矿用转速测量仪研究

矿用转速测量仪研究（精选七篇）

矿用转速测量仪研究 篇1

关键词：电机,转速测量,单片机

常用的电机转速测量方法有两种:频率法和周期法,这两种测速方法都是对脉冲进行测量,但测速范围都受到一定的限制。

频率法:在规定的检测时间内,测量计数脉冲个数。虽然检测时间一定,但检测的起止时间具有随机性,当被测转速较高或电机转动一圈发出的转速脉冲信号个数较多时,才有较高的测量精度,并且测量准确度随转速的降低而减小,该方法适合于高速测量。

周期法:即测量信号发出脉冲个数所需的时间。该方法在被测转速较低(相邻两个转速脉冲信号间隔时间较大)时,才有较高的测量精度,其测量准确度随着转速的降低而增大,适于低速测量。

用于电机转速检测的传感器主要有光电式和磁电式两种:以光电式为例,测速轮转动,通过光栅传感器经光电转换元器件产生一个脉冲信号,经过整形电路以方波信号的形式输入到单片机,处理后显示出来,实现转速的测量,系统框图如图1所示。

精确地检测转速是提高控制精度的关键。为了满足误差要求,测量时间尽可能地短,测量精度尽可能的高,结合两种测速方法,文中提出了一种基于单片机处理的转速测量方法。

1 新型的转速测量方法的研究

对周期法而言,根据转速的高低,假设固定测量n个脉冲所需时间为T,则有:

其中f(t)为转速,Z为测速仪转齿数。

亦即:

取K=n/Z为测量时间T内转子转过的转数,有:

由公式(1)得:

代入公式(2)得:

综合两种测速方法各自的优点,在周期法测速的基础之上,先把转速分成若干频段,每一个频段对应不同的K值,通过对转速进行瞬间检测,确定转速属于哪个测量范围,该范围对应什么样的K值,从而确定出K值,相应于公式K=n/Z中,因为测速齿数Z固定,故脉冲数n也成为已知,然后再对转速进行分析处理。这样就可以在保证测量精度的前提下,实现对转速的精确测量。

假设转速范围在0~10000r/min之间,要求转速误差,并且测量时间T≤100ms,时间误差取,根据公式(1)和(3)及假设条件,进行单片机编程求解。

经过对程序运行后所得的数据进行整理,得出的结果如表1、2、3所示。

表1中,时间误差分别取T=5us和T=8us时,固定测速齿数为60。

表2中,时间误差为3us,脉冲数n取1(当然实际应用中,不会出现这种数据,仅做理论分析)。

表3中K值是在固定时间误差取6us、测速齿数为60的前提下获得的。验证时,转速值5680r/min随机选取,测量时间由公式(1)计算得出,表3中各数据为验证数据。

经过对表中的数据进行分析后,可以得出:

1)根据表1可知,时间误差取得越小,转速的频段范围也越少,且相应的K值就越少。

2)从表2中可以看出,测速齿数越大,相应的K值越小,而相应的转速范围也变小。

在测速齿数固定的条件下,K值越大,所测的脉冲数就越多,这样要求的测量时间就会延长;若K值很小,说明单位时间内获得的脉冲数很少,若此时转速很大,传感器不能反应很快,势必造成很大的误差。从表1中可看出,随着转速的增加,为了保证测量精度,K值也随之提高。所以,给出不同转速范围对应取不同的K值,就可减小误差,提高测量精度。

3)从表3中可以看出,在时间误差取3us、4us、5us时,转速误差和测量时间都满足要求,故在测量误差T=6us计算出K值,同样在T《6us时也满足要求。综合表1和表3中的数据可知,在T=5us和T=8us时求取的K值,在T《5us和T《8us时同样满足条件。

4)K值的求取与测速齿数无关,但实际情况下,测速齿数通常取30、60、120,而在低转速情况下,为了保证测量时间尽可能地短,而且脉冲数符合要求,只能增大测速齿数,但是不可以超过120。在实际应用中,根据转速传感器测得的瞬间转速值,先确定出转速的大概范围,然后对应取不同的K值。K值固定以后,再对数据进行相应的处理,即可得到比较准确的结果。

2 结束语

根据不同的转速范围,适当选择K的大小,可以使得在测量时间T较小的情况下(T≤100ms),在0~10000r/min范围内,保证测量精度≤1r/min。借助单片机方便的接口功能和丰富的指令系统,完全可以实现对转速进行分段测量处理,达到高精度、高稳定度的测量要求。

参考文献

[1]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2]雷霖.微机自动检测与系统设计[M].北京:电子工业出版社,2003.

矿用转速测量仪研究 篇2

近年来,随着现代工业技术的快速发展,在航空、工业、机械制造领域等的高精度运动控制系统越来越多,对控制精度要求越来越高,而转速测量的方法对整个控制系统的稳态误差和动态响应性能有至关重要的作用,其速度分辨能力的高低是实现高精度、大范围速度测量的重要因素[1]。故实现对电机转速的高精度测量技术是十分重要的。

光电脉冲编码器凭借其在价格和性能方面的优势一直是转速检测的主要器件,本文通过比较分析几种常用编码器脉冲检测的方法[2～4],在原有方法的基础上采用了一种高精度转速检测的方法,即等精度测频法,该方法利用二个计数器分别计算标准信号的脉冲个数与实测信号的脉冲个数,最后由公式进行换算。此方法的优势是,不用再进行多个频段的转换,如果标准频率高,测量的精度也是会相应提高。将此方法用硬件描述语言在FPGA上实现,由于FPGA器件具有门时延小、电路稳定及良好的时序特性,可方便的对编码器脉冲进行精确计数,为后续的转速计算提供保障,可以提高整个测速范围内的检测精度和动态响应性能。

1 测速原理及误差分析

1.1 测速原理

本文通过检测光电编码器的脉冲信号计算电机的转速,其测频方法采用等精度测频方法,此方法是在直接测频方法的基础上发展起来的。它的闸门时间T不是固定的值,而是被测信号周期的整数倍,即与被测信号同步,因此,消除了对被测信号计数所产生±1的误差,并且达到了在整个测试频段的等精度测量[5,6]。其测频原理时序图如图1所示。

