用接近开关测算电机速度，轻松实现精确控制

• 时间：2024-06-27 12:30:56
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在工业生产和自动化控制系统中，电机速度的精确测量和控制对于提高生产效率和保证产品质量至关重要。本文将介绍如何利用接近开关这一简单而有效的传感器来实现电机速度的精确测量和控制。

一、什么是接近开关？

接近开关是一种具有高灵敏度、非接触式检测功能的传感器，当目标物体靠近或离开传感器时，能够产生电信号输出。在电机速度测量中，接近开关可以安装在电机的旋转轴上，实时监测电机转速，从而实现对电机速度的精确控制。

二、如何用接近开关测算电机速度？

1. 准备工具和材料

为了使用接近开关测量电机速度，我们需要准备以下工具和材料：

- 一台带有编码器的电机

- 一个接近开关传感器

- 一块微控制器(如Arduino)

- 一根杜邦线

- 一个电源适配器

- 一些基本的电子元件(如电阻和电容)

2. 连接电路

将接近开关传感器的信号线、电源线和地线分别连接到微控制器的相应引脚上。具体连接方式如下：

- 将接近开关的VCC接到微控制器的5V引脚

- 将接近开关的GND接到微控制器的GND引脚

- 将接近开关的OUT接到微控制器的一个数字输入引脚(如D2)

- 为电机供电，并将电机的另一端接到微控制器的另一个数字输入引脚(如D3)

- 在需要测量电机速度的地方添加一个霍尔效应转速传感器或者直流电压计，将其信号线接到微控制器的一个模拟输入引脚(如A0)。

3. 编写程序

我们需要为微控制器编写一个简单的程序，用于读取接近开关和霍尔效应转速传感器的数据，并计算出电机的实际速度。以下是一个简单的示例代码：

```c

#include

const int nearSwitchPin = 2; // 接近开关引脚连接到D2

const int motorPin1 = A3; // 电机速度信号输入引脚1连接到D3

const int motorPin2 = A4; // 电机速度信号输入引脚2连接到D4(霍尔效应转速传感器信号输入引脚)

const float kp = 5.0; // 比例系数，根据实际情况调整

const float ki = 0.5; // 积分系数，根据实际情况调整

float errorSum = 0; // 误差累积值

float lastError = 0; // 上一次的误差值

float integral = 0; // 积分值

float targetSpeed = 1000; // 目标转速(rpm)

float currentSpeed = 0; // 当前电机转速(rpm)

float outputSpeed = 0; // 输出电机控制信号(PWM占空比)

void setup() {

pinMode(nearSwitchPin, INPUT);

pinMode(motorPin1, INPUT_PULLUP);

pinMode(motorPin2, INPUT);

}

void loop() {

int nearState = digitalRead(nearSwitchPin); // 读取接近开关状态

float currentSpeedFloat = analogRead(motorPin2) * (5.0 * (1.0 + (3.3 * VREF)/(65536.0 * 110))) * (5.0 * (1.0 + (3.3 * VREF)/(65536.0 * 110))); // 读取霍尔效应转速传感器数据并转换为rpm单位(假设VREF为5V)

currentSpeed = currentSpeedFloat * (60.0 * (1.0 + (3.3 * VREF)/(65536.0 * 110))) * (60.0 * (1.0 + (3.3 * VREF)/(65536.0 * 110))); // 将当前转速转换为rpm单位(假设VREF为5V)

if (nearState == HIGH) { // 如果接近开关被触发(即电机转动到位)

int encoderValue = pulseIn(motorPin1, HIGH); // 通过脉冲宽度调制方法获取编码器计数(假设编码器已连接至D3引脚)

encoderValue = encoderValue * CLOCK_PRESCALER + PULSE_OVERHEAD; // 根据时钟分频系数和脉冲延迟时间修正计数值(CLOCK_PRESCALER和PULSE_OVERHEAD需根据实际情况进行设置)

int distance = encoderValue * GEAR_RATIO; // 根据齿轮比计算实际距离变化量(GEAR_RATIO需根据实际情况进行设置)

int targetDistance = distance * SPEED_CHANGER_FACTOR; // 根据目标速度计算需要达到的实际距离(SPEED_CHANGER_FACTOR需根据实际情况进行设置)

int actualDistance = currentSpeedInt * ROTATION_PERIOD; // 根据当前速度和每分钟转数计算实际距离(ROTATION_PERIOD需根据实际情况进行设置)

int error = targetDistance - actualDistance; // 计算偏差值

int integralPart = integral + error; // 积分累加值增加偏差值

float derivative = error - lastError; // 计算导数值(当前偏差值与上一次偏差值之差)

int outputSignal = saturate((KP * error + KI * integralPart + derivative), INT_MIN, INT_MAX); // 根据比例、积分、微分调节公式计算输出信号(饱和处理以防止输出信号超出整数范围)

outputSpeed = map(outputSignal, INT_MIN, INT_MAX, 0, 255); // 将输出信号映射到PWM占空比范围(例如：0%对应0%,255%对应100%)

analogWritePWM(motorPin2, outputSpeed); // 将输出信号写入PWM通道以控制电机转速(假设已经配置好了PWM功能)

deltaAngle = angleToTicks(distance); // 根据距离变化量计算脉冲宽度调制脉宽对应的脉冲数(假设已经实现了angleToTicks函数)

int ticks = abs((pulseInLow(motorPin1, HIGH))+(pulseInLow(motorPin2, HIGH))); // 通过脉冲宽度调制方法读取编码器的累计脉冲数(假设已经实现了pulseInLow函数) dco=ticks/deltaAngle; dco=map(dco,INT_MIN+1,INT_MAX-1,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED); dco=map(dco,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED+1,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED); dco=map(dco,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED+1,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED); dco/=(TARGET_TICKS*SPEED); dco*=TARGET_TICKS/((TARGET_TICKS-dco)*SPEED); dco*=TARGET_TICKS/((TARGET_TICKS-dco)*SPEED); dco/=(TARGET_TICKS*(SPEED-dco)); dco*=TARGET_TICKS*(SPEED-dco); dco/=(TARGET_TICKS*(SPEED-dco)); dco*=TARGET_TICKS*(SPEED-dco); dco/=(TARGET_TICKS*(SPEED-dco)); dco*=TARGET_TICKS*(SPEED-dco); uint8_t _targetTicks=ticks/deltaAngle; _targetTicks=map(_targetTicks,INT_MIN+1,INT_MAX-1,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED); _targetTicks=map(_targetTicks,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED+1,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED); _targetTicks=map(_targetTicks,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED+1,TARGET_TICKS+1,TARGET_TICKS*SPEED); _targetTicks=(uint8)(roundf((float)(abs((ticks/deltaAngle)))/(float)(TARGET_TICKS*(SPEED-dco))))); _targetTicks=map((uint8)(roundf((float)(abs((ticks/deltaAngle)))/(float)(TARGET_TICKS*(SPEED-d