实验题目：标准转速校验台和多层次测速调速实验的设计

1. 实验内容与任务（限 500 字）

以开放实验的形式，要求学生以 $3 { \sim } 6$ 人为小组完成设计任务。设计并制作一套如图 1所示的标准转速校验台。校验台由三相异步电动机、光电编码器、变频器和标准转速测速调速表四个部分组成。要求平台具有如下性能：

图 1 标准转速校验台的结构框图

1）标准转速测速调速表：

 显示和调整的标准转速范围为 $2 0 0 . 0 { \sim } 3 0 0 0 . 0$ 转/分，分辨力为 0.1 转/分，每 2 秒刷新一次且稳定显示转速；

$\bullet$ 设置多圈电位器，可对三相异步电动机的转速进行手动调整；

$\bullet$ 设置手动和程控开关，便于开环手动或闭环程控测速调速状态的切换。

$\bullet$ 预留光电编码器整形输出的接口，以及闭环程控输入的接口。

2）机械结构整体设计

$\bullet$ 设计固定光电编码器传感器的法兰盘、连轴杆，使得传感器将转速脉冲稳定地送入标准转速表；

$\bullet$ 要求设计一个传感器安装支架，一个与电动机轴向同步转动的传感器码盘，通过它可以完成多传感器测速实验，如开关式光电传感器、磁电感应式传感器、反射式光电传感器等。

3）开展不同层次的测速调速实验设计

$\bullet$ 基础实验(60 分)：多传感器转速测量实验；

$\bullet$ LabVIEW 设计应用实验（40 分）：基于开关式光电传感器的转速测量的设计；

基于LabVIEW 的综合拓展实验（附加 20分）：光电编码器测速和PID调速系统的设计。

2. 实验过程及要求（限 300 字）

本设计包括校验台实物设计制作、不同层次测速和调速实验内容设计、设计报告和答辩验收四个环节。

校验台实物设计制作环节，要求学生对校验台功能、技术指标要求以及实验项目扩展等进行细致分析，通过查阅资料、电路仿真、机械结构设计、验证测试、扩展内容测试、小组讨论等环节，再分工协作完成校验台实物的硬件安装、制作和调试等工作，并针对设计任务中的功能和技术指标对校验台实物进行系统测试。

不同层次测速和调速实验内容设计环节，指导老师以教学法的形式与学生讨论，设计了三个层次，即基础实验、设计应用实验和综合拓展实验，给出实验所需掌握的知识点和测试要求，要求完成测速数据整理、LabVIEW测速和调速的程序编写等工作。

设计报告与答辩验收，就是将涉及到的技术原理、方案设计、电路仿真、硬件设计、LabVIEW测速调速程序设计流程图等内容，进行撰写和表述。

3. 相关知识及背景（限 150 字）

1）理论知识：

本设计涉及运放的应用、数模电路与逻辑设计、传感器检测技术、机械零件和结构设计、

Altium Designer 电路设计、LabVIEW 编程和 PID 闭环控制方法等知识；

2）基本工程技能：电路板焊接、机械装配、传感器选型等各项工程技能，以及各种仪器仪表的熟练使用。3）背景：实验教学、工业中大型电动机和压缩机转速的测量和控制。

4. 教学目的（限 100 字）

通过完整的系统装置的设计和制造过程，掌握制作的各种工艺技术流程，学会电子电路的安装和调试方法，机械零件装配与总调的方法，从知识到实践再应用，对学生进行全方位的培养。

5. 实验教学与指导

本设计是一个完整的工程实践项目，不仅要充分考虑到实验教学的应用背景，还应尽量结合工业中的实际应用。因此，经历了方案论证、系统设计、电路仿真、传感器和三相异步电动机选型、器件购买、PCB 板设计、焊接组装、转速表机壳和面板设计、机械零件设计、机械电气装配、系统联调、LabVIEW程序编写、总结答辩等全过程。教师的引导主要体现在对设计方案、机械设计、测试方法、教学要求的审核和指导，掌握项目进展情况的同时，充分发掘团队各个成员的潜能，重点在学生进行系统总调、结构安装、抗干扰、程控调速方法等环节，及时提出解决问题的方法。

为了便于学生尽快上手实践，提供或介绍如下学习资料：

1. 测量转速传感器的基本知识、类型、技术参数及典型应用；
2. Altium Designer 电路设计软件及视频资料；
3. Multisim电路仿真和 LabVIEW 软件、相关范例及书籍，在线学习视频网址；
4. 变频器实物和相关技术资料；
5. 测速和调速的原理和方法的书籍。

