数字转角测量仪及电动驱动系统要点.docx
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数字转角测量仪及电动驱动系统要点
课程设计任务书
班级（专业）11生产过程自动化1班设计人
一、课程设计题目：
数字式转角测量仪及电动驱动系统
二、设计要求
1.利用如旋转式编码器进行转角测量，误差1密位。
2.电子显示转角,显示4位按密位显示。
3.设计电源电压5V，误差5%。
4.设计电动驱动系统。
5.选择电动机。
6.画出整个系统。
7.设计主要包括主体方案，各子系统工作论证，实验验证方案，实验数据，误差测试方案，能实践验证的尽量实践验证，不能验证的说明原因，并写出理论验证方法。
可以仿真的写出仿真方法，将仿真数据或图形写入设计报告。
8.谢辞实事求是，不要有过多套话。
9.英文资料要符合或牵扯设计内容。
三、时间安排：
1.设计前准备：
半天
2.总体框架设计：
1天
3.各分模块设计：
1.5天
4.总设计参数校核：
1天
5.设计报告书写1天
四、参考资料：
1.杨志忠《数字电子技术》教材.高等教育出版社
2.张友汉《数字电子技术基础》教材.高等教育出版社
3.周良权《数字电子技术基础》教材.高等教育出版社
4.周良权《模拟电子技术》教材.高等教育出版社
5.胡宴如《模拟电子技术》教材.高等教育出版社
6.B.Xiang,C.S.Wang,et.StudyandDesignofa3-LampColdLightLiftingRetractor.20113rdInternationalconferenceoncomputerdesignandapplications（ICCDA2011）.V-2,427～430.
7.GB50034-2004,Designingstandardforbuildinglighting[J].
8.InstructionforYB4180seriestransistorcharacteristicsgraphicsinstrument.Yang:
JiangsuYangzhongLvyangelectricalequipmentCo.LTD,2004.
9.WenpengNa.TheSelectionandApplicationofGeneralIntegratedCircuit.Beijing.people'swileyesonspress,2004:
129～151.
10.Chinametrologypress.NewEditionforCollectionofElectronicCircui.Beijing.ChinaMetrologyPress,2002:
五、要求课程设计自2012年12月17日起
至2012年12月21日止
自动化专业教研室主任年月日
机电工程二系、系主任签章年月日
指导教师评语：
指导教师：
年月日
目录
1引言1
2测量原理2
3课题设计方案2
3.1旋转编码器3
3.1.1旋转编码器的选择3
3.1.2旋转编码器的设计4
3.2数字显示设计7
3.2.1译码器7
3.2.2七段式LED数码管8
3.3电源设计9
3.4其它器件的选择设计11
3.5各元件的安装12
3.6电路接线13
4应用中问题分析及改进措施14
4.1应用中问题分析14
4.2改进措施14
谢辞16
参考文献17
外文资料18
1引言
角度测量技术按照被测角性质可以分为静态角度测量和动态角度测量两种。
静态角度测量技术已经日趋成熟，各种测试理论和方法日益完善，国内的技术水平已经达到国际先进水平。
而实现动态角度的高精度测量，是测角技术领域的一个难点，已经受到国内外很多机构和学者的关注，由于动态测角在实现上相对于静态而言需要更大的观测角度范围，自动化和测量精度要求高，许多科研人员便通过电子技术实现了角度的较精确测量。
数字编码器是将角位移转换为数字编码的一种传感器，其与数字系统连接，将输入量转换成数字量输出。
用编码器作为信号检测的方法，已经广泛用于数控机床、纺织机械、冶金机械、石油机械、矿山机械、印刷包装机械、塑料机械、试验机、电梯、伺服电机、航空等工仪器仪表业等自动化领域。
这里，转角测量是以旋转编码器为主要元器件，通过光电控制实现位置的确定从而测量转角。
汽车驾驶模拟器，对方向盘旋转角度的测量选用光电编码器作为传感器；扭转角度仪，利用编码器测量扭转角度变化，如扭转实验机、渔竿扭转钓性测试；摆锤冲击实验机，利用编码器计算冲击时摆角变化。
为工业建设提高了更精确的测量数据，不断提高转角测量精度，具有重要研究意义。
2测量原理
转角测量仪主要是通过电机旋转前后，旋转编码器对应的二进制码差量来进行角度测量的。
绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过光源照射排布在码盘上的感光元件读取刻线所代表的二进制角度值，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对式编码器。
