用红外反射传感器制作简单的转速表

描述

目的

在更换电机并安装 PWM 变速驱动器后，我想测量铣床的主轴速度。

我的第一次尝试

我用红外反射传感器制作了一个简单的转速表。在实验室的桌子上一切正常。但在铣床测试后，转速表显示波动值和不正确的速度。造成这种故障的原因是我的车间里有很多电噪声和地线上奇怪的高频杂散电流。我确定故障的部分来源是开关时的接触器和低成本的中国开关电源。但一些寄生虫仍未被识别。

我曾尝试使用 LC 低通滤波器来抑制高频毛刺。但收效甚微。

如何解决这个问题

新的转速计在光反射传感器和 arduino 之间建立了光隔离。一个简单的 DC/DC 转换器为传感器和放大器级提供电流。然后信号通过光耦合器传输到arduino。

在传感器区域和 Arduino 区域之间，寄生电容应保持尽可能低。因此隔离距离应尽可能好，应避免走线接近。

转速表本身

我将 SFH900 用作传感器。但任何其他反射式光学传感器，如 TCRT5000（尚未测试）可能都能胜任这项工作。从 PS2 鼠标回收的电缆从传感器连接到电路板。PS2 连接器是从旧电脑的主板上回收的……

应朋友的要求，我测试了 adafruit.com 上提供的传感器：ITR20001。我还测试了 RPR220 和 ST188 反射传感器。这三个都很好用。应增加传感器与反光标记之间的距离（6 至 12 毫米，具体取决于传感器）。在对 RV2 进行微调后，所有三个都可以测量到高达 20,000 rpm 的转速，并且车轮每转一圈有一个白色标记。

传感器的 LED 由来自隔离式 DC/DC 转换器的 R1 供电。C3 提供了一条低阻抗路径，以缩短电线上可能出现的干扰。对于传感器的输出，低通滤波由 C4 和 R2+RV2 在 530Hz 左右（RV2 为 0Ω）低至 120Hz（RV2 为 10KΩ）实现。这为测量至少 7200RPM 留下了空间。该信号由 PNP 晶体管 Q6 放大。然后光耦合器U4将信号传输到arduino的D2引脚（中断输入）。在输入端，一个 530 Hz 低通 RC 滤波器 (R12-C13) 消除了剩余的振荡。速度显示在 0.91 英寸 I2C OLED（128x32 点）上。

隔离式 DC/DC 转换器

它围绕着 Q4、Q5、C5、C6、C7 和一个自制的变压器。它们作为约 120kHz 的对称振荡器工作。输出通过肖特基二极管桥进行整流，以尽可能减少电压损失。

如果输出电压为给定值，U3 (TL431) 让电流流过光耦合器 (U2) 的 LED。光耦合器输出晶体管将 Q3 栅极短路到 GND，然后停止为振荡器供电。

变压器

变压器围绕从旧 PC 电源回收的黄色 + 红色环形线圈（13 x 6.6 毫米 - 7.2 毫米孔）构建。测得的 AL 值约为 25-26 nH/N²。2 mm 厚的 PVC 绝缘壁在环形磁芯中用氰基丙烯酸酯胶合。初级用手缠绕 2 根电线。然后将次级线圈缠绕在自由孔中。绝缘壁最突出的部分粘在一块穿孔板上，电线连接到引脚。缠绕时，一点胶带可以帮助将电线固定到位。

将电线焊接到穿孔板上的引脚后，用绝缘清漆（例如来自 Kontakt Chemie 的 PLASTIK 70）固定铜线圈。

回收的环形线圈——绝缘壁粘在环形铁芯上

环形线圈：黄色 + 红色（13 x 6.6 毫米 - 7.2 毫米孔）（也许其他人可以完成这项工作，但我没有测试过）

初级：2 x 24 圈规 31 (Ø 0.22mm) ( ≈ 16 µH)

次级：70 圈规 32 (Ø 0.20mm) ( ≈ 138 µH)

