旋转体动平衡测试数显装置的毕业设计正文Word下载.docx
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2.1动平衡测试系统
由转子平衡的力学原理可知,要平衡一个转子必须测量出它在预先选定的校平面的不平衡量的大小和相位,然后用加、减重量的方法进行校正,使转子达到衡。
其测量原理是利用转子在旋转过程中,由于不平衡所产生的离心力引起平衡摆架系统振动,通过传感器将此机械振动量变成电信号,然后经过滤波放大、平面分离、定标等过程,最后在仪器上显示出不平衡量的大小和相位。
测试系统从传感器得到的电信号,由于不可避免的机械干扰,除了不平衡量起的主振动以外,还包含各种干扰信号[2]。
特别在不平衡量比较小的情况下,杂乱干扰信号比主信号还要强。
因此,要想从这些干扰信号中将微弱的不平衡信号精确的提取出来,所设计的测量系统必须具有优良的选频滤波性能。
此外,为了提高平衡精度,还要求测量系统具有足够的灵敏度,以便把微小的不平衡量值测量出来。
但是,高灵敏度和稳定性在一定程度上是相互牵制的。
在测试系统设计和调试中必须保持系统长期稳定工作的前提下,使其具有高的灵敏度。
同时测试系统还要足调整方便,显示直观等要求。
2.2电力拖动系统
由原动机带动生产机械运转称为拖动。
以电动机为原动机的拖动方式称为电力拖动。
电力拖动系统是当前各种拖动方式中最主要的拖动方式。
一方面,是因为电能的生产、输送和分配比较方便,电动机的种类和规格很多,性能各异,可以充分的满足各类生产的需要;
另一方面电机易于控制,便于实现自动化。
有的生产机械电动机与工作机构可以采用同轴连接,直接拖动,这种系统称为单轴电力拖动系统,简称单轴系统。
有的生产机构或因其转速与电动机的转速不同,或因其运动形式不一而需要在电动机与工作机构之间增加传动机构,例如齿轮箱和蜗轮、蜗杆等,这种系统称为多轴电力拖动系统,简称多轴系统。
简单的生产机械当中的小容量电动机可以用开关和断路器等手动控制电器实行手动控制,而较大容量的电动机,尤其要求启动、反转、制动和要求有诸如短路保护、过载保护和欠压保护等的电动机就需要采用接触器、继电器和可编程控制器等来实行自动控制。
因此控制设备也是电力系统中不可缺少的部分。
在电力拖动系统中,有的电动机可以直接由电网供电,有的需要专用的电源设备供电,例如交流电机的变频电源、直流电动机的不控或可控整流电路等。
综上所述,电力拖动系统由图2.1所示的几个部分组成。
图2.1电力拖动系统
2.2总体方案论证
控制部分总体结构如图2.2所示。
光电编码器[8]得到基准信号以及经过基准信号电路处理送入8098的高速输入端HSI得到转子的转速,经过倍频电路倍频后用于跟踪带通滤波器的中心频率;
振动传感器得到转子的不平衡信号,经过振动信号电路处理后送入8098的ACH端(即P0口)进行A/D转换,得到转子的相位、幅值信息,8098的P3口为数据/地址复用线,一方面经过地址锁存器74LS373锁存后与2764、6264、8279芯片连接的地址线连接,另一方面直接和它们的数据线连接。
8098的P4口为高8位地址线,其中A14~A8直接和2764的高7位地址线相连接,A15和2764的片选端/CE相连接进行片选A12~A8直接和6264的高4位地址线相连接;
另一方面,A15~A13和A11~A9经过片选译码电路分别与6262、8279和彩色液晶显示器的片选端/CE相连接进行片选。
