基于单片机控制的接近开关在电机转速测量中的应用

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1 引言

在工业过程实时控制中，连轴器的滑动监测和电机转速的检测是非常重要的，它对电机的安全保护乃至整个装置的平稳运行都有着至关重要的影响。因此，一个具有高分辨率、快捷而准确的监测系统是必不可少的。随着单片机和传感器技术的不断推陈出新，特别是高性价比的单片机芯片的涌现，转速测量和控制普遍采用了以单片机和高性能的传感器为核心组成的数字化、智能化的系统。本文介绍了一种高精度智能仪表和接近开关传感器对电机转速进行测量以及对摩擦离合器的同速监测。

2 工艺介绍

摩擦离合器是利用摩擦力传递扭矩的离合器。接合时，主﹑从摩擦件在一定压力下压紧。主动轴转动时，接合面间产生足够大的摩擦力，带动从动轴转动。分离时压紧力消失，接合面分离，摩擦力随之消失，从动轴不动。摩擦离合器的工作可分为接合﹑正常工作和分离三个阶段。在接合和分离阶段，从动摩擦件的转速低于主动摩擦件，会产生打滑现象，导致工作面发热和磨损。在正常转动过程中，要求摩擦面紧密接触，否则会造成摩擦面损坏，甚至导致生产事故。

现在以炼油厂聚丙烯造粒机为例介绍接近开关在滑动监测中的应用。聚丙烯挤压造粒主电机与螺杆压缩机连轴之间采用摩擦离合器。在开车过程中，仪表控制电磁阀打开，动力风推动摩擦离合器结合，主电机(master)带动螺杆连轴器部分(slave)转动。螺杆压缩机连轴经过变速后直接控制螺杆转速，一般情况下，电机的转速是1000prm/m，螺杆的转速为200prm/m。在正常生产过程中主电机与螺杆压缩机连轴的同速转动是非常重要的。因此，在摩擦离合器的主电机和螺杆压缩机连轴部分分别安装了高精度的仪表，在线监测同速状态和电机的转速。仪表显示主电机和螺杆连轴器部分的转速，并把检测控制信号引入plc，一旦出现滑动，造粒机立刻停机，保护设备安全。仪表安装如图1所示。

3 测量原理介绍

3.1 接近开关测量原理介绍

接近开关选用电感式接近开关，电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由lc高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。检测原理如图2。

3.2 转数测量

在摩擦离合器前后轴上都有两块检测金属块，检测金属块也跟着连轴同步旋转，在转轴的侧面各安装一个接近开关，当接近开关正对这检测金属块时，接近开关输出侧发出脉冲翻转信号，电机的转速与脉冲周期成反比，脉冲方波信号周期越长，转速越慢。周期与电机的转速有以下关系：

式中：n为电机转速;p为电机转一圈的脉冲数;t为输出方波信号周期。根据公式即可计算出直流电机的转速。对于一个转速检测系统来说，其关键在于能够使测速结果在整个转速范围内的准确性和分辨率为最佳并满足快速的动态响应要求。主电机与螺杆压缩机连轴两侧的脉冲信号同时输入仪表设备。仪表在显示各自转速的同时，比较脉冲差，并根据安全生产和保护设备的需要，设备联锁保护信号输入plc。如果两路脉冲数量差别比较大(造粒机组设定每秒钟脉冲差大于7个)，那控制仪表就认为是滑动，仪表输出控制信号给plc控制造粒机停机，并在控制盘上发出声光报警。

3.3 仪表选型

造粒滑动监测仪表选用德国爱福门(ifm)monitor fs-2控制仪表，计数频率高达400hz(脉冲长度最小值》1.2ms)，扫描速度非常快，与现在工控主流大型控制器相比有很大的优势，例如plc的扫描速度为一般为650ms/次，最快达到50ms/次，dcs扫描速度一般为1秒/次，最快为200ms/次。所以高速旋转的电机速度测量不能用plc和dcs。以单片机为核心的控制仪表非常适合高速运行电机速度的测量。ifm电感式接近开关可靠性高、抗干扰能力强、测量速度快。与机械开关相比，电感式传感器具有完美的先决条件：无接触和无磨损的工作方式及高的开关频率和开关精度。此外，它们抗震荡、防止灰尘和潮湿。电感式传感器可以无接触地检测所有的金属。

4 滑动检测过程

在机组开机后，仪表电磁阀通电，仪表动力风推动摩擦离合器结合。电机启动运行，并传动螺杆压缩机运行。滑动检测仪表及时监测主电机及螺杆压缩机连轴的同速转动情况，并把控制节点信号输入plc做停机条件。造粒主电机转数一般为1000prm/m，即为33个脉冲/秒(一个轴上两个检测块)，仪表时刻检测离合器两侧的转数，当两侧脉冲信号差每秒大于7个的时候，控制仪表节点断开，输入plc的信号消失，造粒机组连锁停车。在检测过程中，仪表能同时显示电机侧和螺杆压缩机连轴侧的转数。并能按仪表扫面速度及时刷新。

5 结束语

利用接近开关和高精度的检测仪表组成的在线检测系统，频率响应快、抗干扰能力强。在电机转速测量和滑动监测中得到广泛的应用。能准确的监测电机的运行状态，起到保护设备作用。