转轴的高速测量精度,又可以满足电机转轴的低速测量精度。
电路结构简单,安装调试方便,测量结果精确,具有很高的实用价值。
关键词:
直流电动机;STC12C560S2;LEM电流传感器
DCmotormulti-parametermeasurementcircuitdesign
ABSTRACTR
Today,theelectricalparametersmeasuredatfaultprotectionsystemisindispensable.Intheflexiblecontrol,highreliability,basedonthedetectionparameterstoachievetheover-current,under-voltageprotectionandphaseforfaultdetectionandprecisiondigitalcontroloccupiesaveryimportantposition,toprovideaspaceforthemotor.
ThispaperpresentsadirectcurrentmotorparametersautomaticallymeasurementcircuitcanbeachievedarmaturevoltageDCmotorarmaturecurrentandspeedofautomaticdetectionanddisplayfunctions.ThesystemuseswithA/DconversionSTC12C560S2microcontrollerasthecorecomponents,useLEMcurrentsensorscollectthemotorarmaturecurrent,outputLEMcurrentsensoris0-5Vanalogvoltageordirectlyinterfacewiththemicrocontroller;digitalrotaryencodermeasuringmotorshaftspeedinrealtime,bothtomeetthemotorshaftspeedmeasurementaccuracy,butalsotomeetthelow-speedmeasurementaccuracyofthemotorshaft.Circuitstructureissimple,easyinstallation,accuratemeasurementresultswithhighpracticalvalue.
Keywords:
DCmotor;STC12C560S2;LEMcurrentsensors
一、绪论
1.1研究背景及意义
电机的使用和我们日常生活息息相关,不仅被广泛的应用于工业部门、运输部门、航空部门、医疗部门。
而且还在商务与办公设备和家用电器中发挥着重要的作用。
电机不仅可以用于电能的生产,而且也是电能应用的主要形式,而电机的各种参数更是让不同的电机别具一格,电机的多种参数的测量便可让我们直观了解。
在现代化技术日益发展的今天,为了提高生产效率,发展生产,传统产业也加速了进行现代化改造的步伐。
改造离不开一些现代化手段,我们可以利用先进的技术,科学有效的改变电机的转速,对其进行精确测量,在此基础上使用数码显示和超速报警装置,控制和测量生产生活中的一些旋转设备、仪器用品的速度,从而使生产生活更加便捷。
电动机多参数的测量不仅可以更好的进行数字控制,还可以对电机正常运行时状态的监测,测量电压、电流和转速可以直观看出电机运行状态,对于故障检测和数据测量了具有很好的控制效果,利用单片机进行信号转换可以实现数字报警等功能,为实现安全运行做出重要贡献。
电机工作电压,电流以及电网电压的监测是电机正常运行的保证,而多参数测量精准更是影响系统的控制,这关系实现报警功能的应用,科学有效的对电机状态的监测了解。
通过研究电机参数测量,我们也更加全面的了解了参数测量电路是怎样进行连接的,以及其中用的到的诸如:
TMS320X240单片机,8X190SC单片机,AT8051单片机等芯片的功能及其各个引脚的功能,充分的体现了理论与实践结合,给我们毕业后走向社会,做了进一步的准备。
1.2国内外研究现状
