高速轉(zhuǎn)輪的速度與穩(wěn)定性測量系統(tǒng)設(shè)計

劉百超

(信陽師范學(xué)院 物理電子工程學(xué)院，河南 信陽 464000)

0 引言

高速生產(chǎn)的工業(yè)機器，通常由精確的檢測系統(tǒng)[1-2]來控制機器自動校準(zhǔn)。大部分工控是通過光電檢測[3]或傳感器檢測[4-5]，檢測產(chǎn)品合格參數(shù)，反饋機器調(diào)整精度，這種檢測電路成本較高，響應(yīng)速度較慢。在高速行駛的交通方面，大多是用GPS檢測速度[6]。車輛行駛速度是利用GPS獲取地圖路標(biāo)信息與時間來計算速度[7]；車輛穩(wěn)定檢測也有GPS與轉(zhuǎn)角檢測分析[8-9]。這些檢測和控制方式依賴于通信設(shè)施，還有信號的強弱。一旦通信設(shè)備不好，或信號較弱時，這些檢測和控制效果較差。另外，這種檢測和控制方式，要有高精度的檢測設(shè)備和較好的響應(yīng)速度。

為了精準(zhǔn)測量和實時控制高速轉(zhuǎn)輪的速度和穩(wěn)定性，同時不受傳輸速度和環(huán)境的影響，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種高速轉(zhuǎn)輪的速度與穩(wěn)定性測量系統(tǒng)。采用兩種類別的霍爾傳感器對稱安裝，做到了即能檢測速度，又能檢測轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定度；設(shè)計中，將電路的響應(yīng)速度適配傳感器采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了測試低速的霍爾傳感器精確測量高速轉(zhuǎn)輪的速度。

1 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，將磁信號轉(zhuǎn)化為電信號。該設(shè)計是將高速轉(zhuǎn)輪合適的位置放置一塊強磁體，通過霍爾傳感器非接觸式測量磁信號，轉(zhuǎn)換成電信號。為了精確測試高速轉(zhuǎn)輪的速度和穩(wěn)定性，給系統(tǒng)選擇了兩個類型的傳感器，分別測試速度和穩(wěn)定性。這兩路信號經(jīng)過放大處理后，經(jīng)PLC控制器，控制與人機界面接口，人機控制電路用觸摸屏，直觀界面，便于直接實施控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 The system structure diagram

在圖1中，一路傳感器是測試高速轉(zhuǎn)輪的速度，經(jīng)濾波放大處理；另一路由不同的傳感器測試高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性，經(jīng)濾波放大器處理。兩路信號由一個PLC控制器件控制轉(zhuǎn)換，送人機接口；由觸摸屏中心控制器，直接實施發(fā)出控制要求，通過PLC控制器控制測速和測穩(wěn)定性。兩路測試電路分別測試、電路明晰、維修方便。

該設(shè)計方案的優(yōu)點，一是將常應(yīng)用于低速測試的霍爾傳感器經(jīng)過電路處理，應(yīng)用到高速的檢測，其效果性能良好；二是采用了非接觸式檢測，沒有破壞性，檢測精度高；三是整體電路成本低。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

利用霍爾傳感器檢測磁場強度的變化，將磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，分別用兩類霍爾傳感器測試速度和穩(wěn)定性，將電信號經(jīng)過放大處理，得到高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性和速度信息。

2.1 高速轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性檢測電路

系統(tǒng)中應(yīng)用一個零感應(yīng)定值輸出霍爾傳感器(型號為HW-322B)來測試高速旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，測穩(wěn)電路如圖2所示。傳感器HW-322B感應(yīng)輪緣的強磁體信號，當(dāng)輪緣不穩(wěn)定偏離時，傳感器感應(yīng)輸出電壓發(fā)生變化，利用電壓變化量計算，可以得到其不穩(wěn)定性，立即報警，或輸出到控制電路調(diào)整。該電路感應(yīng)電壓信號經(jīng)放大、電平轉(zhuǎn)換送至PLC控制，在觸摸屏上顯示計算測試值。傳感器在安裝時，經(jīng)過垂直、水平校準(zhǔn)，保持與車輪平行，排除了系統(tǒng)本身帶來的誤差。

