В качестве датчиков частоты вращения в системах автоматики применяют тахогенераторы - маломощные электрические машины постоянного и переменного тока. Для преобразования частоты вращения электродвигателей в напряжение применяют тахометрические мосты.
Тахогенераторы постоянного тока
Тахогенераторы постоянного тока в зависимости от способа возбуждения выполняют двух типов: магнитоэлектрические (возбуждаемые от постоянных магнитов) и электромагнитные (возбуждаемые от специальной обмотки) (рис. 1 а, б).
Напряжение на выходе тахогенератора при постоянном потоке возбуждения U вых = Е - IR я = Сеω - IR я
где Се = (U я - I яR я)/ω - постоянная машины, определяется из паспортных данных.
На холостом ходу (I
=0) напряжение U
вых = Е = Сеω
. Следовательно, статическая характеристика тахогенератора U
вых = f
(ω)
при холостом ходе линейна,
так как Се = const (прямая I, рис. 1, в).
Рис. 1. Датчики частоты вращения (тахометрические генераторы постоянного тока): а) с возбуждением от постоянных магнитов, б) с электромагнитным возбуждением, в) статическая характеристика
При нагрузке статическая характеристика становится нелинейной (кривая 2). изменяется ее наклон, что является следствием реакции якоря и падения напряжения в обмотке якоря тахогенератора. В реальных тахогенераторах возникает падение напряжения на щетках, что приводит к появлению юны нечувствительности (кривая 3).
Для уменьшения искажения статических характеристик тахогенераторов используют при небольших нагрузках (I н = 0,01 - 0,02 А). Ток в цепи якоря I я = Е/(R я + R н), а выходное напряжение U вых = Е - IR я = Сеω - IR я.
Тахогенераторы постоянного тока широко применяются в автоматических системах регулирования электроприводов в качестве датчиков частоты вращения. Их достоинства - малая инерционности высокая точность, малые габариты и масса, а для магнитоэлектрических тахогенераторов еще и отсутствие источника питания. Недостаток - наличие коллектора со щетками.
Тахогенераторы переменного тока
Синхронные тахогенераторы - однофазная синхронная машина с ротором в виде постоянного магнита (рис. 2, а), У синхронных тахогенераторов с изменением угловой скорости вместе с амплитудой изменяется и частота выходного напряжения. Статические характеристики нелинейны. В динамической отношении синхронные тахогенераторы являются безинерционными элементами.
Асинхронный тахогенератор - это двухфазная асинхронная машина с полый немагнитным ротором (рис. 2, б). На статоре асинхронного тахогенератора размещаются две сдвинутые на 90 обмотки (возбуждения ОВ и генератора ОГ). Обмотка ОВ подключается к источнику переменного тока.
Рис. 2. Тахомерические генераторы переменного тока: а - синхронный, б - асинхронный
В обмотке OГ, являющейся выходной, при вращении ротора наводятся э.д.с. трансформации и вращения. Под действием э.д.с. вращения на выходе тахогенератора возникает напряжение U вых.
Статическая характеристика асинхронного тахогенератора также нелинейна. При изменении вращения ротора фаза выходного напряжения изменяется на 180°.
Асинхронные тахогенераторы используют как датчики угловой скорости, частоты вращения и ускорений. В последнем случае обмотка возбуждения асинхронного тахогенератора подключается к источнику постоянного тока.
Достоинства асинхронных тахогенераторов - надежность, малая инерционность. Недостатки - наличие на выходе остаточной э.д.с. при неподвижном роторе, относительно большие габариты.
Тахометрические мосты
Тахометрические мосты постоянного и переменного тока применяют в системах автоматики для создания обратной связи но частоте вращения электрических двигателей. Это позволяет упростить систему, так как отпадает необходимость в дополнительной электрической машине - тахогенераторе. При этом уменьшаются статические и динамические нагрузки на исполнительный двигатель.