20世纪80年代后期,随着人工智能和计算机技术的飞速发展,直流电机参数测量走进自动控制时代,无疑问正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及高安全性等高科技的方向迅速发展。
我国加入WTO后,电机行业面临着巨大竞争压力和挑战,高效利用电机和使用电机并熟悉电机的参数是非常必要的,开发我国高校电机是非常必要的,这也是我国赶上国际水平和推进行业技术的进步的需要。
随着科技的发展故障智能检测发展也成为信息处理的一大关键,我国也在1997年成立中国自动化学会技术故障诊断协会。
说明对电机参数检测越来越精细和深入。
自动控制和人工智能发展无疑不能离开电机多参数精确测量,为此研究电动机多参数测量和电路设计具有重要的意义。
1.3项目研究内容
系统自动检测直流电动机的转速、工作电压、工作电流及三个参数,并显示各个参数的检测结果。
并具有超限报警功能。
二、总体方案设计
2.1设计技术要求
1.转速测量范围:
0—1000r/min,报警限值:
750—850r/min
2.工作电压测量范围:
0—250V,报警限值:
200—240V
3.工作电流测量范围:
0—200A,报警限值:
90—110A
2.2系统组成
直流电动机多参数测量系统主要由电压的测量、电流的测量、转速的测量三个测量部分,以及STC12C5A60S2单片机和显示、报警六个模块组成。
系统的组成框图如图2.1所示。
图2.1系统的组成框图
2.3系统工作原理
直流电动机的电枢电压采用电阻分压电路获取电压测量模拟信号,电动机电流测量采用电流传感器,转速检测采用旋转编码器,旋转编码器输送数字信号与单片机直接相连,显示电路可以实时显示直流电动机的电枢电压、电枢电流以及转速值,当量程高与上限或低于下限时,单片机会输出报警信号,起动报警电路工作。
2.4主要模块的方案选择
2.4.1电流传感器的选择
直流电动机的电枢电流测量选择LEM电流传感器。
当今,环境保护是世界范围内最重要的问题之一。
低成本、高性能、体积小、5V供电是环境保护对电力行业的基本要求。
LEM是电流测量控制、监控、保护领域的领导者,其在驱动、不间断电源、开关电源、功率变化电源等领域有着丰富的应用经验。
LEM电流传感器,具体型号有LTS6-NP、LT4000-L和LA200-P电流传感器等等,本文选择型号为LTS6-NP电流传感器,因为供电电压为0-5V,所以为了满足量程需要和性能需求选择LTS6-NP满足需求。
霍尔闭环电流传感器•输出2.5±0.625V•供电电压5V•精度0.2%•频率范围0-200KHZ•温度范围-40--+85℃•响应时间≤100nS•PCB安装
图2.2电流传感器
2.4.2旋转编码器的选择
图2.3旋转编码器
光电式旋转编码器是一种测量转速和转角的装置。
当这种装置与电动机相互连接时,电动机的转动会带动码盘来实现旋转,然后发出转速还有其转角的信号;旋转编码器一般分为绝对式和增量式两种形式。
一一个光栅数为N的码盘,其转速分辨率就是1N,经常使用光栅数为1024、2048、4096等的旋转编码器。
在此基础上增加光栅的数量会加大旋转编码器的成本和制造难度。
而使用倍频电路则可以避免增加旋转编码器的光栅数量,同时还可以提高分辨率,但如果倍频电路的倍频过大实现起来比较困难,所以我们一般使用四倍频电路。
通常使用旋转编码器来实现数字测速方法可以分为三种:
M法、T法、和MT法
M法测速:
在时间T内对旋转编码器输出的脉冲个数M进行测量,并由此算出这段时间内地额平均转速,这种计算方法称为M法测速,如图2.4所示。
图2.4M法测速
T法测速:
在编码器连续的两个输出脉冲的时间间隔以内,使用计算器来记录频率为f的高频时钟脉冲的数量,并用这个方法来计算转速,这种测速方法就叫做T法测速。
本文使用的是T法测速,如图2.5所示
图2.5T法测速
旋转编码器是被用来测量转速的。
其功能可以简单划分成单路输出、双路输出的形式。
技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有),还有电压等等。
单路形式的输出是指旋转编码器的是以一组脉冲的形式进行响应,然而双路形式的旋转编码器则可以响应两组相位差90度的脉冲信号,由于这两组脉冲即可以用来测量转速,又可以被用来检测旋转的方向。
本为采用的是PALDISS系列旋转编码器如图2.6所示