这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。
当圆盘旋转一个节距时，在发光元件照射下，光敏元件得到“0”或“1”信号。
通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。
如果编码盘有4个码道，则由里向外的码道分别表示为二进制的2的三次方、2的二次方、2的一次方、2的零次方，4位二进制按照码盘上可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、…、1111。
如图2.1.1为六码道码盘。
电机与码盘同轴相连，电机转动时，码盘随之一起转动，光源通过透镜发生折射，将光线聚集码盘上电机停止转动时，码盘转到一定的角度，光源对码盘具体位置进行照射识别，从而获得扇区的位置脚，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出高电平“1”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出低电平“0”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，并将数据转化为密位制显示在译码器上。
3课题设计方案
根据课题设计要求及原理，该转角测量仪主要工作部分是激光旋转编码器和七段译码器，另外有密封外壳等构件。
下面详细介绍测量原理、各部分设计方案及论证过程。
3.1旋转编码器
旋转编码器是角度测量仪的主要工作部分，角度测量是通过旋转编码器的角度变化来实现的。
若要得到精确的测量数据，必须要保证编码器设计制作的精确性。
3.1.1旋转编码器的选择
旋转式编码器分为增量型编码器和绝对型编码器
增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。
这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。
解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。
在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。
为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。
比如，打印机扫描仪的定位就用的是增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。
这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是我们采用绝对式编码器。
绝对编码器以读出方式来分，有接触式和非接触式两种。
接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“1”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”。
绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需掉电记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。
这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。
由于绝对式编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制中。
但因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对式编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。
旋转编码器又有单圈绝对值编码器和多圈绝对值编码器之分。
单圈绝对值编码器，以转动中测量光电码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对值编码器。
如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对值编码器。
此处，我们采用单圈绝对型旋转编码器，接收元件为光敏感元件。
3.1.2旋转编码器的设计
形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。
原理结构如图3.1.2.1
（1）发光元件
为感光元件提供光源。
720-SPLPL85发光二极管。
工作电压：
3V；
发光频率：
500nm；
功率：
14W；
工作温度：
最高85摄氏度，最低-40摄氏度。
工作时与电压源串联一定值电阻。
（2）透镜