圖2 穩(wěn)定性采集處理電路Fig. 2 The circuit of Stability acquisition and processing

2.2 高速轉(zhuǎn)輪的速度檢測電路

選用霍爾傳感器的另一類零感應(yīng)零輸出霍爾傳感器(YS49E-A/B)，速度檢測電路如圖3所示。

圖3 速度采集電路Fig. 3 The circuit of speed acquisition and processing

傳感器是零輸出霍爾傳感器，其輸出電壓經(jīng)放大輸出，相當(dāng)于數(shù)字信號，車輪旋轉(zhuǎn)1周計1個脈沖信號，利用脈沖信號的間距來計時高速轉(zhuǎn)輪的速度。此傳感器輸出的弱信號，送至UIA(TLV2252)雙路低壓運算放大器，將電信號放大整形，接PLC控制器，連接觸摸屏顯示器，顯示測試信號，實施直接控制，或發(fā)出報警信號，并顯示測試值。

2.3 整體電路

采用非接觸式傳感器檢測，經(jīng)運算放大器放大弱電信號，用電平轉(zhuǎn)換電路，保證了信號抗干擾。整體電路分兩路檢測，一路檢測高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性，一路檢測高速轉(zhuǎn)輪的速度，用常用的霍爾傳感器完成了兩路的精確檢測。將此信號送至PLC控制器，PLC控制器選用TM200C16T，應(yīng)用Modicon TM3模擬量I/O 擴展模塊，直接實現(xiàn)對檢測信號的控制，與觸摸屏顯示器相連，顯示測試信號，經(jīng)過編程，在屏幕顯示高速轉(zhuǎn)輪的速度和偏移量。大于一定偏移量，直接報警。

3 實驗結(jié)果

基于以上系統(tǒng)設(shè)計，在實驗室進行模擬仿真實驗，如圖4所示。

圖4 高速轉(zhuǎn)輪測試系統(tǒng)模擬裝置Fig. 4 The simulating system of high-speed wheel and stability’s measurement

在圖4中，用電機帶動一個高速轉(zhuǎn)輪，高速轉(zhuǎn)輪輪緣裝有磁鐵。在旁邊電路板上裝上兩個不同的霍爾傳感器；一個測試高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性，一個測試高速轉(zhuǎn)輪的速度。這里將信號處理電路直接做在電路板上。信號處理電路與控制器PLC、觸摸屏顯示器相連。

3.1 高速轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性測量

高速轉(zhuǎn)輪的最大偏轉(zhuǎn)角計算?；￠Ll=0.60 cm，半徑r=30 cm；根據(jù)l=θr，可算出θ=1.14°(θ為車輪抖動時偏離原本數(shù)值平面的偏轉(zhuǎn)角)，即當(dāng)半徑r=0.3 m的車輪發(fā)生抖動時，若θ偏轉(zhuǎn)角超過1.14°時，將視為強抖動，將會引發(fā)報警器報警。這里的報警信號可以在程序中設(shè)計，符合穩(wěn)定性規(guī)定，即此抖動在安全狀態(tài)下。系統(tǒng)經(jīng)過測試，其穩(wěn)定性與輸出電壓的關(guān)系如圖5所示。圖5表示磁性傳感器測得的磁感應(yīng)強度與輸出電壓的關(guān)系，經(jīng)過擬合，輸出電壓與磁感應(yīng)強度為U=6B。

圖5 HW-322B霍爾元件輸出電壓與磁感應(yīng)強度的關(guān)系圖Fig. 5 The diagram of output voltage of HW-322B