图2.6PALD6615-256-C05E旋转编码器外观
2.4.3单片机的选择
首先介绍单片机STC12C5A60S2。
1.增强型8051CPU,1T(1024G),单时钟/机器周期
2.工作电压5.5-3.5V
3.1280字节RAM
4.通用I/O口,复位后为:
准双向口/弱上拉可设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,强推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA
5.有EEPROM功能
6.看门狗
7.内部集成MAX810专用复位电路
8.外部掉电检测电路
9.时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器常温下内部R/C振荡器频率为:
5.0V单片机为:
11~17MHZ3.3V单片机为:
8~12MHZ
10.4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1
11.3个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
12.A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S
因为该系列单片机内部具有8路高速10位A/D转换,针对电机控制,强干扰场合,转换速度能达到250K/S的特点,所以本文选择STC12C5A60S2单片机。
2.4.4显示模块
LCD具有显示质量高,没有电磁辐射,可视面积大,应用范围广,画面效果好,并且具有数字式接口的特点本系统采用的LCD为RT-1602C,其主要引脚的功能如下:
RS:
是一种命令和数据选择端,当用高电平的时候用来选择作为数据寄存器,低电平时用来选择作为指令寄存器,
RW:
被称为读取输写选择性输入端,用高电平来读取操作指令,然而低电平时可用来进行写操作,当RS和RW同时作为低电平的时候,用来输入指令或者用来显示地址;当RS被用作为低电平、RW被作为高电平时的时候,进行读忙信号;使用RS为高电平、RW为低电平的时候,被用来写入数据,E:
使能端,在E端是高电平跳向低电平的时候,液晶模块开始执行命令。
三、硬件电路设计
3.1单片机接口电路设计
STC52C1260引脚图:
图3.1单片机引脚图
单片机各引脚说明见附录
晶振电路:
晶振在使用过程中,可以用一个电容和电阻材料并联再串联一个电容,构成二端网络,学术上这个网络是由两个谐振点构成的,把频率自身的高低来划分,比较低的频率被叫做串联谐振,比较高的频率被叫做并联谐振;因为晶体它本身的性质导致这两个频率的距离几乎的接近,在这个特别窄的频率范围之内,晶振可以等效为一种把电能转化为磁能而存储起来的装置,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就
以组成
联电路。
连接如图3.2
图3.2晶振电路
晶振电路与单片机连接如图3.3
图3.3晶振电路与单片机接口连接图
3.2电压和电流测量电路设计
直流电动机的电枢电压量程0-250V范围内采用电阻分压电路输出0-5V模拟电压送给单片机P0直流电动机的电枢电流量程0-200A的范围内经过LEM电流传感器输出0-5V模拟电压给单片机P1口。
输入电压的测量在0-250V范围内,输出电压为0-5V,考虑到最大电压的测量值是250V时,分压电路的分流电流为5mA,所以选取总电阻50KΩ左右,分压电阻如图所示,分别为R1和R2,R2应选取总电阻的1/50,所以选R2为1.1KΩ,R1为51KΩ。
电压测量输出在分压电阻R1、R2中间输出线送给单片机接口相连。
电流测量经过LEM电流传感器,输入电枢电流测量在0-200A范围内,输出电压为0-5V,输出端与单片机接口相连,电压和电流测量电路如图3.2所示。
图3.4电压、电流测量电路
3.3旋转编码器接口电路
旋转编码器旋是被用来测量转速装置。
它可以分成单路和双路两种输出方式。
技术参数主要有每转脉冲数(几十个到几千个都有),和供电电压等。
单路的输出可以理解成旋转编码器的输出是由一种脉冲组成的,然而双路输出的旋转编码器输出两组相位差九十度的脉冲,比较这两组脉冲不仅可以测量转速,还可以了解其旋转的方向。