选用半曲面柱体凸透镜，将光源汇聚成一条沿码盘半径方向的直线，汇聚后的光线等于码盘半径。
（3）码盘制作
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料。
玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，易碎，成本高；金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，易变形，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级；塑料码盘是经济型的，其成本低，不易碎和变形，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
为保障测量仪精度及通光性，我们选用玻璃材料圆盘。
码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。
码盘（光栅盘）是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
如图二进制六码道编码盘，图中空白部分是透光的，用“1”来表示;涂黑的部分是不透光的，用“0”来表示。
将环形均分13码道，并按图2.1.1采用印刷工业方式涂黑。
码盘尺寸：
内径80mm
外径200mm
厚度约2mm
部分二进制与角度（单位：
密位）之间的转换如下表1
表3-1-1
二进制码
角度
二进制码
角度
00000
0
000111
7
000001
1
001000
8
000010
2
001001
9
000011
3
001010
10
000100
4
001011
11
000101
5
001100
12
000110
6
001101
13
001110
14
011010
26
001111
15
011011
27
010000
16
011100
28
010001
17
011101
29
010010
18
011110
30
010011
19
011111
31
010100
20
100000
32
010101
21
100001
33
010110
22
100010
34
010111
23
100011
35
011000
24
100100
36
011001
25
100101
37
精度计算：
1密位=0.06度，360度/0.06=6000
即码盘周长至少要平分为6000等份，2的12次幂<6000<2的13次幂。
所以我们制作13码道的码盘，即将码盘等分8192等份。
（4）光敏元件
光敏元件受光源照射后，电阻发生变化，使电路导通，输出高电平信号。
选用光敏二极管FGAP71。
元件及其参数如下
表3-1-2
光敏二极管须固定在一塑料环形圆盘上，同一码道上透光区的光敏元件可共用，但不可越过码道，必须保证透光区有光敏元件接收光源。
塑料环形圆盘内圆直径为82mm，外圆直径202mm。
3.2数字显示的设计
数字显示部分由译码器和共阴极发光二极管组成。
译码器输出管脚向二极管输出高电平，驱动数码管发光，达到数字显示的效果。
3.2.1译码器
表3-2-1
74LS48译码器工作条件如下表3
74LS48是由与非门、输入缓冲器和7个与或非门组成的BCD-7段译码器/驱动器。
输出是高电平有效。
7个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个与或非译码门。
剩下的与非门和3个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出（LT）端及动态灭灯输入（BI/RBO）端。
该电路接受4位二进制编码—十进制数（BCD）输入，并根据辅助输入的状态，将这些数据译成驱动其它元件的码。
74LS48有前、后沿自动灭零控制（RBI和RBO）。
当BI/RBO端处于高电平时，试灯可以在任何时刻去进行。
电路并有灭灯输入（BI），可用来控制灯亮度或禁止输出。
74LS48在应用中可以驱动共阴极的发光二极管或灯缓冲器,实现数字显示功能。
译码器接线如图3.2.1
3.2.2七段式LED数码管
七段数码管是数码管的一种是半导体发光器件，数码管可分为七段数码管和八段数码管,区别在于八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元，其基本单元是发光二极管。
如图3.2.2为七段发光二极管排列及其电路图。
通过让不同位置的二极管发光来显示0—9十个数字。
要求结果显示数值为4位，所以LED数码管数量：
4个
译码器逻辑表及数码管显示字形如下表3-2-2
表3-2-2
3.3电源设计
为译码器及数码显示器提供电源。
以全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7805和7905设计制作连续可调的双极型直流稳压电源。