Тахометрический мост постоянного тока представляет собой специальную мостовую схему (рис. 3, а), в одно из плеч которой включен якорь двигателя R я, а в другие - резисторы R1 , R2 , R п. К диагонали аb моста подводится напряжение сети U, питающее якорь двигателя, а с диагонали cd снимается напряжение U выхпропорциональное угловой скорости ω.
Недавно возникла острая необходимость определить приблизительную частоту вращения электродвигателя от старой стиральной машины. Собирать из-за одного измерения стробоскоп было неразумно. Немного подумав, в голову пришла довольно простая идея с использованием датчика Холла.
Суть идеи измерения частоты вращения электродвигателя
На шкив двигателя крепим постоянный магнит, напротив магнита помещаем датчик Холла, выход датчика Холла подключаем к линейному входу звуковой карты компьютера. Возникающий сигнал в датчике при попадании его в магнитное поле постоянного магнита записываем программой звуковой редактор (я использовал программу Nero Wave Editor из комплекта Nero6).
Затем из записанного фрагмента выбираем промежуток в одну секунду и подсчитываем количество импульсов, после чего умножаем на 60 и получаем количество оборотов двигателя в минуту.
В качестве был использован аналоговый SS495A. Магнит был прикреплен несколькими оборотами изоленты. Желательно чтобы расстояние между датчиком и магнитом было минимальным.
.
Радиолюбительский зуд не давал покоя - захотелось иметь на станочке показометр оборотов. Вариант с оптическим энкодером показался слишком сложным. Датчика холла, который применяется во всех автомобилях, не было под рукой. И тут на одном форуме подкинули идейку - попробовать ИК сенсор. Как раз без дела лежал ИК датчик препятствий, который не знал куда применить. Решил его попробовать - результат под катом.
Данный модуль применяется в основном в ардуинщиками в роботостроительстве как ИК датчик препятствия. Представляет маленькую очень бюджетную платку (особенно если покупать партиями штук по 10)
Схема у этого сенсора очень простая
В основе лежит ИК пара диод-транзистор. Что вроде L-53P3C/L-53F3C работающие в диапазоне 940нм
Компаратор LM393 сравнивает уровень фоторанзистора с уровнем, выставляемым подстроечным резистором.
Подцепил к валу шпинделя кусочек фольги, поднес сенсор к валу, покрутил подстроечник - модуль стал моргать светодиодом в так вращения.
Поковырявшись в своей барахолке нашел и
Максимальная скорость вращения у мотора 12000RPM и лучше было бы применить 5-разрядный индикатор, но будем работать с чем имеем
Накидал такую схему
Порядок подключения выводов индикатора к микроконтроллеру значения не имеет (так как настраивается в программе) и обусловлен исключительно из удобства проектирования печатной платы
«Квадратный» дизайн платы потому что на данном этапе я осваивал изготовление печатных плат на станке ЧПУ
Закругленные полигоны сложнее, а главное, дольше выбирать гравировкой.
Основным достоинством изготовления плат на станке является то, что весь процесс происходит не отрывая зада от кресла. С покупкой ламинатора я отказался от этого метода, оставив для станка сверление отверстий и обрезку плат.
Итак гравируем, сверлим, режем
И вот можно отлаживать готовую плату
Сразу делаю корпус из обрезков ПВХ пластика
Для работы индикатора применяется , позволяющая подключать индикатор к каким угодно выводам МК, применять индикаторы как с общим катодом, так и анодом да еще и яркостью управлять.
Для измерения частоты попробовал . МК с ней отлично мерит сигнал с генератора от 10 до 200Гц (а больше мне и не нужно)
А вот когда на вход контроллера подал с сигнал с сенсора, результат получился плачевным.
Частота прыгала как ненормальная. Виной этому оказался «дребезг» сигнала с оптического датчика. Фольга давала массу помех. Попытка настроить сигнал подстроечником или заменить кусочек фольки на другой не дали ощутимого результата.