通过测频时序图可看到,在检测过程中,计数器同时对被测信号和标准时钟进行计数。在预置门限信号到来时,此时计数器不开始计数,只有等到被测信号上升沿到来,计数器开始计数。之后预置门限关闭,如被测信号不是上升沿,则计数器不停止计数,而是等到被测信号上升沿到来才结束,如此则消除了对被测信号计数所产生±1的误差,完成了1次测量过程。

若被测信号频率值为fc,标准时钟频率fb,光电编码器线数为Ze,计数器对被测信号和标准时钟信号测得的脉冲数值分别为Nc和Nb,由于被测时间T相同,故他们之间的关系为:

则可知:

故可知电机转速为:

1.2 误差分析

设被测信号的真实频率为fct,光电编码器能够准确的测试出旋转脉冲,其真实转速为nt,由于被测光电编码器的频率信号的计数器是由该信号的上升沿触发计数,下降沿停止计数,故在计数时间内的脉冲个数Nc为真实值,无误差。而另一计数器对标准时钟频率信号计数Nb,在计数时间内最多相差一个脉冲,及有,则可推出其真实值为:

将式(4)带入式(3)可得:

根据式(3)~式(5)推到其相对误差的公式为:

从式(6)可以看出,其相对误差的大小取决于标准时钟频率的大小,在被测频率固定(即电机转速恒定)的时候,标准时钟频率越大,误差也就越小。

2 转速测量技术FPGA实现

2.1 转速测量硬件实现

本研究采用ALTERA公司2009年推出的Cyclone IV系列FPGA(现场可编程门阵列),其具有较高的集成度、良好的用户定制性、内部电路的稳定性也优于一般电路,芯片结构主要由六部分组成:基本逻辑单元,时钟管理电路,嵌入式存储器,嵌入式乘法器,输入/输出单元和大量的布线资源。本文基于性能好成本的考虑,采用60nm低成本的FPGA芯片- EP4CE6F17C8,其速度等级为C8,目的是希望得到最小的门时延[7,8]。

转速测量硬件原理如图2所示。

光电编码器与电机旋转轴直接相连,从而保证编码器转速与电机同步。在旋转过程中,光电编码器所产生的两相(A相、B相)正交编码脉冲与转速成正比,其相差90°相位角,A相和B相两个通道关系是唯一的。如果A相超前B相90°,那么电机的旋转方向被认为是正向的。如果A相落后B相90°,那么电机旋转方向则为反向的。Z相位每旋一圈转产生一个脉冲,作为基准用来确定绝对位置[9]。这三个信号的时序图如图3所示。在FPGA内进行鉴向和计数,最后按照一定的转速计算公式进行快速计算,继而获得电机的实时转速。

2.2 转速测量软件实现

为了方便调试,缩短开发周期和工程应用方便,本研究采用模块化方法设计IP核,IP核采用Verilog HDL的硬件描述语言和Quartus II开发软件。

Verilog HDL的硬件描述语言可以形式化地抽象表示电路的行为和结构[10],采用从上到下的设计理念,从基本单元出发,对设计进行逐层划分,完成对脉冲信号的采集、计数及旋转方向的判别,其程序原理框图如图4所示。

3 试验与结果

本研究采用配有增量式编码器的伺服电机作为试验对象,其编码器的线数为2500P/R,转速脉冲信号通过光电隔离等调理电路进入FPGA,试验过程中首先通过Model Sim SE软件进行仿真,之后通过搭建试验平台进行电机转速检测。

Verilog HDL程序编译完成后,为了验证其正确性,编写Test Bench并在Model Sim SE软件上直接对代码进行仿真试验,检测源代码是否符合功能要求,完善设计。仿真程序编写了三个模块:初始化模块(时钟和复位),被测脉冲信号生成模块和预置门限信号生成模块。其仿真结果如图5所示,假设电机转速为500r/min、1000r/min、4000r/min,其对应的转速脉冲信号频率为1.25MHz、2.5MHz、10MHz。

通过软件仿真可以清楚的看到其被测信号检测脉冲数为9,标准脉冲信号个数分别为360、180、45,在时钟频率为50MHz情况下,通过式(3)可以得到其被测信号频率分别为1.25MHz、2.5MHz、10MHz,和设置频率一致,并且从仿真结果中可以看到其旋转方向判断正确,故说明源代码其符合功能要求。

在试验台上同样采用低速、中速、高速三种情况下进行测试,其测试曲线如图6所示。

从图6可以看出,无论电机处于低速、中速、高速,测试出的电机转速都非常准确,达到了设计要求。

4 结论

矿用转速测量仪研究 篇3

1 系统构成

本系统主要由发动机、转速传感器、信号采集系统和上位机软件四部分构成,系统结构见图1。发动机转动时,转速传感器采集曲轴转动信号,并输出24 V频率与转速成正比的方波信号。该信号一部分被输入至信号采集系统,一部分作为控制信号被输入到其它设备。信号采集系统将传感器输出的信号进行预处理,最后将数据发送至上位机。上位机软件实现信号的周期截取,同时完成信号的显示、处理、保存和回放的功能。

2 传感器安装及布置

系统中曲轴转速的确定和相位的鉴别都是依据转速脉冲信号的,因此需要合理地对转速传感器和感应器件进行布置。为了获得各个气缸中曲轴相位,将感应金属杆件安装在曲轴一端对应1号气缸连杆径的圆心处,传感器固定在发动机架上,与1号气缸轴线夹角为α,安装位置见图2。发动机每转动一圈,金属杆件经过传感器一次,传感器产生一个上升沿和一个下降沿。考虑发动机曲轴的转向和传感器的安装位置,气缸1的上止点位置应位于跳变沿中心向前偏移(180 -α )°处,其余各缸的曲轴相位便可根据发动机结构逐一确定。

3 信号采集系统

3.1 信号采集系统框图

信号采集系统以MC9S12XS单片机为核心,该芯片集成化程度高,配备16通道模数转换器、增强型捕捉计时器、I2 C总线和CAN总线等功能。其中增强型捕捉定时器可以测量外部事件发生的时间间隔并对外部实时事件进行响应,本系统中将其运用在转速脉冲信号频率的测量中。多通道的模数转换器可以保证采集系统实现对多路模拟量的实时同步采集,本系统中将其运用于多路振动信号的采集中。采集电路框图见图3。

