用紅外反射傳感器制作簡單的轉(zhuǎn)速表

描述

目的

在更換電機(jī)并安裝 PWM 變速驅(qū)動器后，我想測量銑床的主軸速度。

我的第一次嘗試

我用紅外反射傳感器制作了一個簡單的轉(zhuǎn)速表。在實驗室的桌子上一切正常。但在銑床測試后，轉(zhuǎn)速表顯示波動值和不正確的速度。造成這種故障的原因是我的車間里有很多電噪聲和地線上奇怪的高頻雜散電流。我確定故障的部分來源是開關(guān)時的接觸器和低成本的中國開關(guān)電源。但一些寄生蟲仍未被識別。

我曾嘗試使用 LC 低通濾波器來抑制高頻毛刺。但收效甚微。

如何解決這個問題

新的轉(zhuǎn)速計在光反射傳感器和 arduino 之間建立了光隔離。一個簡單的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為傳感器和放大器級提供電流。然后信號通過光耦合器傳輸?shù)絘rduino。

在傳感器區(qū)域和 Arduino 區(qū)域之間，寄生電容應(yīng)保持盡可能低。因此隔離距離應(yīng)盡可能好，應(yīng)避免走線接近。

轉(zhuǎn)速表本身

我將 SFH900 用作傳感器。但任何其他反射式光學(xué)傳感器，如 TCRT5000（尚未測試）可能都能勝任這項工作。從 PS2 鼠標(biāo)回收的電纜從傳感器連接到電路板。PS2 連接器是從舊電腦的主板上回收的……

應(yīng)朋友的要求，我測試了 adafruit.com 上提供的傳感器：ITR20001。我還測試了 RPR220 和 ST188 反射傳感器。這三個都很好用。應(yīng)增加傳感器與反光標(biāo)記之間的距離（6 至 12 毫米，具體取決于傳感器）。在對 RV2 進(jìn)行微調(diào)后，所有三個都可以測量到高達(dá) 20,000 rpm 的轉(zhuǎn)速，并且車輪每轉(zhuǎn)一圈有一個白色標(biāo)記。

傳感器的 LED 由來自隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 R1 供電。C3 提供了一條低阻抗路徑，以縮短電線上可能出現(xiàn)的干擾。對于傳感器的輸出，低通濾波由 C4 和 R2+RV2 在 530Hz 左右（RV2 為 0Ω）低至 120Hz（RV2 為 10KΩ）實現(xiàn)。這為測量至少 7200RPM 留下了空間。該信號由 PNP 晶體管 Q6 放大。然后光耦合器U4將信號傳輸?shù)絘rduino的D2引腳（中斷輸入）。在輸入端，一個 530 Hz 低通 RC 濾波器 (R12-C13) 消除了剩余的振蕩。速度顯示在 0.91 英寸 I2C OLED（128x32 點）上。

隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器

它圍繞著 Q4、Q5、C5、C6、C7 和一個自制的變壓器。它們作為約 120kHz 的對稱振蕩器工作。輸出通過肖特基二極管橋進(jìn)行整流，以盡可能減少電壓損失。

如果輸出電壓為給定值，U3 (TL431) 讓電流流過光耦合器 (U2) 的 LED。光耦合器輸出晶體管將 Q3 柵極短路到 GND，然后停止為振蕩器供電。

變壓器

變壓器圍繞從舊 PC 電源回收的黃色 + 紅色環(huán)形線圈（13 x 6.6 毫米 - 7.2 毫米孔）構(gòu)建。測得的 AL 值約為 25-26 nH/N2。2 mm 厚的 PVC 絕緣壁在環(huán)形磁芯中用氰基丙烯酸酯膠合。初級用手纏繞 2 根電線。然后將次級線圈纏繞在自由孔中。絕緣壁最突出的部分粘在一塊穿孔板上，電線連接到引腳。纏繞時，一點膠帶可以幫助將電線固定到位。

將電線焊接到穿孔板上的引腳后，用絕緣清漆（例如來自 Kontakt Chemie 的 PLASTIK 70）固定銅線圈。

回收的環(huán)形線圈——絕緣壁粘在環(huán)形鐵芯上

環(huán)形線圈：黃色 + 紅色（13 x 6.6 毫米 - 7.2 毫米孔）（也許其他人可以完成這項工作，但我沒有測試過）

初級：2 x 24 圈規(guī) 31 (? 0.22mm) ( ≈ 16 μH)

次級：70 圈規(guī) 32 (? 0.20mm) ( ≈ 138 μH)

絕緣壁：一塊PVC，2mm厚

初級繞組 - 次級開始和 - 變壓器的完成狀態(tài)