图2.2系统总体框图
3硬件系统的设计
3.1概述
控制系统的硬件设计中,应兼顾仪器的性价比。
根据这一原则,确定微处理器的型号。
本次设计的动平衡测试系统,以性价比较高的MCS-96系列的8098单片机为主控核心。
它扩展了32K
8大容量的EPROM固化程序和8K
8的静态RAM存储A/D变换结果和缓冲临时数据。
硬件部分分为控制部分和模拟信号电路部分,其中控制部分主要包括8098单片机、存储器扩展电路、键盘接口电路和液晶显示接口电路;
这部分电路主要负责信息输入、处理、运算、输出、存储、显示等系统逻辑方面的事务。
系统还配有RS-232C串行通信口,可将采集到的振动数据传给PC机,作进一步的分析处理.模拟信号处理电路部分主要由振动传感器、光电编码器、振动信号
电路、基准信号电路组成;
这部分电路负责原始信息的过滤、提取、变换等。
其整
体结构如图3.1所示:
图3.1整体结构图
3.2系统的CPU
本次智能化动平衡测试仪的系统微处理器选用的是INTEL的高性能16位单片机8098。
和MCS-51系列相比,8098从以下几个方面提高了系统的性能[3]:
(1)CPU的算术逻辑单元不是采用常规的累加器结构,而是采用完全不同的面向寄存器的结构,消除了MCS-51系列CPU结构中存在的累加器的瓶颈效应,加速了数据交换能力,提高了CPU的吞吐力,增强了运算、处理数据的灵活性,提高了CPU的工作效率。
(2)256字节的寄存器中,232字节是通用寄存器,24字节是专用寄存器,且每个通用寄存器都具有累加器的功能,这就意味着8098CPU中有232个累加器可以使用,远比MCS-51系列CPU的累加器多。
这样就有可能为中断服务过程中的局部变量制定专门的寄存器,避免了中断服务过程中需要保护寄存器现场和恢复寄存器现场所支付的软件开销,同时由于采用24个专用寄存器来直接控
制I/O功能部分,加快了输入/输出的速度。
(3)MCS-96系列单片机的指令系统相对于MCS-51系列单片机来说,不仅运算速度快,而且编程效率高,在完成同样的任务时,所编的程序字节数一般比8位单片机用的要少,且运算速度一般要快5~6倍。
(4)8098芯片中,增加了一个外设事务服务器PTS,专门用于处理外设中断和MCS-51系列中的中断服务过程相比,PTS服务大大减少了CPU的软件开销。
3.3单片机存储系统的扩展
一个单片机硬件系统的设计包括两个部分[6]:
一是系统扩展,即单片机内部的功能,如RAM、ROM、I/O口、定时/计数器、中断系统等不能满足系统要求时,必须在片外进行扩展。
二是系统配置,即按照系统功能配置外围设备,如键盘、显示器、A/D、D/A变换等。
本仪器功能多,有信号采集、数据处理、数学运算、中断等。
仅仅依靠8098芯片提供的系统资源是不够的,必须进行扩展。
根据系统的需要,进行储存器的扩展和I/O的扩展。
其中存储器的扩展包括数据存储器和程序存储器的扩展。
MCS-96单片机主要是通过P3口和P4口进行扩展的,P3和P4口均具两种种功能,既可以作为漏极开路输出的双向口,也可以作为系统总线引脚,用作系统总线是指把它们用作对存储器操作时的地址总线和数据总线,P3口和P4口的引脚编号为P3.7~P3.0以及P4.7~P4.0,用作地址总线时,P3口引脚编号分别AD7~AD0,P4口引脚编号为A15~A8,其中字母A代表地址,D代表数据.用作系统总线时,P3口用作数据/地址复用线,既传送数据信息,也传送地址信息.