3.2 转速采集模块信号调理电路

系统中转速传感器输出的是24 V方波,故转速采集模块需将24 V方波转换为5 V方波,以匹配单片机的工作电压。同时传感器输出的方波信号一部分被输入至采集系统,一部分作为控制信号输入到其它设备中。由于二者之间阻抗不匹配,造成了输入至采集系统的方波信号发生了偏移,即信号低电平大于0。图4描述了发生偏移的方波信号,如图可知输入至采集系统的方波低电平偏移为1.8V。当信号低电平发生过度偏移时,会造成系统无法正常识别方波信号而致使系统无法正确计算转速值,故要求信号调理电路有一定的容错能力,消除阻抗不匹配造成的信号偏移对系统的影响。因此在调理电路设计时采用了电压比较器和施密特触发反相器串联的方法。通过该方法对传感器的输出信号进行预处理,可以实现将发生一定偏移的方波信号转化为标准的5 V方波,提高了系统在复杂环境下的抗干扰能力。

调理电路原理图见图5,电压比较器选用的是LM393AN,施密特触 发反相器 选用的是SN54HC14D。电路工作原理为:24 V电压通过电阻3R1和3R2分压产生2.18 V参考电压,输入至电压比较器2管脚。脉冲输入端电压高于2管脚的参考电压(2.18 V)时,电压比较器1管脚为高阻态,芯片SN54HC14D的1管脚电压为5 V;脉冲输入端电压低于2管脚的参考电压(2.18 V)时,电压比较器1管脚输出低电平(0 V),芯片SN54HC14D的1管脚电压为0 V。可见该电路消除了输入方波信号的偏移量,可以对原始信号进行可靠的整形。

4 采集系统程序流程图

采集系统程序流程图见图6,系统上电复位进行初始化工作,初始化完成之后单片机开始进行数据采集,单片机每捕捉到外部脉冲的跳变沿,跳变沿计数加1,跳变沿标志位置位,同时计算曲轴转速。最后将脉冲标志位、转速值和采集到的其它模拟量写入数据缓存区,当单片机捕捉到跳变沿次数>50,即采集到发动机转动25圈时,采集系统将数据打包发送至上位机。

图7为转速计算子函数流程图,程序中数据更新标志位定义了主程序是否需要跳入转速计算子函数,捕获状态定义了当前是否有转速信号输入。如果有转速信号,则保存转速信号相邻两个上升沿之间的时间间隔,用于计算转速。若一定时间内捕获状态未被置位为“完成”则认为没有转速信号输入,即转速为零。

图8为中断函数流程图,中断函数实现外部脉冲事件的捕获,当连续采集到两次外部脉冲的上升沿时,数据更新标志位置位为“更新”,捕获状态标志位置位为“完成”,以保证主程序能够跳转至转速计算子函数。

5 上位机程序介绍

运用Lab View开发了上位机软件,软件界面见图9。软件界面中底部的波形图为采集系统采集到的实时数据。其中方波信号为采集到的转速信号,其余信号为超声传感器采集到的发动机振动信号。上位机软件根据转速脉冲信号的上升沿来截取原始信号,获得发动机一个完整工作循环的实时数据,并将截取完成的信号显示在顶部的波形图中,同时进行数据保存。为发动机故障诊断提供整周期的信号数据,以便后期的数据处理和分析。

6 结语

矿用转速测量仪研究 篇4

在高性能的电机调速系统中,转速反馈量的测量精度直接影响电机调速控制系统的性能。增量式光电编码器用于电机转速、位置检测,由于是数字信号,噪声容限大,容易实现高分辨率,检测精度高,提高了转速测量的可靠性。TMS320F2812DSP芯片的功耗低、指令执行周期短(6.67ns),是用于控制的高性能、多功能的32位定点芯片[1,2,3]。本文基于DSP2812,对三种电机测速方法进行分析并完成了软件设计实现和测试,并对实验结果进行了分析比较。

2 三种测速方法的原理及误差分析

2.1 M法测速

M法的原理是在一定时间T内检测编码器脉冲的个数M1,以计算这段时间内的平均转速。电机每转一圈光电编码器共产生Z个脉冲,通常电机转速以r/min为单位,则转速n的计算公式为:

假设测速时间为1ms,电机转速为580 r/min,则检测到的脉冲数应为39或40,M法计算出的电机转速为571 r/min与586 r/min,计算误差为-1.55%≤△e≤1.03%。若电机转速提高到1180 r/min,则检测到的脉冲数应为80或81,M法计算出的电机转速为1172 r/min与1187 r/min,计算误差为-0.68%≤△e≤0.59%。随着转速的提高,M法测速精度变高。M法测速原理如图1所示。

2.2 T法测速

T法的原理是在编码器一个输出脉冲的周期内,用一个计数器对已知频率为f0的高频时钟脉冲进行计数,并由此来计算转速。在T法测速中,准确的测速时间Tt是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的,即Tt=M2/f0,则转速n的计算公式为:

假设高频时钟为75 MHz,电机转速为580 r/min,则检测到的高频时钟脉冲数应为1894或1895,T法计算出的电机转速为580.1 r/min或579.7 r/min,则计算误差为-0.05%≤△e≤0.02%。若电机转速提高到1180 r/min,则检测到的脉冲数应为931或932,T法计算出的电机转速为1180.1r/min与1178.8 r/min,计算误差为-0.1%≤△e≤0.01%。随着转速的提高,T法测速精度变高低。T法测速原理如图2所示。

2.3 M/T法测速

M/T法的原理是将M法和T2法结合起来,既检测Tc时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1,又检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2,用于计算转速[4]。设高频时钟脉冲频率为f0,则准确的测速时间Tt=M2/f0,则转速n的计算公式为:

假设定时1ms,高频时钟为75MHz,电机转速为580 r/min,则检测到的编码脉冲数为40,高频时钟脉冲数为75767或75768,M/T法计算出的电机转速为580.006 r/min或579.998 r/min,则计算误差为△e≈0%。若电机转速提高到1180 r/min,则检测到的编码脉冲数为81,高频时钟脉冲数为75414或75415,M/T法计算出的电机转速为1180.01 r/min与1179.994 r/min,计算误差为△e≈0%。随着转速的提高,M/T法测速一直都有比较高的精度。M/T法测速原理如图3所示。

3 三种测速方法的DSP实现

3.1 M法测速

用DSP实现的方法就是运用定时器T1进行定时,捕获引脚定义为QEP电路,将光电编码器的A相、B相差分信号经降压滤波后接入DSP的QEP引脚,主程序中对EVA进行初始化[5]。设定TMS320F2812主频为150 MHz,则EVA的高速时钟频率为75 MHz,T1起定时作用,定时1ms,T1、T2的计数器清零,程序运行后QEP电路检测到的编码器的脉冲累加到T2CNT中,定时到后,进入周期中断子程序计算电机转速,子程序流程如图4所示。

3.2 T法测速

用DSP的实现方法就是运用定时器T1进行高速时钟脉冲的累加,捕获引脚定义为CAP捕获功能,将光电编码器的A相脉冲信号经滤波后接入DSP的CAP1引脚,主程序中对EVA进行初始化,设定DSP2812主频为150 MHz,则EVA的高速时钟频率为75 MHz,T1计数器清零,并累计高速时钟脉冲,并开启CAP1捕获中断,捕获两次编码脉冲上升沿后进入捕获中断子程序,捕获中断流程如图5所示。

3.3 M/T法测速

DSP的实现方法就是将光电编码器的A相、B相差分信号经滤波后同时接入DSP的两个事件管理器的捕获引脚,EVA的捕获引脚设为CAP电路,将编码器A相输出接到CAP1引脚,捕获单元CAP1检测脉冲上升沿,捕获T1高频时钟,FIFO的状态寄存器中的CAP1FIFO设为01,即捕获一次就进捕获中断。EVB的捕获引脚设为QEP电路，但只将 A 相接入 QEP3 引脚，B 相不接，即 QEP 时钟只有两倍频，定时器 T3 用作定时 1ms。 主程序中使能 CAP1 捕获中断，先不使能定时器T3，变量X1、X2用来存储编码脉冲的新值和旧 值，变量 Y1、Y2用来存储高频时钟脉冲的新值和 旧值，4 个变量初值为零。捕获到编码脉冲上升沿 后，在捕获中断里计算电机转速，第一次计算出 的转速值应丢弃，因为得出的 M1=X1-X2，M2=Y1 -Y2并不是准确值。捕获中断及周期中断流程如 图 6 所示。

4 实验研究

以TMS320F2812为主控制芯片搭建的实验平台上,在异步电机开环恒压频比控制程序中分别插入M法、T法、M/T法电机测速子程序,对所编写的程序进行了实验研究。当电机加额定负载,分别在低速、中速、高速3个阶段对三种电机转速算法做了实验测试,并得出了相应曲线。低速时电机实际转速为583 r/min,中速时电机实际转速为886 r/min,高速时电机实际转速为1181 r/min。转速曲线通过DSP串口发送到Delphi编写的上位机软件显示。

4.1 M法测速

M法在低速、中速、高速三种情况下测出的转速曲线如图7-9所示。

转速计算范围为571 r/min至600 r/min,转速计算误差为-2.06%≤△e≤2.92%。

转速计算范围为878 r/min至893 r/min,转速计算误差为-0.9%≤△e≤0.79%。

转速计算范围为1171 r/min至1186 r/min。转速计算误差为-0.85%≤△e≤0.42%。

由以上计算出的误差可以看出:随着电机转速的提高,M法的误差越来越小,测速精度也随之提高,所以M法适用于高速测速,实验结果与理论一致。

4.2 T法测速

T法在低速、中速、高速3种情况下测出的转速曲线如图10-12所示。

转速计算范围为583 r/min至585 r/min,转速计算误差为0%≤△e≤0.34%。

转速计算范围为884 r/min至889 r/min,转速计算误差为-0.23%≤△e≤0.34%。

转速计算范围为1178 r/min至1186 r/min,转速计算误差为-0.25%≤△e≤0.42%。

由以上计算出的误差可以看出:随着电机转速的提高,T法的误差越来越大,测速精度变低,所以T法适用于低速时测速,实验结果与理论一致。

4.3 M/T法测速

M法在低速、中速、高速三种情况下测出的转速曲线如图13-15所示。

转速计算范围为582-583 r/min,转速计算误差为-0.17%≤△e≤0%。

转速计算值为886 r/min,转速计算误差为△e=0%。

转速计算值为1181 r/min,转速计算误差为△e=0%。

由以上计算出的误差可以看出:无论电机处于低速、中速还是高速状态,M/T法测出的电机转速都是非常精确的,不受电机转速的影响,实验结果与理论一致。

5 结论

实验结果表明,用DSP2812实现M法的电机测速,虽然程序简单,占用系统资源少,但是速度计算值波动很大,速度误差较大,在闭环控制中对速度环的精确控制干扰较大。T法测速相对于M法测速精度有所提高,但在电机转速很低时,易出现高频时钟脉冲溢出问题,且进捕获中断次数较多,系统中其他中断易对捕获中断的准确使用造成影响,干扰电机的双闭环控制。M/T法算出的转速准确,且测速时间可根据系统所要求的速度环采样时间来确定,大大提高了系统的可靠性和稳定性,在电机伺服控制中可以广泛应用。

参考文献

[1]张刚,姬宣德.基于DSP控制器的M/T测速方法研究[J].甘肃科技,2008,24(14):55-56.

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[3]万山明.TMS320F281xDSP原理及应用实例[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.