绝缘壁：一块PVC，2mm厚

初级绕组 - 次级开始和 - 变压器的完成状态

变压器接线（从顶部显示）

OLED显示屏和成品转速表板

例如，如果您想在穿孔板上构建它，请注意绝缘屏障。就我而言，我在 CNC 3018 上铣削了 PCB。我附上了 gerber 格式和 BMP 格式的 PCB 文件，如果你想复制它的话。物料清单也有 excel 文件。MOS、双极晶体管和光耦合器并不重要。您只需要确保封装和引出线是相同的。注意电阻电容几乎都是0805贴片外壳。除了钽电容器（从旧 PC 主板上回收）和 1206 SMD 外壳中的 R1 和 C3 之外，为在下方运行的轨道留出足够的空间。钽电容器的值并不重要，只要外壳适合占位面积即可。但如果可能，它们的电压应为 10V（最低 6.3V）。

安装在铣床上

皮带轮和 SFH900 传感器之间的最终安装距离应约为 2-3 毫米。这就是为什么我在正确的距离处加工了一个小的 PVC 楔子。

光学反射传感器的位置

用丙酮清洗后，主轴皮带轮底部先涂上哑光黑漆。花足够的时间让这种黑色油漆完全干燥。从不干胶卡片纸上剪下模板。它位于最佳可能的中心位置。白色标记是通过模板绘制的。注意黑色部分至少是白色标记的两倍。您必须选择每转是否需要一个或多个反光条。开始画之前请看下面的解释！

带有反光标记的主轴皮带轮

滑轮上反光标记的数量需要正确插入“Tachymetre.ino”中的“#define nbrPulsePerTurn”行

因为2s的“timeOut”，反光标记的数量决定了可以显示的最小速度eg：

1 个反光标记 — 30 RPM

2 个反光标记 — 15 RPM

4 个反光标记 — 8 RPM

10 个反光标记 — 3 RPM

但是那里的标记越多，最大速度就越低。例如，使用 1 标记时，您应该能够在不精确设置的情况下达到 7000 或 8000 RPM。通过使用示波器显示 arduinos 引脚 2 上的脉冲并精确调整 RV2，我可以达到 20、0000RPM。要走得更高，你有几个杠杆。首先，使用具有最佳反射效果的单一标记。镜面胶带是我能测试的最好的。其次，您可以增加传感器 LED 中的电流（减小 R1 的值）。第三，您可以增加低通滤波的截止频率（减小 C4 的值）。每次，将 RV2 设置为尽可能低的值，以便在 arduino 的 D2 输入端获得信号。

设置步骤

随着主轴缓慢旋转（100-300 rpm 会很好），调整 RV2 电位器，使 Arduino 上的“LED_BUILTIN”随着白色反光条经过传感器而稳定地打开或关闭。尝试通过顺时针和逆时针旋转 RV2 来找到极限。如果超出限制，LED 会疯狂闪烁或保持稳定亮起或熄灭。尝试将其设置在靠近中心的位置，或者逆时针方向设置一点。通过这个基本设置，我的转速计能够测量每转 10000 rpm 以上的反射标记速度或超过 2500 rpm 的每转 4 个反射标记（我的情况）

如果您可以使用示波器，请显示 arduino 引脚 D2 上的信号。在更快的主轴速度下，您可以非常精确地调整它以测量尽可能高的速度。您可以在不修改低通 RC 滤波器的情况下达到 20、000 - 22、000 rpm。

如果您需要测量更高的速度，您可以根据以下几点进行操作：

获得比白色油漆更反光的条带

通过降低 R1 来增加传感器 LED 中的电流。注意不要超过最大额定值（例如，对于 SFH900，最大 LED 电流为 50mA。保持在 30-40mA 以下是安全的。到目前为止，我测试过的所有传感器的推荐工作电流通常为 20mA）

通过减小 C4 和 C13 的值来提高 RC 滤波器的截止频率。