3.3.1程序存储器的选择
如图3.2:
图3.22764PROM芯片的引脚图
2764是一种8K×
位的可改写只读存贮器,有28个引脚,采用双列直插式封装方式,正常工作时采用单一的+5V电源,其芯片引脚如图3.3所示,引脚功能如表3.1所示。
表3.12764引脚功能
A12-A0
/CE
/OE
D7-D0
/PGM
N.C
地址线
片选
输出允许
数据输出
编程
未联接
2764采用HMOS工艺技术制成,因而速度快,存取时间可达200ns。
在28个引脚中,编程脉冲/PGM独占一个,为使用提供了方便。
第26引脚N.C空着未用。
编
程写入时,电压Vpp为+21,若超过+22V,芯片可能烧坏。
3.3.2数据存储器的选择
图3.36264芯片引脚图
用作数据存储器扩展的器件一般是随机存储器,RAM,RAM分为静态和动态两种类型[4]。
由于静态RAM具有使用方便,抗干扰性能好,加上其集成度高,容量大价格低,它在微处理应用系统中广泛使用。
系统选用静态RAM6264作为扩展数据存储器,用来存放临时数据和定标参数。
该芯片引脚如图3.3。
其引脚含义如下
A12~A0:
地址输入线
D8~D0:
八位双向数据线
:
数据输出允许线
:
片选输入线
写允许信号线
VCC、VSS、GND:
电源脚
3.3.3电路设计和说明
在存储器扩展电路中,用到了地址锁存器74LS373,其引脚图如图3.4所示。
它有一个使能端G,一个输出控制端
,8个输入端D7~D0,8个输出端Q7~Q0。
74LS373的功能见表3.2示。
图3.474S373锁存器引脚图
表3.274S373锁存器功能图
输出控制端(
)
使能端(
输入端(
输出端(
L
H
X
Q0
Z
注:
H=高电平,L=低电平,X=不定态,Q0=建立稳定输入条件Q的电平,Z=三态输出的关闭状态。
CPU设计为外部8位方式运行,数据总线为D7~D0,地址线为A7~A0加上A15~A8构成的16位地址总线,其中,D7~D0和A7~A0复用构成AD7~AD0[6]。
当地址允许锁存信号ALE上升为高电平以后,P4口输出高8位地址,P3口输出低8位地址;
ALE下降为低电平以后,P4口的输出信号不变,而P3口浮空,低8位地址信息消失,
因此,低8位地址必须在ALE降为低电平之前用外部地址锁存器来锁存。
2764和6264各有不同的片选信号,保证读出和写入信号的唯一性。
其连接电路如图3.6所示。
图3.5储存器与8098接线图
3.4单片机输入输出接口扩展
3.4.1键盘接口电路
一、键盘管理模块的选型
该仪器的键盘管理模块选用Intel8279芯片,完成键盘输入各项功能命令以及设置常数的功能。
8279芯片是一种专用于键盘和显示器的接口芯片,它最大的特点是自身能提供扫描信号,可代替CPU完成对键盘和显示器的控制、管理,减少相应的程序量,从而减轻CPU的负担,提高其工作效率。
它可对64个开关矩阵组成的键盘进行自动扫描,接受键盘上的输入信息存入其内部的FIFO(先进先出)RAM,并在有键输入时向CPU请求中断。
二、8279的内部结构
8279芯片主要由下述部件构成
(1)控制逻辑:
控制与定时寄存器用于存放键盘及显示的工作方式以及由CPU编程决定的其它操作方式。
(2)扫描计数器:
该计数器有两种工作方式,一种是编码工作方式,按二进制计数4位计数器状态从扫描线输出,经外部译码器译出16位扫描线。
另一种是译码工作方式,扫描计数器的低两位译码后经扫描线输出。
(3)I/O控制和数据缓冲器:
I/O控制线是CPU对8279进行控制的引线。
双向三态数据缓冲器将芯片内部总线和外部总线DB0~DB7连接。
用于传递CPU和8279之间的命令、状态和数据。
(4)按键输入控制:
该部分完成对键盘的自动扫描,锁存来自键盘的输入信息查找闭合键,消除键抖动,并将按键输入的数据写入内部FIFORAM阵列。
三、8279引脚及功能说明[11]
8279采用40引脚的双列直插式芯片,引脚图如3.7所示
图3.68279芯片引脚图
(1)与CPU总线接口部分
D0~D7:
双向、三态数据总线,用于CPU与8279之间传递命令和数据。
CLK:
来自系统的时钟,用于产生内部时钟。
RESET:
复位引脚。
高电平有效。
其复位状态为16字符显示。
片选信号,为低电平时,8279才能工作。
A0:
数据选择输入线。
当A0=1时,表示输入、输出命令或状态;
A0=0,表示传送数据。
读、写控制信号。
IRQ:
中断请求信号。
(2)数据显示接口部分