矿用转速测量仪研究 篇5

随钻测量定向钻进具有轨迹可控、孔底回转、钻孔深度大等优点[1,2], 在国内外煤矿井下瓦斯抽采、 防治水、地质构造或异常体勘探中得到广泛应用。 矿用随钻测量系统作为煤矿井下随钻测量定向钻进的核心装备[3], 主要由2部分组成, 孔底仪器和孔口仪器。孔底仪器采用传感器组测量倾角、方位角和工具面向角, 再通过数据发送模块向孔口发送, 孔口仪器一般采用矿用防爆计算机通过数据接收模块接收孔底数据并计算、显示和保存 ( 图1) 。

矿用随钻测量系统中的数据传输技术是指孔底仪器与孔口仪器之间的数据发送和接收技术, 是矿用随钻测量系统的应用基础和关键技术, 直接关系到施工人员能否及时准确地获得孔底钻头参数。目前, 矿用随钻测量系统中已经应用的数据传输技术主要来源于对石油勘探行业在此方面的技术转化与改进, 以适应煤矿井下的工况条件和防爆要求, 具体包括有线数据传输、泥浆脉冲数据传输和电磁波数据传输。

2有线数据传输技术

有线数据传输技术[4,5]是指通过专用的通缆钻杆从孔底向孔口传输测量数据 ( 图2) , 孔底仪器由传感器组、电池筒和数据发送模块组成, 通信时将通缆钻杆当作同轴电缆, 钻杆中心导体作为信号线, 钻杆壁作为信号地, 采用RS485等模式通信。

在这种通信模式中, 孔底仪器工作时间受电池筒容量限制, 需不定时更换电池, 影响工作效率; 且RS485等通信模式下, 通信电流小, 受通缆钻杆接头处密封效果影响比较大。所以, 近几年矿用随钻测量系统中开始应用孔口供电形式的有线数据传输技术, 孔底仪器由孔口直接供电工作, 同时利用载波通信, 工作原理如图3所示。

从图3可以看出, VIN为孔口仪器电源输出, 通过通缆钻杆给孔底仪器供电, 孔底仪器发送数据时, 将测量数据编码成脉冲信号, 通过控制开关K的开合输出电压脉冲信号, 孔口仪器检测输出电源的压力变化得到脉冲信号, K打开时, 电压不变, K闭合时, 电压降低。发送脉冲信号过程中, 孔底仪器负载RL由DC—DC模块电源输出供电, DC—DC模块电源需选型宽电压输入定额输出产品, 且脉冲信号变化引起的电压变化在DC—DC模块额定输入范围以内, 否则将可能影响孔底仪器其他部分正常工作。

有线数据传输技术是目前矿用随钻测量系统中最成熟的数据传输技术, 系统稳定性高、通信速率高, 广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、防治水、地质构造或异常体勘探等定向钻进施工, 但由于其采用通缆钻杆进行通信, 造成施工成本高昂和通信效果受钻杆密封效果影响较大, 且通缆钻杆受自身结构限制, 相较于常规钻杆外壁薄、强度低、抗扭矩能力弱、 不适合复合钻进施工。

3泥浆脉冲数据传输技术

泥浆脉冲数据传输技术[6,7,8,9,10,11]是石油领域应用最广泛的无线数据传输方式, 包括3种传输形式: 正脉冲、负脉冲和连续脉冲。目前, 考虑到煤矿井下工况条件、配套钻具和工艺方法等方面的区别, 矿用产品中仅有采用正脉冲传输数据的泥浆脉冲随钻测量系统, 正脉冲传输具有仪器结构简单、信号稳定、工作可靠、技术成熟等优点。它的传输原理如图4所示, 测量数据按照特定的方式进行编码, 产生脉冲信号, 该脉冲信号通过电路转换控制阀门开关, 改变钻柱内泥浆的流通截面积。在阀门打开状态下, 钻柱内的泥浆可以顺利地从限流环通过; 在阀门闭合状态下, 泥浆流通截面积减小, 从而在钻柱内产生一个正的泥浆压力脉冲。孔内仪器控制着阀门打开或闭合状态的时间, 从而控制着脉冲的宽度和间隔。阀门与限流环之间的泥浆流通截面积决定着信号的强弱, 即脉冲幅度; 阀门的开合时间决定着信号周期, 即脉冲频率。所以, 可以通过选择阀门的外径和限流环的内径尺寸来控制脉冲幅度, 通过选择控制阀门的开合时间控制脉冲频率, 使之适用于不同孔径、 不同排量和不同孔深的工作环境。

泥浆脉冲数据传输技术以泥浆为通信介质, 利用压力波的脉冲, 通过编码—解码形式将孔底数据传输到孔口。其自身特性对传输效果有两方面影响:

( 1) 信号的干扰。产生干扰信号的原因主要包括泥浆泵、泥浆中的气泡量、活动钻具的影响等。要减少这些干扰因素的影响, 应当采取措施尽量使这些干扰因素的频率错开泥浆脉冲信号的传输频率。

( 2) 信号的延迟性。孔口与孔底压力信号存在一个延迟时间, 该时间是为钻杆中泥浆的传输时间, 即信号脉冲在钻杆中的传输时间, 也是仪器内阀门的动作时间。另外, 孔底仪器由于有活动机构存在, 将对系统稳定性产生影响, 长期使用时需定期检查脉冲阀门状态, 如有磨损变形需及时维护。

4电磁波数据传输技术

电磁波数据传输技术[12,13,14]主要是利用电磁波作为信号传输的媒介, 实现信号的传输。仪器工作方式如图5所示, 孔底仪器连接钻杆中绝缘节两端形成发射天线, 再将测量数据转换为电磁脉冲由此处发出; 孔口仪器分别连接钻杆后端及地层形成接收天线, 接收钻杆和地层中的电磁脉冲信号, 并进行解码、滤波等处理, 得到孔底测量数据。

电磁波数据传输速度快, 仪器结构简单, 可使用常规钻杆定向钻进, 但由于一部分信号需在地层中传播, 造成信号受地层影响较大, 尤其是不同的地层, 电阻率差异比较大, 造成数据传输效果不稳定。 另外, 电磁波数据传输还存在以下问题:

( 1) 地层中的信号衰减直接影响通信距离和速率。电磁波在地层中进行传播时, 受地层电阻率的影响很大。通常情况下, 地层电阻率越小, 信号的衰减就越严重。电磁波传输通道是一个开放式的通道, 电磁波在发射处向周围的无限空间辐射, 随着信号的吸收、衰减而逐渐减弱甚至消失。当达到一定深度时, 在孔口将难以检测到有效的电磁波信号。 而且, 电磁波信号脉冲频率也影响着地层中信号衰减速度, 脉冲频率越高, 信号衰减越快, 因此为了降低信号在地层中的衰减速度, 需降低脉冲频率, 即降低通信速率。