本为采用的是PALDISS系列旋转编码器
表3.1机械参数
电源电压DC(V)
输出形式
输出码制
放大整形
分割数
5±0.5
电压
自然二进制码
有
256
表3.2机械参数
允许最大机械转数
启动力矩(25℃)
允许轴负载
径向
轴向
200r/min
≤1.5×10-2N·m
100N
10N
表3.3环境参数
工作环境
储存温度
耐振动
耐冲击
构造
防护等级
重量
-20~+50
-30~+70
30m/S2
(10~200Hz)(X、Y、Z三个方向各2小时)
30m/S2
(X、Y、Z三个方向各2次)
防尘
IP54
0.9KG(电缆除外)
旋转编码器与单片机连接电路图如图3.5
图3.5旋转编码器与单片机接口图
表3.4接线表
航空插头脚位
电缆颜色
输出功能
备注
1
浅蓝色
八位2进制码的第1位最低位
单圈基础码(每转脉冲)
2
深蓝色
八位2进制码的第1位
3
紫色
八位2进制码的第1位
4
橙色
八位2进制码的第1位
5
灰色
八位2进制码的第1位
6
绿色
八位2进制码的第1位
7
黄色
八位2进制码的第1位
8
浅紫色
八位2进制码的第1位
17
红色
编码器电源DC5V
18
黑色
编码器0V(地线)
19
白色
清0(用于0位设定)
外部输入5~30V正脉冲
其余脚
空脚
3.4显示电路
1602液晶显示器有装有背部光线显示和背部无光线显示两种方式的功能,主要的控制装置基本是由HD44780构成的,具有背部光线显示的相对不带背光的厚,不过他们在应用方面中并无差别。
1602液晶显示器模块最佳工作电压为5V
字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明所示:
第1脚:
VSS为地电源;第2脚:
VDD接5V正电源;第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度;第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器;第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作;当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据;第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令;第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线;第15脚:
背光源正极;第16脚:
背光源负极[2]。
LCD与单片机连接如图
图3.6LCD与单片机连接图
3.5总图
图3.7总电路连接图
四、系统的软件设计
软件设计部分可以划分为LCD软件编写构建显示电路、外部中断程序控制、报警信号电路传输与控制、在整个体系中使用的变老以全局变量形式,并提供主程序来进行调试和使用,以此来完成程序的显示。
主程序流程图如下
图4.1主程序
4.1程序设计
4.1.1数据处理子程序
1.中值滤波子程序
中值滤波被用来清除障碍信号。
把数次采样所获得的值进行依次排列,其平均值作为结果。
通过第一次循环使最大的数“沉底”,通过第二次循环又使次大的数“沉底”,按照此排列,直到所有数据都按从小到大顺序排列。
小循环计数器为R4,由4次逐渐减少至1次。
另外,由于需对4组数据进行排列,所以又设置了第三重循环,循环计数器为R2(为4次)。
当每组数据排序完后,将7CH的内容加5,使之指向下一组数据的首址,直至4组数据均排序完后,又将7CH单元重置50H。
2.数据转换A子程序(CHAA)
现以电动机转速为例,设滤波结果为X,其变化范围为00H~FFH(为下面演算方便起见,设为00H~100H,误差小于千分之四),而设其转换结果为0~1000r/min,显然,两者之间有如下比例关系:
则有:
也即当电动机转速的滤波结果为X时,其所对应的二进制数的工程量为X乘以7DH,再除以25。
同样,对于工作电压、工作电流、电网电压,分别有如下计算公式:
由此可知,数据转换A子程序的程序设计思想是:
先将滤波结果乘以一个系数,得到一个双字节数,后将该双字节数右移n次即可。
由于乘的系数和右移次数各不相同,本来要编制4个子程序以分别实现转换。
