实验六 槽型光耦&霍尔IC电机测速实验
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实验六 槽型光耦&霍尔IC电机测速实验
一、实验目标
1.熟悉槽型光耦和霍尔IC原理；
2.熟悉PWM电机调速原理；
3.调用EPI提供的子vi编写PWM控制程序；
4.调用EPI提供的子vi编写频率测量程序。
二、硬件介绍
槽型光耦霍尔电机实验板主要由PWM驱动电路（增加驱动能力，驱动电机）、直流电机、槽型光耦、霍尔组成。
2.1槽型光耦测量原理
槽型光耦是光电传感器的一种，是以光为媒体由发光体与受光体间的光路遮挡或由反射光的光亮变化为信号检测物体的位置、有无的装置。槽型光耦具有检测距离长、响应速度快、受环境强光的影响三个特点。利用该特性并结合特殊的测量装置，槽型光耦可用于测量微型直流电机的转速。
图1 槽型光耦
光电测速码盘测速法：即在微型直流电动机转轴上安装一个圆形码盘，同时将码盘置于槽型光耦的槽中，码盘可以随电机顺畅旋转，如图2所示。微型直流电动机的转动将带动光电测速码盘旋转，利用槽型光耦装置将转速信号转换为脉冲信号，进而通过计算单位时间内脉冲信号的个数获得电动机的实际转速。
图 2码盘和装置
槽型光耦测速计算：
如果示波器测量频率为f，则转速n=f*60/6
60是转速变换到分钟，6代表每转一圈透光逢出现6次，f是示波器测量频率。
2.2霍尔IC测量原理
霍尔IC又称霍尔开关，是利用霍尔效应制成的有源磁电转换器件，是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时又具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求，
霍尔开关可应用于接近开关，压力开关，里程表等，作为一种新型的电器配件。
图3 霍尔IC
霍尔测速码盘测速法：即在微型直流电动机转轴上安装一个圆形码盘，同时将单个磁极置于码盘边缘处，码盘可以随电机顺畅旋转，如图4所示。微型直流电动机的转动将带动测速码盘旋转，若磁极的极性与霍尔IC匹配，码盘上的磁极与霍尔IC配合可将转速信号转换为脉冲信号，进而通过计算单位时间内脉冲信号的个数获得电机的实际转速。这一点与槽型光耦测量微型直流电机转速类似。
图 4测速码盘及装置
霍尔IC测速计算：
利用图4所示装置，微型磁铁安装在码盘上，霍尔IC位于码盘右侧，小型直流电动机开始旋转，带动安装在电机转轴的测速码盘随之旋转，同时码盘上的微型磁铁也随之旋转。当微型磁铁接近霍尔IC时，霍尔IC将感应到微型磁铁的磁场，直至磁感应强度达到并超过工作点B（BOP）时，霍尔IC发生导通，输出低电平。当微型磁极远离霍尔IC时，霍尔IC感应到的磁场强度小于工作点B（BRP）时，霍尔IC关闭，输出高电平。霍尔IC周期性往复上述输出，实现了微型直流电机的转速转换为脉冲电信号的过程，如图5所示。
图5 霍尔IC+测速码盘工作原理
如果示波器测量频率为f，则转速n=f*60。
60是转速变换到分钟，f是示波器测量频率。
2.3 PWM电机驱动
直流电机选择PWM驱动控制，可以实现快速速度变换，输入PWM选择EPI设备的PWM1驱动，PWM1端口只能输出0-5V的没有驱动能力的信号，这里使用驱动电路DRV8837将信号变为0-11V电压，电流能够达到1.8A。
图 6电机驱动
PWM输入占空比和电机速度成反比的关系，占空比越高，速度越慢。
| PWM输入占空比（5V） | 电机速度 |
|---|---|
| 0% | 最快 |
| 100% | 停止 |
三、实验步骤
控制不同PWM占空比，测量电机转速。
3.1 硬件电路连接
1. 首先供电，将EPI设备12V 和GND和传感器板上的12V和GND连在一起；
2. 将EPI设备的PWM1连接到槽型光耦实验板的”PWM”输入接口;
3. 槽型光耦输出连接到示波器通道AIN1（用于测量转速），测量电路连接如图7.
供电连接图
图7电路连接
下表列出传感器板和EPI设备连接关系：
| 传感器板需要功能 | 传感器板接口 | EPI对应接口 | EPI接口功能 |
|---|---|---|---|
| Pwm输入端口 | PWM | PWM1 | PWM通道1 |
| 槽型光耦输出 | OUT | AIN1 | 示波器AIN1 |
| 供电GND | GND | GND | 虚拟仪器地 |
| 供电12V | 12V | +12V | 12V电源输出 |
3.2 PWM设置
输出PWM控制，设置PWM1的频率为1000Hz，输出高电平为5V，占空比设置为50%，界面设置如图。
3.3 示波器设置
使用示波器采集槽型光耦输出波形，AIN1时间轴设为10ms，采样量程设为±20v。
3.4 频率计算
示波器采集到波形，计算频率。根据光电码盘，计算出转速RPM。
3.5 观察测量
控制输出PWM的占空比，10%……90%，测量不同占空比下转速。
| Pwm占空比 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 转速 |
四、LabVIEW程序解读
4.1 整体框图
图 8
展示了本实例的运行界面和程序框图，程序中计算频率使用了FFT的方式。由于是采用FFT计算频率，示波器一屏数据采样的方波周期越多，计算的频率越准确。
图 8 运行界面
图 9 整体程序框图
4.2 程序流程图
程序流程图如图10所示，先进行初始化，然后一直在while循环中采集数据，将采集到的数据计算得到当前频率，在程序运行中，可以更改PWM波的占空比和示波器设置的值。
图10实例流程图
4.3初始化设置
程序初始化设置状态，该状态完成EPI
通信端口设置、电源开启、示波器通道设置（采样率，采样量程）。初始化代码如图11所示：
图11 初始化
4.4 While循环
While循环中放置事件结构，在超时事件结构中，设置“超时”事件为100ms，相当于每隔100ms空闲事件处理一次“超时”结构里面的程序。在该状态下主要进行示波器数据采集和FFT测频率和计算转速。该状态代码如图
12所示：
图 12 while中超时程序
4.5 频率计算程序
将示波器采集的周期信号计算出频率代码如图13：
图 13 FFT测频
FFT测频率这部分代码，配合采样率和采样深度，计算出真实的频率值。
计算FFT频率时，采样率是随着时间轴变化，一帧数据采样的周期越多，计算出的频率越准确。
图 14 时间轴和采样率对照关系
FFT频率测量是将周期信号算快速傅里叶变化，去除直流信号后，找到幅度最大的点，就对应信号的频率。再将采样率和采样点数带入进行计算，就得出真实的频率。
4.6 PWM1设置程序
用于设置PWM1的占空比，输出电压幅度（3.3v/5v），输出频率，输出使能。
（1）PWM设置.vi：用于设置PWM的频率、输出电压幅度、占空比等
在实现上，程序会一直采集数据计算转速。当改变PWM的频率时，观察电机转速变换。