( 2) 受矿用电气设备防爆标准限制, 孔底仪器信号发出功率有一定上限, 且孔底电池容量有限, 不能无限制提高孔底仪器发射信号的功率, 所以必须尽可能提高孔底仪器电磁波的发射效率, 即通过调整发射天线结构使发射信号最大化。

( 3) 孔口仪器信号接收模块的抗干扰能力。由于从孔底传上来的电磁信号相当微弱, 为了防止钻机和其他电气设备产生的电磁干扰, 以及井下由震动、摩擦等在信号发射器中引起的电噪声, 必须在信号的结构上采取措施, 优化信号调制方式和信号接收模块中的解调模块, 提高接收信号抗干扰能力。

5应用效果分析

矿用随钻测量系统因采用不同的数据传输技术, 给系统使用钻具、测量时间、稳定性和测量深度等方面带来了不一样的应用效果 ( 表1) 。

矿用随钻测量系统在煤矿井下正常使用时, 按一个班平均50 m的进度计算, 一个班进行8 ~ 17次测量。1次调整工具面, 3种数据传输方式消耗的总时间差最大不超过35 min, 相对于数据传输不稳定可能造成的提钻、检修等后果, 损失要小得多。因此, 在比较3种数据传输技术的适用性时, 更看重系统的稳定性和可靠性。

经过参数比较明显可以看出, 有线数据传输系统稳定性高、实用效率高, 缺点是必须使用通缆钻杆进行钻进, 钻进成本高且不利于进行复合钻进; 泥浆脉冲传输距离远、速率低, 可复合钻进提高长深孔钻进效率, 但由于活动机构的存在, 长期使用中需注意仪器维护; 电磁波数据传输速率快, 可复合钻进提高中短孔钻进效率, 但传输距离有限、接收信号易受地层及周边设备电磁干扰, 对系统稳定性造成一定影响。

6结语

低功耗转速测量仪的设计 篇6

根据题目要求, 系统由测速和显示两大模块构成, 图1示出该系统的原理框图。

传感器模块的LC串联阻尼振荡电路的电感采用漆包线自制, 由于LC回路消耗功率非常少, 还有我们采用了低功耗的比较器LMV7255所以测速传感器的功耗非常低, 达到了题目要求的低功耗目的。数据处理与显示电路中的单片机的一个引脚输出一个频率为400HZ、占空比为1:10的脉冲信号, 在传感器端该信号一方面为LC振荡回路提供脉冲信号, 另一方面经整流滤波后作为比较器的电源。当有铜片靠近电感时LC回路阻尼振荡的波形幅度会大幅降低, 所以通过设定比较器的基准电压可以判断出是否有铜片靠近, 当没有铜片靠进时比较器会输出多个峰峰值超过1.5V的脉冲, 有铜片靠近时比较器会输出低电平。将测速传感器的LMV7255比较器的输出信号经数据处理与显示电路中的比较器比较后输入一个单稳态电路, 使得没有铜片靠近时从单稳态电路输出的总是为高电平, 有铜片靠近时输出低电平。然后通过测量有无铜片靠近时单稳态输出的脉冲周期即可得到圆盘的转速。圆盘的转速数据通过单片机处里后送往12864中文液晶显示器实时显示。测速传感器模块的功耗通过0.5欧电阻对单片机输出的脉冲进行取样, 再经过精确调整A/D的正负基准电压, 测出电阻两端的电压, 从而求出通过传感器模块的电流, 再求出传感器模块所消耗的功率, 同时送往中文液晶显示。

2. 理论分析与计算

2.1 低功耗设计分析

LC串联回路的功率为无功功率且采用该回路谐振产生的的阻尼振荡波的幅度变化判断有无圆盘靠近在电路上较容易实现, 根据计算出LC谐振的频率在400赫兹左右, 该传感器的核心部分是LC串联回路以及低功耗的LMV7255比较器。在LC串联回路之间接上由二极管1N4148、100k电阻、瓷介电容101组成的检波和再用电容682进行滤波, 由于经电容682之后电压比较低, 所以我们在LM7255的负输入段各加上了一个10K的电阻, 而且这样还降低了电路的功耗。传感器的电源直接有数据处理与显示电路中的单片机产生的脉冲经二极管1N4001整流后由电解电容3.3u F和瓷介电容104滤波后产生一个3.68V电压提供, 比较器的基准电压由与两个10K电阻串联的一个10K的电位器的输出端提供, 把比较器输出的信号再经RC电路滤波, 就得到一个矩形波。原理图如图2所示。

2.2 检测方法的理论分析与设计

没有铜片靠近时LC串联回路产生振幅较大的阻尼振荡波, 如图3 (a) 所示;当有铜片靠近线圈时, 由于阻尼振荡电路的电感量发生变化导致阻尼波的幅度减小, 如图3 (b) 所示

根据这个原理我们大概明确了测量圆盘转速的方向。通过示波器观察铜片靠近时阻尼波幅度的降低亮然后设置比较器的基准电压, 没有铜片靠近时比较器输出高电平, 如图3 (c) 所示;有铜片靠近时输出低电平, 如图3 (d) 所示。铜片距电感14mm时就可观察到阻尼波的幅度变化, 检测效果比较好。

3. 电路与程序设计

3.1 系统电路图

系统中设计的主要电路有测速模块和一个有芯片CD74HC123及外围电路组成的单稳态电路模块还有一个取样模块组成, 电路图如图2, 图4, A/D电路如图5所示。

转速测量仪主要有测速传感器、数据处理与显示电路两大模块构成, 其中测速模块负责当有无铜片靠近时输出高低电平送往数据处理与显示电路, 数据处理与显示电路中的单片机负责数据处理与向测速传感器提供电原以及系统数据的显示。系统工作流程如图6 (a) 所示, 其中中断的过程流程图如图6 (b) 所示, 开定时器程序如图6 (c) 所示。