为使程序简洁,现仍以一个子程序实现转换。
其具体方法是以查表得到每次乘的系数和右移次数。
程序中双字节数右移一位专门用一个CHAS子程序完成,右移n次只要n次调用该子程序即可。
4次转换结果依次存入68H~6FH单元(每个转换结果占两个字节)。
3.数据转换B子程序(CHAB)
该子程序的主要作用是将二进制数的工程量(存68H~6FH)转换成与其自身所对比的十进制数的工程量(依然存68H~6FH)。
由于本课题中各参数的最大值均不超过1000,故双字节数高位字节的前六位恒为0。
程序设计中把双字节数逐位向左移至C标志,后判C标志的内容。
若为1,则把该位所对应的权值加入累计单元(工作寄存器R5、R6作累计单元);若为0,则不加。
图4.2双字节二进制数各位权值
由于各数据高位字节的前6位恒为0,所以在对数据的高位字节进行处理时,先空移6次,不作判断。
仅对后两位作处理,而低位字节的8位则全部作处理。
判别C标志的内容及进行累加由专门的子程序CAK完成。
该子程序据C标志的内容确定是否要对权值进行相加,若要加,则通过两次查表,先后找到权值的低位和高位分别累加到R6(置累加和的低位)、R5(置累加和的高位)中。
需要强调的是为使累加和为十进制数,所以在两次执行加法指令后均需进行二-十进制调整。
另外,考虑到在低位字节相加时可能对高位字节产生进位,故在第二次相加时,需采用ADDC指令。
当累加完成后,需将累加的结果送目标单元(68H~6FH),并通过4次循环,完成对4个数据的处理。
程序如下:
PROC:
JBCP0,PRl数据处理子程序
RET
PR1:
LCALLRANG调排队子程序
LCALLLOAD调中值(滤波结果)传送子程序
LCALLCHAA调数据变换(采样值十二进制数工程量)子程序
LCALLCHAB调数据变换(二进制数-十进制数工程量)子程序RET
RANC:
MOVR2,#04H四组数据排队
RAN1:
MOVR3,#04H
RAN2:
MOVA,R3
MOVR4,AMOVR0,7CH
RAN3:
MOVA,@R0
MOVR5,AINCR0
MOVA,@R0
CLRC
SUBBA,R5JNCRAN4
MOVA,R5
XCHA,@R0
DECR0
MOV@R0,A
INCR0
RAN4:
DJNZR4,RAN3
DJNZR3,RAN2
MOVA,7CH以下三条,7CH单元内容加5,指向下组数据首址
ADDA,#05H
MOV7CH,A
DJNZR2,RAN1
MOV7CH,#50H四组数据排队后,7CH单元内容恢复为50H
RET
LOAD:
MOVR0,#52H各中值传送至滤波结果单元
MOVR1,#64H64H~67H置滤波结果
MOVR2,#04H
LD1:
MOVA,@R0
MOV@R1,A
MOVA,@R0以下三条,R0内容加5
ADDA,#05H
MOVR0,A
INCR1
DJNZR2,LD1
RET
CHAA:
MOVR0,#64H;数据变换,将4个采样值变成二进制数工程量;程序设计思想:
乘X除r
MOVR1,#68H
MOVDPTR,#TAB2
MOVR2,#04H
CH1:
CLRA
MOVCA,@A+DPTR
MOVB,A
MOVA,@R0
MULAB
MOVR3,A乘积低位暂存R3
INCDPTR
CLRA
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R1,A
INCR1
XCHA,B
MOV@R1,A
INCR1
INCDPTR
INCR0
DJNZR2,CH1
RET
TAB2:
DB7DH,05H,7DH,07H乘的系数和右移次数表
DB19H,05H,7DH,06H
CHAS:
XCHA,B双字节右移
CLRC
RRCA
4.2报警子程序
报警子程序是本程序中较为复杂的一个子程序。
其设计思想是将4个参数的转换结果分别与各参数的上下限进行比较,也即做8次双字节减法(各参数的上下限通过查表取得),并由C标志得到8个报警信息。
各参数的转换结果在与下限相减时,若有借位(C标志为1)需报警;而在与上限相减时,无借位(C标志为0)需报警。
根据本课题要求,各参数不管是超过上限,还是低于下限均用同一个报警灯报警,故在程序设计中还需将8
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