車輪高速旋轉(zhuǎn)時，車輪偏離磁性傳感器的距離，傳感器所測得的電壓值。強磁鐵磁感應(yīng)強度B與X的關(guān)系為[10]：

(1)

式中：X為霍爾傳感器到強磁鐵中心的距離，L為強磁鐵的厚度(這里選用L=0.27 cm，B0=92 mT)。根據(jù)測試結(jié)果，報警位置結(jié)果如表1。在表1中，當(dāng)車輪起始位置0.92 cm，根據(jù)公式(1)，計算得到磁感應(yīng)強度B1為1.5 mT；當(dāng)車輪偏離0.32 cm時，根據(jù)公式(1)，計算得到磁感應(yīng)強度B2為8.1 mT；這時B=B2-B1=6.6 mT。輸出電壓的變化量U=6B=39.6 mV時，電路報警，提示車輪偏離。

表1 穩(wěn)定性測試結(jié)果Fig. 1 The results of the stability test

在電路程序中，輸出電壓變化量大于預(yù)設(shè)值35 mV時，聲光報警系統(tǒng)將發(fā)出報警。由以上數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)霍爾傳感器與強磁鐵中心距離(起始位置-偏離位置)大于0.6 cm時，輸出電壓的變化量為39.6 mV，大于預(yù)設(shè)值35 mV，此時聲光報警系統(tǒng)報警。表明高速轉(zhuǎn)輪發(fā)生抖動，且偏轉(zhuǎn)角大于1.14°，使得報警器報警。此電路精確測了出高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性參數(shù)。

3.2 高速轉(zhuǎn)輪速度的測量

如圖4中的模擬裝置，電動機旋轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)輪，傳感器YS49E-A/B測試轉(zhuǎn)輪速度，顯示屏顯示轉(zhuǎn)速值。該系統(tǒng)以ω=32 rad/s旋轉(zhuǎn)，觸摸屏顯示速度值如表2所示。

表2 速度測試結(jié)果Fig. 2 The results of velocity test

在表2中，顯示了測試速度的10個結(jié)果。依據(jù)結(jié)果求平均值和系統(tǒng)誤差，得出系統(tǒng)穩(wěn)定性。

平均誤差為：

相對誤差為：Δb=0.1 rad/s,

在上述實驗?zāi)M系統(tǒng)中，取r=0.3 m，轉(zhuǎn)速加大，當(dāng)ω≤100 rad/s時，系統(tǒng)測試準(zhǔn)確，當(dāng)ω>100 rad/s時，系統(tǒng)不穩(wěn)定，誤差較大；當(dāng)轉(zhuǎn)輪半徑r=0.5 m，轉(zhuǎn)速≤6 000 km/h時，其測試結(jié)果仍在系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)，測量結(jié)果精確。該設(shè)計能很好完成高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性和速度的測試，顯示結(jié)果正常，控制良好。該系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，不受環(huán)境影響；響應(yīng)速度快，較GPS檢測成本低。這里用便捷式PLC控制，也可用單片機控制，這樣可以縮小體積，攜帶、安裝方便。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了高速轉(zhuǎn)輪的速度和穩(wěn)定性檢測系統(tǒng)。經(jīng)試驗測試表明，該系統(tǒng)可以精確測量轉(zhuǎn)輪為100 rad/s以上的速度，轉(zhuǎn)輪半徑為0.5 m時，可以為轉(zhuǎn)速6 000 km/h的轉(zhuǎn)輪提供精確測量；高速轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性測試，可以測試偏轉(zhuǎn)角θ≤1.14°，能夠準(zhǔn)確提供報警信號。該設(shè)計體積小、能耗低、成本低，適合開發(fā)安裝。該設(shè)計思想適合應(yīng)用于工業(yè)控制，或車輛的檢測，這將對高速轉(zhuǎn)輪穩(wěn)定性和速度的檢測控制有著重要意義。