OUTA3~OUTA0:
A组显示信号输出线。
OUTB3~OUTB0:
B组显示信号输出线。
为显示消隐(熄灭)控制线。
(3)键盘接口部分
SL3~SL0:
键盘扫描线及显示位选控制线。
RL7~RL0:
键盘回复线。
SHIFT:
位移输入线。
CNTL/STB:
控制/选通输入线。
四、电路设计及说明
键盘接口电路图如图3.8所示。
图中SL2~SL0作为键盘列线的位选线,RL3~RL0用作键盘的行线,/CS为8279的片选信号,通过译码电路与8098的P4口相连产生片选信号。
8279的数据线为8位,与单片机8098的P3口相连,负责CPU和8279之间变换地址,数据和状态信息。
RST来自复位电路,给8279提供复位信息。
/WR、/RD来自CPU的读、写信号为8279提供读写信息8279的A0与锁存器74LS373相连。
图中74LS138为3.8译码器,由8279的SL2~SL0译出8根扫描线,选用前6根作为键盘的列,RL3~RL0作为键盘的输入线,8279读入RL3~RL0可知是否有键按下。
然后通过中断转入相
应的中断服务程序。
图3.7键盘接口电路
3.4.2数码显示接口电路
智能仪器仪表的显示器通常采用LED(发光二极管显示器),因为LED成本低,与单片机接口灵活。
但LED只能显示数字和少量简单字符,而不能显示汉字形等。
数码管由8个发光二极管(以下简称字段)构成,通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。
数码管的外形结构如图3.9所示。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构。
图3.8数码管引脚图
数码管工作原理:
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极(二极管正端)连接在一起。
通常,公共阳极接高电平(一般接电源),其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时,则该端所连接的字段导通并点亮。
根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时,要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极(二极管负端)连接在一起。
通常,公共阴极接低电平(一般接地),其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为高电平时,则该端所连接的字段导通并点亮,根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时,要求段驱动电路能提供额定的段导通电流,还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
本设计选用了四块共阳极数码管组成了显示模块,如图3.10所示。
图3.9数码显示电路
3.5模拟部分电路设计
3.5.1基准信号的获得与处理
该电路由光电隔离组成如图3.14所示
图3.10基准信号处理电路图
光电编码器输出的信号,经过光电隔离电路处理,获得一与输入信号同频
的方波信号,然后将方波信号直接送入8098单片机的高速输入端HSI.0,用于测量转子的转速。
一、提取基准信号的意义
(1)转速测量的需要:
转速的测量是通过对基准脉冲信号计数来实现。
(2)提取不平衡相位的需要:
由动平衡原理知,要进行动平衡必须准确地测得不平衡振动信号的振幅和相位,其中相位为振幅与基准信号上升沿之间的夹角。
基准信号为相位的测量提供相位基准。
(3)提取不平衡振动信号的需要:
由测振传感器拾取的振动信号是转子不平衡故障及其它故障引起的各种振动和环境噪声的总和。
为了有效地对机器实施动平衡,就必须将振动信号进行选频滤波,把有用的不平衡振动信号从混杂的振动信号中提取出来。
为提高仪器的自动化水平,便于同一机器在不同转速下实施动平衡,智能动平衡仪采用了中心频率可由基准信号控制的跟踪滤波器MF10CCN,因此要求要有稳定可靠的基准信号。
基准信号的提取方法:
本系统采用光电编码器产生基准信号。
光电编码器的工作原理如图3.15所示。
U1的工作电压为9~30V范围可任选,光栅盘上的光栅辐条组成了光栅码盘,R1和R2为限流电阻,V1和V2分别是发红外光的二极管和光敏三极管。
当转子旋转时,光栅转盘也随之旋转。
