【报告】北航仪器光电综合实验报告电机测速及磁悬浮实验
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2012/4/13
【关键字】报告
光电编码盘测量电机转速实验报告
实验时间:2012年4月13日星期五
(一)实验目的:
1.了解光电编码盘的组成和工作原理;
2.掌握增量式光电编码盘的使用方法。
(二)实验内容:
1.了解绝对式光电码盘的工作原理,使用方法和如何提高绝对式光电码盘分辨率的措施;
2.了解增量式光电码盘的原理,学习其使用方法,利用电路板、光电码盘、示波器等设备观察光电码盘的输出波形,并实现码盘测速;了解增量式光电编码器
的辨向电路原理并用实验验证。
(三)实验仪器:
实验设备主要有电机和码盘实验装置组成,如图5所示。其它实验仪器包括:可调直流电源1台、万用表1个、双踪示波器1台、实验板(学生自搭建)1个,74LS74和74LS08
芯片各1片,导线若干。
(四)实验步骤:
1.用74LS74(双上升沿D触发器)和74LS08(四——二输入与门)及导线搭建辨向
电路和计数脉冲电路;
2.调整可调直流电源输出的电压在0∼20V之间,用万用表标定;
3.连接电源输出到永磁直流电机(连线时关闭电源);
4.检查光电码盘的电源供电、辨向电路和与门连接是否正确(光电编码盘引线定
义:白色线—— +5V电源,黑色线—— 电源和信号的公共地,红色线——A相
输出,绿色线—— B相输出,黄色线——C相输出);
5.电源上电(先给光电码盘供电,再给电机供电);
6.用示波器观测码盘输出信号的波形;
7.测量码盘输出脉冲的频率,计算电机的转速;
8.更换电机供电电压值,重复2∼7;
9.数据处理,绘制电压与电机转速之间的实验曲线;
10.撰写实验报告。
(五)实验数据记录:
a)实测的输入电压和输出频率对应表;
*频率1、2、3组单位:kHz
b)输入电压与转速的关系曲线
(六) 实验小结及思考题:
1.通过电路方法提高测量精度:
实验中使用的增量式光电码盘主要参数如下:
LEC-102.4BM-G05E型增量式光电码盘:电源电压:直流5V,每转输出脉冲数1024
实验中主要用到了D触发器和与非门,通过与非门获得的计数波形如下:
电路结构如下:
分析波形可以看出,通过与门电路获得的计数脉冲,其频率和输入A或B频率相同,此时获得的每转输出脉冲数为1024;
若将A和B同时输入同或门,此时当AB电平相同时,输出电平为高;不同时输出电平为低:分析波形,由此可以得到将每一格输入周期一分为二,即每转输出脉冲数为2048。从而提高测量精度。
2.将绝对式光电码盘的循环码,转换为二进制编码:
将循环码转换为二进制码,原则为保留循环码最高位,作为目标二进制码的最高位;对目标二进制码的次高位,用循环码的对应位与高一位进行异或操作,所以结果为该位二进制码结果;对二进制码其它位,依次重复该方法,即可获得需要的二进制码。
硬件实现方式可以采用FPGA编程,或使用74LS136(四2输入异或门),将对应位分别接入门电路,即可在输出端获得对应的二进制编码。
钢球主动磁悬浮实验
实验时间:2012年5月11日星期五
一、实验目的:
1、了解主动磁悬浮轴承的基本构成;
2、掌握电涡流位移传感器的基本测量方法;
3、了解磁轴承控制电路的工作原理;
4、了解PID控制器的作用规律。
二、实验内容:
磁悬浮球实验装置主要由:底座、短支柱、长支柱、下支板、上支板、磁轴承定子、传感器、钢球、保护螺钉、调理电路、控制电路和功放电路等构成。其工作原理如图2所示。传感器安装在下支板上,用于测量钢球在竖直方向上相对下支板的位移,位移传感器检测到钢球偏离参考点的位移,位移信号经调理电路后,由控制电路输出控制信号,功放电路根据控制信号的大小,输出控制电流给磁轴承定子的线圈,磁轴承定子在线圈通电后,在磁轴承下端的磁极处产生磁感应强度,磁极N和钢球之间、钢球和磁极S之间产生气隙,在2个
磁极对钢球磁力吸引的作用下,磁极与钢球之间的气隙动态变化,最终电磁力促使转子回到平衡位置。当磁极对钢球的吸引力F 与钢球的重量G 在竖直方向达到平衡时,钢球将被悬于空中。
实际实验中用到的装置示意图及原理图:
Figure 1 实际装置示意图及实际图 Figure 2 主动磁悬浮装置工作原理框图
三、 实验结果:
(1) 实验中用到的材料参数:
1、 球头杆材料:DT4E ;球头杆质量:38克;球头直径:47mm
2、 磁轴承定子线圈参数:绕线匝数:N=160匝,线圈电阻:R=1.4 (直流), R=6.6 (20kHz 交流)线圈电感:L= 9.32mH(20kHz 交流),线圈最大允许电流:3.0A ,磁极与钢球之间气隙的等效横截面积A=0.00015平方米;
3、 电涡流位移传感器型号:CWY-D0-20Q08-50V ,传感器灵敏度:约6V/mm ,传感器量程:1mm ,传感器电源电压:24V (2) 实验现象描述:
将电源调整到实验要求值,合理设置PID 参数,可以看到,球头杆稳定的悬浮在外磁极下方,与外磁极间保持稳定的距离。 (3) 钢球稳定磁悬浮时线圈电流:
考虑到 6.6(20khz)R =Ω,故可直接计算电流有效值:0.920.13946.6U V
I A R =
==Ω
(4) 根据实验装置的数据,估算等效气隙的值:
利用公式:20
2B A
F u =,可得:
0.079B T ===;
利用公式:0
B
=
N i H u δδ⋅=⋅⋅,可得: (5) 思考题:
PID 控制器在钢球悬浮过程所起的作用是什么?
比例环节主要用于使控制量向偏差减少方向变化,同时强化控制作用;积分环节的主要作用是减少超调量,提高系统稳定性;微分环节的作用是减小超调量,克服振荡,