6. 实验原理及方案

6.1系统设计方案

从图 1-1 所示的可以看出，在考虑整体成本、校验台体积尺寸、实现集成化、机械结构简单稳定、测速调速便捷、保证测量准确度、适应于实验教学等多方面后，标准转速校验台系统设计方案确定为：

1. 三相异步电动机选用体积小的卧式电动机，功率 180W，额定转速2800转/分；
2. 变频器选用国产性能稳定体积小的EDS800 系列，交流输入输出为 $3 8 0 \mathrm { V }$ ，额定功率 $1 . 5 \mathrm { k W }$ （考虑电机扩展）；
3. 光电编码器选用输入电源DC-5V，分辨率为 $6 0 0 \mathrm { P } / \mathrm { R }$ ，输出为增量式长线驱动型；并选择相应轴向柔性连接的铝合金联轴器；
4. 在准确测量三相异步电机前后轴的直径Φ电和轴心高度 h电以后，分别设计安装在电机前轴上的传感器码盘，固定在底座上的传感器安装支架，安装在电机后轴上的轴套（注意考虑与光电编码器的轴向连接及安装）；$\textcircled{1}$ 标准转速显示（5 位 LED）、手动调速旋钮、“手动/程控”调速开关、“正转/停止/反转”开关、“A/D”采集接口、“D/A”程控接口等，均设计在标准转速表的前面板上，提高的集成化程度；$\textcircled{2}$ 标准转速表的后面板设计标准 220V 交流插孔和电源开关，预留控制输出线、光电编码器输入线、“正反转”控制输出线等线孔；
   $\textcircled{3}$ 电路设计分为两个模块：标准转速显示模块和信号处理模块。标准转速表的原理框图如图 2 所示。

图2 标准转速表的原理框图

可见标准转速表设计是校验台电气部分的关键，标准转速表电路各部分原理见 6.2部分的介绍。6) 校验台设计制作的目的是应用在实验教学中，具体实验任务的设计思路，在 6.3 部分中介绍。

6.2标准转速表的设计原理

1. 测速方案

编码器测速方法分为 M法测速（频率法）、T法测速（周期法）和 M/T 法测速三种。其中 M法适用于测量高转速，T 法更适用于测量低转速，M/T 法则结合两者的优点增加测速范围。本设计中根据电动机的额定转速，设定的校验台测速调速范围，以及光电编码器的输出参数，可计算出测速脉冲频率在 $2 0 0 0 { \sim } 3 0 0 0 0 \mathrm { H z }$ 的范围内。为此，可选用 M 法测速作为本转速表的测速设计思路，也决定了电路的设计思路。

2. 标准转速显示模块

标准转速显示模块的实现方案是利用数码管及其五个级联的七段译码器实现的。CD40110 是十进制计数器，同时也是七段译码器；它具有加减计数，译码显示，动态锁存等功能，为此用 CD40110为核心设计转速显示电路。

转速显示部分电路原理图如图 3 所示。将所有 CD40110 芯片的 Ya~g 端按顺序与共阴极数码管相连，倒数第二位的数码管小数点通过保护电阻接电源，最低位芯片的 CPU 端（增计数端）接经传感器整形后的计数脉冲，低位芯片的进位输出端 CO 接高位芯片 CPU 端，依次级联。/LE 锁存端和CR清零端，分别接由信号处理模块送至的锁存和清零信号。

图3 转速显示部分电路

3. 信号处理模块$\textcircled{1}$ 测速脉冲整形电路

为了保证测速信号的质量，将光电编码器输出的脉冲信号，送入如图 4 所示的整形电路进行整形。这里采用电压比较器LM393来完成整形并输出。

图4 光电编码器信号整形电路

$\textcircled{2}$ 闸门信号的产生

由为了准确产生 1s 的闸门信号，用 $3 2 . 6 8 7 \mathrm { k H z }$ 晶振通过芯片 CD4060 进行 14 分频，获得 2Hz的脉冲信号。晶振的14分频电路如图 5所示。

图 5 晶振14 分频电路

选用双 D 触发器 CD4013 芯片，进行 2 次 2 分频产生 $0 . 5 \mathrm { H z }$ 的信号，通过与 4 与非门 CD4011逻辑配合，分别获得1s的闸门信号，以及锁存信号 SAVE 和清零信号CLR。闸门信号和控制信号产生电路如图 6 所示。