220V（幅值311V）50Hz市电经变压器220:
25输出两组独立的25V交流，经桥堆整流、大电容滤波后分别经过集成稳压块LM7805C与LM7905C作用得到±5V的直流输出。
稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成。
通过软件Proteus完成基本的电路原理图并进行防真和调试，使其满足基本设计要求。
具体电路如图3.3
电源变压器：
将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。
整流电路：
利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。
滤波电路：
利用储能元件（电感或电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。
稳压电路：
利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。
输入电容C1、C2用于抑制纹波电压，输出电容C3、C4用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。
同时由于输出电容C3、C4的存在，容易发生电容放电而损坏稳压器，RV1和RV2是滑动变阻器，可以调节输出的电压。
R1和R2是限流电阻，防止线路电流太大。
表3-3-1LM7805的主要参数表
电压调整率
电流调整率
工作温度
静态电流
耗散功率
最大输出电流
输出电压偏差
输出电压
360mV
360mV
0~125
8MA
1．2W
1A
0.692~0.748V
17.3~18.7V（T（j）↓=25℃）
表3-3-2LM7905集成稳压三极管输出电压-5V
电压调整率
电流调整率
工作温度
静态电流
耗散功率
最大输出电流
输出电压
偏差
输出电压
360mV
360mV
0~125
8MA
1．2W
1A
0.692～0.748V
-17.3~-18.7V（T（j）↓=25℃）
3.4其它器件的选择设计
（1）电动机
型号：
TDK80-2.2B-24K
电压：
交流220V
转轴直径：
80mm
（2）轴承
用来支撑外壳及外壳上固定的元件，使码道与其它部分发生相对转动。
测量仪的码道是随电机转轴一起转动的，而其余部分需保持静止，且码道与其它部件的相对位置也应保持不变。
轴承内外圈的相对转动起到到这一作用。
型号：
6213
轴承端盖与外圈固定连接，主要起遮光密封作用。
（3）密封外壳
外壳是长150mm，直径204mm，厚为2mm的圆筒形硬质铁板，与外界隔光，防止尘土进入，固定部分元件。
测量仪内的光敏元件的工作状态也会受外界光线的影响，为防止其它光源的影响，外壳应做成不透光的。
光源，透镜，码道之间利用的是光线的折射原理，进入灰尘很容易改变光线的传播方向，所以外壳尽量密封。
光源，透镜及光敏元件等都应保证相对位置不变，需靠其它构件与外壳保持连接，外壳的变形会直接损坏仪器。
因此，选择的材料必须是硬质的。
在固定相应器件的位置（如安装光敏元件、凸透镜的圆盘处）内开一较浅的沟槽，使各器件更稳定。
光敏元件部分引出导线处钻一小圆孔。
（4）支架
支撑测量仪，防止测量仪由于自身重量改变光敏元件、码道、透镜及光源的相对位置。
而且此次测量仪的设计是与电机共轴的，电机的不稳定运行直接导致测量仪整体发生震动，影响测量的准确性。
支架为一硬性长条形铁片，两端打孔，用螺丝分别固定在测量仪外壳和电机外壳上。
3.5各元件的安装
以上器材准备齐全后,转角测量仪各器件安装顺序依次从左往右。
将轴承内圈固定在电机转轴上，外圈与测量仪外壳连接。
左侧安一轴承端盖并与外圈固定,防止灰尘进入，避免误差。
所有光敏元件固定在一塑料环形圈盘上,塑料圆环内圆边与电机转轴脱离。
当安装外壳时，外边与其连接，固定在相应位置。
码盘固定在电机转轴上，要求与光敏元件距离1.5mm，以保证光线通过码盘后照射在相对应的光敏元件上，否则会造成测量错误。
柱面镜通过一塑料圆圈固定在外壳上，其径向位置与码盘环形区域半径方向平行，确定聚光位置在同一组二进制码上。
塑料圆盘除安装柱面径区域外必须密不透光，以防止光源发出的光线经反射和折射照在非测量位置的光敏元件上，造成测量错误。
经光线折射实验测得该柱体镜平面端与码盘相距8cm，设计光源与柱镜相距3cm。
外壳长150mm,直径204mm的圆筒形铁板，固定相应器件的位置（如光敏元件安装柱面镜的不透光圆盘）分别开一较浅的沟槽。
光敏元件部分引出的导线的圆孔需用石蜡密封防止外界光线进入，译码器和电源通过细铁丝固定在外壳上。
支架支撑测量仪外壳，确保测量仪稳定工作。
内部元件空间结构如图2.6
3.6电路接线
部分元件接线如图3.6
其它光敏元件、译码器、LED数码显示管接线同下图。
译码器由+5V直流电源供电。