4. 测试方案与测试结果

系统的调试过程共分为三大部分:硬件调试、软件调试和系统联机调试。

4.1 硬件调试

在用漆包线绕制一个符合LC串联回路谐振频率要求、振幅大、线圈直径在2.5cm左右并且在有铜片靠近时波形幅度变化明显的电感的过程中遇到了比较大的麻烦, 后来在绕制作过程中积累的经验发现要选择比较细的漆包线绕成的电感和在2500p左右瓷介电容组成的LC串联回路效果最好;还有在刚开始调试是我们采用的比价器是LM393所以导致测速传感器的功耗较大后面换上了LMV7255再在其输出端加上100K的上拉电阻, 使得电路的电流明显减小而电压基本不变从而使功耗明显降低;原本测速距离达不到10mm, 后来我们在用漆包线绕成的线圈中加入了磁芯, 这样使得测速距离提高到了14mm.在硬件调试过程中, 我们采用分模块分级调试的方法, 用示波器观察各输出端电压和波形, 先调试好各个小模块, 再把整个硬件电路联起来调。在调试过程中, 输出端电压, 波形不能达到预想的效果, 通过加入电位器调试, 进行各级电位器的调节, 慢慢得到好的波形此时输出的波形效果就很好了。

4.2 软件调试

软件调试过程还是比较顺利的, 主要在碰到单片机输出400脉冲电流太小导致比较器无法正常工作, 后来通过加入74LS240芯片后问题就解决了。

4.3 系统联调

在前面两步调试的基础上, 系统联机统调。主要检查系统的对应功能是否实现, 整机容错性设计等工作。由于我们在设计过程中分工明确、模块清晰, 所以我们在联调过程很少出现故障。

4.4 测试的方法

在测试中, 按照题目的要求进行测试, 调节圆盘与测速传感器的距离然后在示波器中观察经数据处理与显示电路中单稳态电路输出高低电平变化, 没有圆盘靠近时示波器显示高电平, 当有圆盘靠近时高电平翻转为低电平, 在示波器显示波形正常后将电路接入单片机通过中文液晶显示器测试。反应圆盘转速规律的曲线同样先由示波器测试然后再接入液晶。功耗先用万用表测得测速模块的输入电压和电流可得出, 然后该电流和电压由A/D模块转换送往液晶显示。

4.5 测试仪器

普通示波器 (型号:YB4325) 、数字万用表 (型号:HQ9205、VC9805A) 、DDS信号发生器 (型号:TFG2003)

4.6 测试数据完整性及波形

(1) 测速模块功耗测试:

测速模块功耗的测试数据如下表:

从实测数据可以看出, 系统的最大功耗Pc=0.158m W<0.2m W, 符合题目的基本要求以及发挥部分的要求。

(2) 可测速距离:

通过测试发现, 在圆盘距传感器2mm~14mm范围内可以正确显示圆盘工作的具体数据

(3) 可以实时显示圆盘转速数据和测速传感器功耗, 液晶显示屏幕如图7 (a) :

(4) 可以显示表示圆盘转速规律的曲线, 液晶显示屏幕如图7 (b) 所示:

(5) 系统增加了控制液晶背光亮灭的省电功能, 当有圆盘靠近时开液晶背光否则关背光。

5. 结束语

本系统最大的特点是充分利用输入方波LC串联回路能够产生阻尼振荡的特性, 又根据金属可以吸收电磁波的原理使得圆盘在距传感器一定的范围内传感器LC串联回路产生的阻尼振荡波的幅度都有明显的变化。还有该回路不消化功率的优点符合了题目的低功耗要求。圆盘全速转动时, 测速传感器功耗不超过0.2m W, 传感器感应距离达到14mm, 测量圆盘的转速, 测量误差的绝对值小于1%, 最后中文液晶显示器增加了休眠的功能减少了显示部分的功耗使得真个系统的设计更加人性化。

摘要：整个系统由测速传感器和数据处理与显示电路两部分组成。测速传感器由两路的LC串联阻尼振荡回路、整流电路、RC滤波电路及比较电路构成, LC阻尼振荡回路消耗很少功率, 比较电路由低功耗的LMV7255比较器实现, 实现测速传感器低功耗。数据处理与显示电路由单片机、比较电路和单稳态电路、中文液晶12864显示器等组成。测试结果表明设计达到题目要求。

关键词：转速测量仪,低功耗,LMV7255比较器

参考文献

[1]付晓光.单片机原理与实用技术.清华大学出版社, 北京交通大学出版社2008.1.1 ISBN:978-7-81082-169-8

基于单片机的无线转速测量仪设计 篇7

测量物体转速的方法很多,但多数比较复杂。其中非接触式数字转速测量仪[1]在测量过程中无需与被测物直接接触,没有机械磨损,工作灵活,在数字测量中越来越广泛应用。目前,可用于非接触式测量的传感器有很多,主要有光电传感器、磁电传感器、电容式传感器[2]等。本文以光电传感器为转速检测元件,以STC12C5410AD单片机为控制核心,通过无线接收模块,来实现无线转速测量。

2 转速测量基本原理

无接触式转速测量仪的基本检测机构如图1所示,在黑白相间的转盘上,装有两个反射式光电传感器A、B,用来检测转盘产生的脉冲及判断转动方向。当转盘旋转时,光电传感器发射的光在转盘的黑色部分不反射,输出高电平,而在白色部分则发生反射,输出低电平,传感器产生的脉冲信号经信号处理电路处理后,滤除干扰,得到理想的脉冲信号,通过单片机计算就能得到转盘的转速。传感器A主要用来测量转速,传感器B与传感器A产生的脉冲波形比较可以确定转盘的方向。

根据测周法原理,在一个被测脉周期内,计数时间基准脉冲数,就可以测出转动的频率及转速,为了提高测量的精度,减少误差,采用连续测量多个被测脉冲,然后求平均值,如图2所示,假设被测脉冲为k个,时间基准脉冲的频率为f,产生k个被测脉冲时的时间基准脉冲数为m,转盘每转一周产生的脉冲数为p,则转盘的转速计算公式为