图6 闸门信号和控制信号产生电路

经过电路各个点波形的时序配合，当整形信号送入信号处理电路后，在闸门信号结束后，产生锁存信号，此时立即计数显示转速，再对当前转速清零，进入下一个周期的计数。

设计制作完成的标准转速实物图如图7所示。

图7 标准转速表的实物图

6.3机械结构的构建

1. 机械零件结构

$\bullet$ 基座：对于整体材料上，选用金属铝作为加工对象。加工一个 $2 . 0 \mathrm { m m }$ 厚的铝板作为校验台的基座，下面开有槽口，便于后期电气走线和安装防震橡胶垫；

$\bullet$ 传感器码盘：加工一个均匀分布十个通光孔的码盘，在其中心加工一个锥形孔。码盘后面的空心轴与电动机轴进行紧配合安装。传感器码盘实物如图 8的a）所示；

 传感器固定支架：包括水平固定的 T支架和活动的H 支架。T支架固定在基座上，H支架预留传感器发射管接收管和安装孔，并通过螺栓固定在T 支架上。传感器固定支架实物如图 8的 b）所示；

$\bullet$ 光电编码器轴套：将电动机后面的风扇罩和风扇拆除，露出后轴。加工一端空心一端实心的轴套，空心处套在后轴上，实心处与光电编码器柔性连接器轴向连接。光电编码器轴套实物如图8的c）所示；

$\bullet$ 法兰盘：必须加工一个与电动机中心轴高度一致的专用法兰盘，以固定光电编码器。法兰盘实物如图8的 d）所示。

图8 机械零件各部分结构图

2. 机械安装调试

为了减噪、减震，消除传感器的损坏率，整体安装时必须对准同一个电动机轴心。安装在H 支架时，上端前后的传感器通光孔，必须对准码盘上的通光孔。所有螺栓均采用内六棱螺栓，沉孔安装，以保证稳定安全。最后完成的机械装配实物图如图 9所示。

图9 机械装配实物图

通过电气接线、机械安装、转速表标定调试，以及系统平台总调，最后制成的标准转速校验台实物图如图10所示。

图10标准转速校验台实物图

6.4 多层次测速调速实验的构建

1. 多传感器转速测量实验：参见实验指导书中内容； 2) 基于开关式光电传感器的转速测量的设计：参见实验指导书中内容。经过 LabVIEW编程训练后， 设计的转速测量虚拟面板如图11 所示，编程的流程框图如图12所示。

图11 转速测量虚拟面板

图 12 转速测量流程框图

3. 光电编码器测速和 PID 调速系统的设计：通过 myDAQ 采集控制，测速和调速的虚拟面板如图13所示，相应的编程流程框图如图 14 所示。

图13最优参数调速结果

图14 采用PID 增量式算法的流程图

图15 校验台在多层次实验教学中的应用

7. 实验报告要求

结合本设计的实际情况，按论文格式要求，提交要求如下：

1. 摘要；
2. 绪论
3. 校验台系统设计要求
4. 需求分析及系统设计方案
5. 电气部分各功能模块的硬件设计
6. 机械结构设计；
7. 教学实验设计；
8. 系统调试和测试；
9. 总结和展望；
   10)成本核算；
10. 参考文献。

8. 考核要求与方法（限 300 字）

项目前期：

1）开设例会提出项目要求；
2）学生提交项目总体设计方案；
3） 考核项目方案的可行性、合理性、电气及机械部分的正确性。

项目实施中：

1） 掌握进度，考核系统功能模块的完成程度，是否达到需求指标；
2）过程分析与解决问题相结合，针对教学实验是否到位；
3） 核算和管控成本；

项目完成后：

1）考核验收系统中模块的执行程度，以及测量准确度等技术参数；
2） 教学实验设计效果验收；
3） 论文撰写质量；
4）答辩。

9. 项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目具有很强的实验以及工程背景，从项目的调研、论证、设计、制作、装配到成品全过程，先进性、原创性、综合性并存，激发了学生自主实践、自主设计和自主拓展的积极性，提高了学生分析和解决工程实际问题的能力，培养了学生测试系统的构建和研发能力。

2016年8月制作了6 套校验台，已面向125位学生开展三个层次的实验教学活动，效果良好。

实验案例信息表