Тогда я решил давить «дребезг» программно. Осциллограф показал, что помехами являются импульсы в 0.3 - 1 мкс, тогда как сигнал - это импульсы 5мс (При частоте 12000RPM) и больше.
В результате родилась такая программка с подавлением помех длительностью менее 2мкс
// Библиотека работы с 7-сегментным индикатором
// https://github.com/sparkfun/SevSeg
#include
Программа показала 100% результат с тестового генератора. При включенном моторе с сенсора показывались стабильные обороты, которые хорошо коррелировали с режимом работы мотора. На том и остановимчя
Еще одна проблема нартсовалась при выборе места установки счетчика на станок.
В длинных проводах наводились сильные помехи от мотора и БП и индикатор, отлично работавший «на коленках» никак не хотел работать на станке. В результате смонтировал контроллер в непосредственной близости от сенсора и запитал его через импульсный DC-DC преобразователь от 24В. (Напряжения для шаговиков, подсветки, вентиляторов охлаждения).
Так мой новый станочек обзавелся счетчиком оборотов шпинделя. индикаторы К слову, данный измеритель должен практически без изменения схемы и программы заработать и с «кошерным» датчиком холла и магнитиком на валу.
Пока собирал станок, приехали 5-ти разрядные индикаторы. Хотел переделать измеритель скорости вращения на них с более компактным Atmega8 в TQFP32. Но потом решил, что лучшее - враг хорошего.
ПодробностиНа 6 цилиндровых двигателях в дополнении к датчику Холла установили датчик коленвала (датчик момента зажигания) и датчик частоты вращения двигателя . Эти два датчика являются индуктивными и работают на одном принципе. Датчик частоты вращения двигателя устроен следующим образом: внутри датчика находится катушка индуктивности и постоянный магнит. Датчик работает совместно с зубцами на маховике.
Рис 1 – Датчик частоты вращения и маховик.
Каждый раз, когда рядом с датчиком проходит зубец, магнитное поле постоянного магнита изменяется, тем самым вырабатывая слабый импульс. Но этих импульсов достаточно для блока управления , которые он воспринимает как необходимые сигналы.
Датчик частоты вращения расположен в районе маховика, недалеко от датчика момента зажигания, только слегка повыше. У меня сверху прикрыт железным чехлом, который крепится теми же двумя болтами, что и держатель самого датчика частоты вращения.
Рис 2 – Датчик частоты вращения с защитным чехлом.
Рис 3 – Датчик частоты вращения без защитного чехла.
В руководстве написано, что при замене датчика частоты вращения строго не рекомендуется трогать держатель, так как он калибруется на заводе специальным оборудованием, откручивать можно только сам датчик. Он крепится к держателю также как и датчик момента зажигания к блоку цилиндров одним болтом под ключ на 10. В моем случае, что бы увидеть сам датчик мне пришлось открутить болты крепления железного чехла, а болты крепления с держателем как оказалось у них общие. Выкрутив 2 болта и потянув чехол, у меня выпал и сам датчик с держателем.
Рис 4 – Снятый датчик частоты вращения с держателем.
После обратной установки ничего не калибровал, все работает как прежде.
Для проверки, датчик не обязательно снимать, его разъем находится на задней стенке моторного отсека. Второй разъем с края серого цвета.
Рис 5 – Разъем датчика частоты вращения коленчатого вала.
Проверяется он аналогично датчику момента зажигания, недаром, где то я встречал, что они взаимозаменяемые. Отличие лишь составляет окраска разъемов.
Рис 6 – Клеммы разъема датчика частоты вращения коленчатого вала.
Снимаем штекер и мерим сопротивление на клеммах 1-2. У рабочего датчика сопротивление должно быть примерно 1 кОм. 3 клемма это оплетка от помех. Поэтому нужно также прозвонить клеммы 1 и 2 относительно 3. Сопротивление должно быть - бесконечность. В противном случае датчик не исправен.