變壓器接線（從頂部顯示）

OLED顯示屏和成品轉(zhuǎn)速表板

例如，如果您想在穿孔板上構(gòu)建它，請注意絕緣屏障。就我而言，我在 CNC 3018 上銑削了 PCB。我附上了 gerber 格式和 BMP 格式的 PCB 文件，如果你想復(fù)制它的話。物料清單也有 excel 文件。MOS、雙極晶體管和光耦合器并不重要。您只需要確保封裝和引出線是相同的。注意電阻電容幾乎都是0805貼片外殼。除了鉭電容器（從舊 PC 主板上回收）和 1206 SMD 外殼中的 R1 和 C3 之外，為在下方運(yùn)行的軌道留出足夠的空間。鉭電容器的值并不重要，只要外殼適合占位面積即可。但如果可能，它們的電壓應(yīng)為 10V（最低 6.3V）。

安裝在銑床上

皮帶輪和 SFH900 傳感器之間的最終安裝距離應(yīng)約為 2-3 毫米。這就是為什么我在正確的距離處加工了一個小的 PVC 楔子。

光學(xué)反射傳感器的位置

用丙酮清洗后，主軸皮帶輪底部先涂上啞光黑漆?；ㄗ銐虻臅r間讓這種黑色油漆完全干燥。從不干膠卡片紙上剪下模板。它位于最佳可能的中心位置。白色標(biāo)記是通過模板繪制的。注意黑色部分至少是白色標(biāo)記的兩倍。您必須選擇每轉(zhuǎn)是否需要一個或多個反光條。開始畫之前請看下面的解釋！

帶有反光標(biāo)記的主軸皮帶輪

滑輪上反光標(biāo)記的數(shù)量需要正確插入“Tachymetre.ino”中的“#define nbrPulsePerTurn”行

因為2s的“timeOut”，反光標(biāo)記的數(shù)量決定了可以顯示的最小速度eg：

1 個反光標(biāo)記 — 30 RPM

2 個反光標(biāo)記 — 15 RPM

4 個反光標(biāo)記 — 8 RPM

10 個反光標(biāo)記 — 3 RPM

但是那里的標(biāo)記越多，最大速度就越低。例如，使用 1 標(biāo)記時，您應(yīng)該能夠在不精確設(shè)置的情況下達(dá)到 7000 或 8000 RPM。通過使用示波器顯示 arduinos 引腳 2 上的脈沖并精確調(diào)整 RV2，我可以達(dá)到 20、0000RPM。要走得更高，你有幾個杠桿。首先，使用具有最佳反射效果的單一標(biāo)記。鏡面膠帶是我能測試的最好的。其次，您可以增加傳感器 LED 中的電流（減小 R1 的值）。第三，您可以增加低通濾波的截止頻率（減小 C4 的值）。每次，將 RV2 設(shè)置為盡可能低的值，以便在 arduino 的 D2 輸入端獲得信號。

設(shè)置步驟

隨著主軸緩慢旋轉(zhuǎn)（100-300 rpm 會很好），調(diào)整 RV2 電位器，使 Arduino 上的“LED_BUILTIN”隨著白色反光條經(jīng)過傳感器而穩(wěn)定地打開或關(guān)閉。嘗試通過順時針和逆時針旋轉(zhuǎn) RV2 來找到極限。如果超出限制，LED 會瘋狂閃爍或保持穩(wěn)定亮起或熄滅。嘗試將其設(shè)置在靠近中心的位置，或者逆時針方向設(shè)置一點。通過這個基本設(shè)置，我的轉(zhuǎn)速計能夠測量每轉(zhuǎn) 10000 rpm 以上的反射標(biāo)記速度或超過 2500 rpm 的每轉(zhuǎn) 4 個反射標(biāo)記（我的情況）

如果您可以使用示波器，請顯示 arduino 引腳 D2 上的信號。在更快的主軸速度下，您可以非常精確地調(diào)整它以測量盡可能高的速度。您可以在不修改低通 RC 濾波器的情況下達(dá)到 20、000 - 22、000 rpm。

如果您需要測量更高的速度，您可以根據(jù)以下幾點進(jìn)行操作：

獲得比白色油漆更反光的條帶

通過降低 R1 來增加傳感器 LED 中的電流。注意不要超過最大額定值（例如，對于 SFH900，最大 LED 電流為 50mA。保持在 30-40mA 以下是安全的。到目前為止，我測試過的所有傳感器的推薦工作電流通常為 20mA）

通過減小 C4 和 C13 的值來提高 RC 濾波器的截止頻率。