4应用中问题分析及改进措施
4.1应用中问题分析
光电检测装置的发射和接收装置都安装在生产现场，在使用中暴露出许多缺陷，其有内在因素也有外在因素，主要表现在以下几个方面：
（1）发射装置或接受装置因机械震动等原因而引起的移位或偏移，导致接收装置不能可靠的接收到光信号，而不能产生电信号。
例如；光电编码器应用在轧钢调速系统中，因光电编码器是直接用螺栓固定在电动机的外壳上，光电编码器的轴通过较硬的弹簧片和电动机转轴相连接，因电动机所带负载是冲击性负载，当轧机过钢时会引起电动机转轴和外壳的振动。
经测定；过钢时光电编码器振动速度为2.6mm/s，这样的振动速度会损坏光电编码器的内部功能。
造成误发脉冲，从而导致控制系统不稳定或误动作，导致事故发生。
（2）因光电检测装置安装在生产现场，受生产现场环境因素影响导致光电检测装置不能可靠的工作。
如安装部位温度高、湿度大，导致光电检测装置内部的电子元件特性改变或损坏。
例如在连铸机送引锭跟踪系统，由于光电检测装置安装的位置靠近铸坯，环境温度高而导致光电检测装置误发出信号或损坏，而引发生产或人身事故。
（3）生产现场的各种电磁干扰源，对光电检测装置产生的干扰，导致光电检测装置输出波形发生畸变失真，使系统误动或引发生产事故。
例如；光电检测装置安装在生产设备本体，其信号经电缆传输至控制系统的距离一般在20—100米，传输电缆虽然一般都选用多芯屏蔽电缆，但由于电缆的导线电阻及线间电容的影响再加上和其它电缆同在一起敷设，极易受到各种电磁干扰的影响，因此引起波形失真，从而使反馈到调速系统的信号与实际值的偏差，而导致系统精度下降
4.2改进措施
（1）改变光电编码器的安装方式。
尽量不把光电编码器在安装在电动机外壳上，而是在电动机的基础上制作一固定支架来独立安装光电编码器，光电编码器轴与电动机轴中心必须处于同一水平高度，两轴采用软橡胶或尼龙软管相连接，以减轻电动机冲击负载对光电编码器的机械冲击。
采用此方式后经测振仪检测，其振动速度降至1.2mm/s。
（2）合理选择光电检测装置输出信号传输介质，采用双绞屏蔽电缆取代普通屏蔽电缆。
双绞屏蔽电缆具有两个重要的技术特性，一是对电缆受到的电磁干扰具有较强的防护能力，因为空间电磁场在线上产生的干扰电流可以互相抵消。
双绞屏蔽电缆的另一个技术特点是互绞后两线间距很小，两线对干扰线路的距离基本相等，两线对屏蔽网的分布电容也基本相同，这对抑制共模干扰效果更加明显。
（3）利用PLC软件监控或干涉。
在连铸生产的送引锭过程要求光电检测装置产生有时序性的电信号，同时，该信号与整个过程不同阶段相对应。
①送引锭过程启动前，光电信号1为“1”。
②送引锭过程启动后，在A阶段，辊道启动，引锭杆上送。
当引锭杆挡住光电装置发射出的红外光时，光电信号为“0”；当红外光透过引锭杆中部2个小圆孔时，光电装置发出信号2和3，均为“1”。
③送引锭过程在B阶段，光电信号为“0”，辊道停下，引锭杆暂停上送，扇形10段压下，启动拉矫机和“同步1”，引锭杆继续上送。
④送引锭过程在C阶段，引锭杆上送，并不再挡住红外光，光电信号4为“1”，启动“同步2”，停下“同步1”，引锭杆继续上送。
至此光电装置工作过程结束。
光电检测装置的工作过程，只要现场测定送引锭过程中各个光电信号发生的时间，结合送引锭过程与光电信号的关系，利用PLC应用程序中的相关数据，编制符合要求的PLC程序，将PLC程序输出信号输入至PLC的输入模块，替代原光电信号的输入信号。
光电检测装置本身是由电子元器件构成，它对安装环境有一定的技术要求，特别是在较恶劣环境下使用，要采取相应的保护措施，以使光电检测装置工作在其产品要求的技术条件下，才能发挥装置的技术性能。
否则光电检测装置的使用寿命及其工作的可靠性都将受到不同程度的影响。
结合光电检测装置在生产过程控制中的应用实践，在控制系统设计中；不宜采用光电检测装置的信号作为重要的控制信号，以避免光电装置突然损坏或工作不稳定（环境高温、湿度大、机械振动、外力碰创等）引起其它设备事故。
在控制系统中应用PLC程序实适进行过程控制的监控或干涉，以克服了因系统中采用光电装置而存在的各种缺陷，是提高系统可靠性的有效途径。
谢辞
通过这些天的设计，使我深深的感受到了，理论联系实际的必要性及其重要性.
在课程设计期间，要感谢老师教导，感谢同学帮助，通过不断学习理论知识和参与实践，感觉自己的综合素质在很大程度上得到了提升，努力将自己塑造成为一个专业功底扎实、知识结构完善、适应能力强的合格大学生。
这次课程设计，不仅让我们大开眼界，也是对以前所学知识的一个初审，从这次实习中，进一步巩固和深化了所学的理论知识，弥补了单一理论教学的不足，并为后续专业课学习和毕业设计打下了坚实的基础。
参考文献
[1]张志锐.数字电路设计与实际电路.华南理工大学出版社.
[2]邹延.使用电子电路手册.北
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