Если у вас возникли вопросы или имеются предложения по данной статье. Добро пожаловать на
Понадобилось на работе контролировать обороты двигателя. Решили использовать датчик Холла. На муфту установленную на валу двигателя приклеили пару неодимовых магнитов. Для датчика Холла сделали схему на компараторе, чтобы фиксировать моменты прохождения магнита напротив датчика. Схема приведена на рис.1
Рис. 1 Принципиальная схема тахометра
Описание работы
Датчик Холла AHSS49 на каждый проход магнита, закрепленного на валу двигателя формирует импульс амплитудой около 1 вольта, со смещением относительно земляной шины на +2,5 В.
Полученный сигнал поступает на вход компаратора IC1 LM311, который формирует управляющие импульсы для выходной опто-развязки OC1 PC817, выход которой присоединяется ко входу контроллера, подтянутому через сопротивление 1-2 кОм к питанию контроллера. В промышленных контроллерах, такие резисторы предустановлены и требуется только конфигурирование входных цепей. Порог срабатывания компаратора IC1 настроен на напряжение 2,6 В. Настраивая компаратор на более высокое напряжение можно получить более узкие импульсы на выходе - это связано с тем, что импульсы на выходе датчика Холла имеют форму близкую к треугольной.
Конденсаторы С1, С2 предназначены для снижения импульсных помех и исключения ложных срабатываний компаратора.
Схема была смакетирована на самодельной монтажной плате см. рис.2 Для публикации была подготовлена разводка печатной платы см. Приложения к статье.
Рис.2 Макет схемы усиления сигнала датчика Холла
Установка датчика около муфты вала двигателя см.рис.3 Датчик Холла был установлен таким образом, чтоб при прохождении магнитов установленных на муфте они оказывались на расстоянии пимерно 5 мм напротив датчика Холла. При установке на валу двух магнитов результирующая частота на выходе платы удваивается. При установке 4 магнитов возрастает в 4 раза. Большее число магнитов устанавливается для подсчета частоты вращения низко-оборотных двигателей. Соответственно, при измерении частоты вращения двигателя результат делится на число магнитов установленных на валу двигателя.
Рис.3 Установка датчика на кронштейне вблизи муфты на валу двигателя
Выход тахометра может быть организован несколькими способами в зависимости от решаемых задач
Схема приведенная на рис. 1 при работе с промышленными контроллерами может не дать устойчивого срабатывания на каждый импульс поскольку 2 p-n перехода опто-развязки PC817 при полном открытии будут давать падение напряжения около 1 В. И, в этом случае, дискретные входы пром.контроллера выполненные на КМОП микросхемах будут срабатывать неустойчиво, в этом случае имеет смысл реализовать схему выхода на полевом N-канальном транзисторе. Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе приведен на рис.4 . Для управления полевым транзистором пришлось задействовать дополнительный вход контроллера (клемма Х1). В случае если входов контроллера для этого не хватает, можно использовать дополнительный источник питания + 5В, подключив его к клемме Х1. Рабочий вход (клемма Х2) замыкается полевым транзистором и сформированные импульсы поступают на вход контроллера Х2.
Рис.4 Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе с дополнительной гальванической развязкой
Если дополнительная гальваническая развязка выхода не нужна, можно использовать схему рис.5
Рис.5 Вариант схемы с выходом на полевом N-канальном транзисторе без дополнительной опторазвязки
Рис. 6 Осциллограмма выходного сигнала для варианта схемы см. рис. 4
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VB1 | Датчик Холла | AHSS49 | 1 | В блокнот | ||
| IC1 | Компаратор | LM311 | 1 | В блокнот | ||
| OC1 | Оптопара | PC817 | 1 | В блокнот | ||
| R1, R3, R5 | Резистор | 1 кОм | 3 | В блокнот | ||
| R2, R4 | Резистор |