只要合理确定f、k、p的值,并可得到较准确的转速。

3 系统总体框架

系统主要由转盘脉冲检测电路、信号处理电路、数据收发模块、液晶显示模块等组成,系统总体结构如图3所示。传感器检测到的信号经脉冲整形电路处理后送往单片机处理,单片机把处理好的数据信号通过无线发送模块发送出去,在接收端,单片机把无线接收模块接收的数据进行存储并送往液晶显示器显示。

4 各模块的硬件电路

4.1 STC12C5410AD单片机简介

STC12C5410AD单片机[3]是深圳宏晶科技生产的单时钟/周期(1T)的单片机,具有高速、低功耗、超强抗干扰的新一代5 1单片机,指令代码与传统5 1单片机完全兼容,但速度提高8-12倍,含有SPI同步通信接口和全双工串行通讯口。该单片机还集成了4路可编程计数器阵列PCA/PWM,该模块含有一个特殊的16位定时器,有4个1 6位的捕获/比较模块与之相连,可工作在上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉宽等模式,单片机最小系统电路如图4所示。

4.2 传感器电路

转盘的脉冲检测电路由两个反射式光电传感器ST178组成,该传感器[4]采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成,采用非接触方式,检测距离可在1-10mm范围内调整。电路如图5所示。从传感器采集到的脉冲信号杂波及干扰信号较多,经过电压比较器L M 3 3 9进行整形处理,从而得到稳定的脉冲信号。再送往单片机的P2.6和P2.7口,对输入的信号进行运算处理。调节R7、R8、R9、R10可调节传感器的灵敏度,使传感器工作在最佳状态。

4.3 无线数据收发模块

无线数据收发模块采用DF数据发射模块和DF超再生接收模块作为无线数据传输模块,D F数据发送接收模块的工作频率为315MHz,采用调幅通讯方式,传输距离可能达到几十米。该模块本身不带解码集成电路,可以和各种解码电路或者单片机配合,设计电路灵活方便。在本设计中,直接将D F数据发射模块的数据输入端与单片机的串口发送端TXD(P3.1)相连,DF超再生接收模块的数据输出端与单片机串口接收端RXD(P3.0)相连[5],单片机直接控制数据的发送和接收。

4.4 12864中文液晶显示模块

12864液晶显示模块是由128×64点阵组成,可显示各种字符及图形,可与单片机直接连接使用,该液晶显示器有2 0个管脚,采用8位并行数据接口,具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。该模块主要用于显示转速、转动方向和实时显示转速的波形。

为了减少对单片机I/O口的占用,使用单片机的SPI接口通过串入并出移位寄存器74LS164对液晶模块进行数据写入,电路原理图如图6所示。单片机P1.7口是SPI的串行时钟信号与74LS164的CLK相连,P1.5是单片机的串行数据输出口与74LS164的AB相连,电位器R 1用于调节液晶屏幕的对比度。

5 软件设计

5.1 转速测量模块

利用单片机PCA模块来检测脉冲信号,使PCA工作在上升沿捕获状态,连续两次捕获得到被测脉冲的上升沿,则两个脉冲之间的PCA计数值乘以一个时间基准脉冲的时间,就可算出被测脉冲的周期,若要得到连续的k(K一般取5~10)个被测脉冲,则可连续k+1次对被测脉冲的上升沿进行捕获,在捕获第1个被测脉冲上升沿时开始计数时间基准脉冲个数m根据转速公式可计算出转速n。

5.2 发送模块

发送端主程序流程图如图7所示,首先对串口、PCA捕获等进行初始化。在完成初始化工作后,进入循环等待状态,当发送标志位为“1”时,调用数据发送子程序发送数据并清零发送标志位。发送标志位由P C A溢出中断定时置“1”。

数据的发送采用单片机的定时器中断方式,每隔一段时间定时将原先储存在单片机内的转速及方向数据通过单片机串口传送至无线发送模块。

PCA计数器的计数脉冲初始化为内部时钟的1/12,使用的晶振为1 2 M H z,所以计数器的计时频率为1 M H z,每计数一次耗时1 0-6秒,计数器溢出一次耗时65536×10-6秒,即65.536毫秒。溢出15次耗时约为1秒,此时,发送标志位置“1”。发送端P C A中断流程图如图8所示。

单片机通过无线收发模块传送数据,为了保证数据传输的准确性,必须设定数据传输协议。本设计只要求数据的单向传输,只要定义较为简单的通讯协议,并可实现通讯,其通信数据帧格式如表1所示。

其中,0xbb为数据包的起始码,当主机接收到该起始码后将其后的direct(转动方向)、speed_high(转速的高8位),speed_low(转速的低8位)储存在RAM里。因为无线收发模块收发的第一个字节通常会错误,所以在起始码前加上一个字节0xaa后发送,在接收时将第一个字节丢弃,判断第二个字节是否为起始码。

数据包发送子程序如下:

5.3 接收模块

主程序负责初始化工作和数据的接收并显示。初始化包括串口、SPI口和液晶模块。初始化完成后进入主循环,主循环内通过查询方式接收数据并控制液晶模块显示转速,方向和转速波形。程序流程如图9。

6 结束语

系统采用单片机、光电传感器、无线模块等实现无接触无线转速测量,经过实验测试,在接收端能实时显示转盘的运行情况,系统结构简单、适用,具有良好的稳定性,如果对无线收发模块进行进一步改进,可实现多点远距离转速测量,可应用于环境恶劣或较危险场合的转速测量及控制。

摘要：测量转速的方法很多,但多数比较复杂,而无接触式转速测量仪在测量过程中无需与被测物直接接触,无机械磨损,对被测物的影响小,应用广泛。本文分析了转速测量的基本原理,提出了系统总体设计方案,以光电传感器为转速检测元件,以STC12C5410AD单片机为控制核心,通过无线接收模块,实现无线转速的测量,给出相关硬件电路及软件设计思路。

关键词：单片机,无线,转速,测量仪

参考文献

[1]叶菁,钱大鼎.多功能转速测量仪的研制[J].自动化仪表,2008(12):41-43.

[2]肖亚彬,张海燕等.现代印刷滚筒转速测试仪[J].仪器仪表用户,2005(3):25-26.

[3]陈桂友,柴远斌.单片机应用技术[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4]何勇,王生泽.光电传感器及其应用[M].北京:化学工业出版社,2004.