由V1、V2和光栅转盘的联合作用,光敏三极管输出N个电脉冲信号。
由此可知,由光电编码器输出的U的频率f是由转速n决定的,有f=nN为光电编码器输出信号和转轴的转速n的关系。
图3.11光电译码器工作原理图
3.5.2振动信号的硬件处理
如图3.12所示,为振动信号的硬件处理过程。
由于从振动传感器输出的正弦振动信号中含有丰富的谐波成分,为了从很强的干扰信号中提取有用的不平衡信号,首先使信号通过低通滤波电路,然后通过程控放大、跟踪滤波电路,将信号中的高频干扰成分滤除后由ACH端口输入到8098单片机内部,进行A/D转换。
采用开关电容有源滤波集成电路构成四阶带通滤波器,基准信号经100倍频后作为滤波器的外部时钟,它与其它跟踪滤波器相比,具有稳定性高、结构简单、易于整定等优点。
下面从测振传感器的选择、振动信号的预处理等几个方面详细讨论电路的设计过程。
图3.12振动信号的硬件处理图
一、测振传感器的选择
测振传感器是把被测对象的机械振动量(位移、速度、加速度)转换为与之相对应的电量(如电流、电压)的器件。
用于振动测量的传感器种类较多,下面介绍几种常用的测振传感器的工作原理。
1、压电式传感器
工作原理是利用压电材料的压电效应,将被测对象的机械振动量转换为电量的变化。
压电式传感器具有体积小、重量轻、精度高及灵敏度高、工作频率范围广等优点。
主要缺点是传感器的灵敏度随环境温度、湿度的变化和压电材料本身的时效而变化,必须经常校准。
2、磁电式速度传感器
工作原理是利用电磁感应原理将传感器可动圈与固定圈的相对速度转换为电压输出。
主要优点是永久磁铁感应出电动势,传感器本身不需要电源;
容易获得高灵敏度,可测微小变化;
输出信号大,输出阻抗低,电气性能稳定性好,不受外部噪声干扰。
对后接电路无特殊要求,且电路简单。
主要缺点是动态范围有限。
综合上述传感器的特点,系统选用磁电式速度传感器用于振动的测量,并用双芯屏蔽线将信号传输到仪器。
磁电式传感器的输出信号易受外界脉冲的干扰,采用双芯屏蔽线有利于增强系统的抗干扰能力,提高振动信号的信噪比。
二、振动信号的预处理的关键电路
1、一阶低通滤波电路
图3.13所示为一阶低通滤波电路,其传递函数为:
用
取代s,且令
,得出电压放大倍数为:
图3.13一阶低通滤波电路
2、放大电路
放大电路采用的是阻容耦合共射放大电路,如图3.14图中C1用于连接信号源与放大电路,电容C2用于连接放大电路和负载。
图3.14阻容耦合共射放大电路
3、A/D转换的基准电压电路
A/D转换的输出结果为:
式中V为模拟信号电压,
为A/D转换的参考电压源电压,
为模拟地电位。
可见,A/D转换的精度与
有很大的关系,为了保证A/D转换的精度,采用以LM336为核心的精密电压源,通过调节电位器保证输出电压的精度。
其电路如图3.15所示:
图3.15参考电压源
4、程控信号放大电路
传感器输出的电压信号比较小,与A/D转换输入端口不匹配,必须在A/D转换前加一个信号放大电路,选用超低漂移高精度运算放大器OPO7。
又由于通道数较多,各通道参数的精度、量程不同,因此,监测到的信号需要根据不同的通道,选择合适的放大倍数,更好地完成信号的放大处理,为A/D转换器提供更为精确的采集信号。
图3.16为放大电路,采用4路选择开关CD4052芯片来选择放大倍数Ki。
用图3.18中的74LS273的Q7,Q8输出端口控制CD4052芯片,选择X0,X1,X2,X3,实现电阻R1,R2,R3,R4的切换,进而实现改变放大倍数的目的。
放大倍数:
Ki=Ri/R(i=1,2,3,4)
本文取R1=R2=R3=R4=100KΩ
图3.16程控信号放大电路
3.5.3量程选择电路的设计
为了提高仪器的精度,使预处理的振动信号在A/D转换的量程范围内,通常需要进行量程切换。
一般的动平衡仪器量程选择是人工进行的,首先测出振幅的最大值,根据其大小选择合适的量程。
对于不同量程的切换,软件中并未作出相应的处理,为了计算方便,往往原始振动测量和试加重测量是在同一量程下进行的,由于A/D转换在1/2量程至满量程之间的转换精度最高,使原始振动和试加重振动测量处于同一量程档,无疑降低了测量精度。
因此不但要使送入A/D转换的信号在其量程范围内,而且应尽量使信号在1/2量程到满量程之间,以取得较好的转换精度。
在软件设计中将不同量程下测得的原始振动幅值和试加重振动幅值统一到1档,无需再人工进行换算,同时把量程划为1
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