直流電動機測速裝置的設計

李海 李媛瓊 張恩溪

摘 要：裝置采用STM32F103ZET6單片機為核心控制，主要是應用電動機串接采樣電阻和由TLC27L4制成的傳感器測量直流有刷電動機轉速的裝置，通過電路處理成脈沖信號，再傳送給單片機系統進行技術運算，并將測量的轉速結果顯示在LCD上。整個裝置精度高、穩定可靠，可以有效的對電機正常運行的速度進行采集，占用空間小，使用方便，滿足電機的測速要求。

關鍵詞：直流電動機；測速；電磁感應；傳感器

近年來，隨著電力電子技術、計算機技術及控制技術等的快速發展，伺服驅動系統不斷朝著數字化、智能化方向發展。直流電動機作為一種較常用電動機，不但擁有傳統電動機的高運行效率，好的調速性能以及無勵磁損耗等優點，還擁有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優點。在中、小功率伺服領域很受歡迎。在一般的電動機調速系統中，通常是在電動機的轉軸上安裝編碼盤，但是由于具有電刷和換向接觸安裝裝置，所以很難克服存在的一些缺陷。而存在的某些缺陷采用新型的光電元件可以克服。

直流電機測速系統是采用STM32F103ZET6單片機為核心控制，通過信號采集模塊、信號處理模塊、LCD顯示模塊構成的電機運行監測系統，可以時時顯示電動機的轉速（如圖1所示），具有較好的應用性。此裝置運行可靠，顯示準確。整個監測裝置采用串接采樣電阻和由TLC27L4制成的傳感器實現直流有刷電動機轉速的測量。

直流電機的運用很廣泛，主要運用由TLC27L4自制而成的傳感器，轉速最大測量范圍是9999r/min，測量范圍寬。適用于大中小容量各種電機，測量速度快，顯示準確適用范圍廣。比如，在紡織業紗線生產中，測量要求直流電機將勞動紗線供在紗線夾上。

1電路設計

本裝置單片機系統、采樣電阻、脈沖信號處理電路、磁場信號處理電路以及電源等組成。

1.1采集電路

本裝置利用了頻率測速法，采用采樣電阻電路和電感檢測電路對數據進行采集，通過放大電路、增益電路、電壓比較電路將脈沖信號傳送給STM32單片機。采用怎樣的轉速測量的算法是本作品設計中的重點。在此基礎上實現其功能。通過采用頻率測速法來完成這個功能，由信號采集電路、放大電路、增益電路、電壓比較電路得到電機轉速的秒沖信號，將脈沖信號傳送給單片機，單片機通過算法得出脈寬。從而求得脈沖個數，再轉換成頻率，由頻率得出電動機的轉速。先將每個脈沖時間相加，得出平均脈沖時間，從而求得脈寬，再通過計數，求得1s內所獲得的脈寬數，再而求得對應頻率f。共兩種采集信號的方式，具體如下：

其一：以電動機電樞供電回路串接采樣電阻的方式，采用100mR電阻對正在運作的電動機進行電流采樣。

其二：自制傳感器檢測電動機殼外電磁信號的方式實現對直流電動機進行轉速測量。主要由TLC27L4四路精密單電源微功耗運算放大器組裝而成的能檢測電動機殼外電磁信號的采集電路，如圖2所示。

1.2信號處理電路

因為本裝置需要計算到脈寬，精度較高，采用運算放大器OP07構成的單路放大電路和LM393構成的集電極開路電壓比較器。OP07具有高增益低失調、低電壓漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比、低溫度漂移。特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面；而LM393是高增益，寬頻帶器件，將信號轉換成標準的脈沖方波波形；LM393的輸入分辨率、速度、驅動能力都較好。具體處理方式如下：

通過對采樣電阻采集回來的電壓脈沖信號通過放大電路及電壓比較電路處理成方波信號，再輸入到單片機的定時器/計時器口進行處理。如圖4所示。RL為采樣電阻，在信號處理電路中，不規律信號由信號放大電路進行放大再經電壓比較電路，形成標準方波。

對電感檢測采集回來的信號通過放大電路、增益電路及電壓比較電路處理成脈沖信號，其中，增益電路是對放大電路的增益進行調節的過程。是為了使隨輸入信號電平變化而引起的輸出信號電平變化少。如圖3所示。

1.3控制電路

控制模塊為簡化外圍電路設計，減小系統功耗采用STM32F103ZET6單片機為主控芯片，外接鍵盤和LCD1602顯示進行設置和參數顯示。STM32單片機作為主控芯片。穩定性強，資源豐富，定時器多達7個，并且速度快、功耗低、主頻可達72MHz。為提高測量精度，選用外部晶振做系統時鐘源。整個模塊對檢測電路傳送過來的數據進行轉換、運算，并輸出顯示測量值。

2系統程序設計

裝置的軟件采用c語言，基于keil 5對單片機進行編程實現測速功能。首先對單片機系統進行定時器初始化，軟件設計的關鍵是對采集回來的數據進行處理和轉換后的電動機轉速的顯示，測量周期是在1s，能較好準確刷新機器的轉速，裝置程序流程如圖4所示。

3裝置測試性能指標

通過對高精度非接觸式轉速儀和本測速裝置進行對比，得到測速裝置的測試結果如表P所示，其中測量誤差均在0.1%以下。

4結語

整個系統偏重于硬件電路的設計與調試，而整個電路難的部分也是最大的亮點是電路結構簡練，用簡練的硬件電路，精簡的程序實現裝置的完整性和穩定性，且測速效率較高，整個裝置的設計成本較低，功耗小，性價比高。裝置通過單片機實現了通過采樣電阻及電感檢測對直流有刷電動機進行測速，通過測試，電動機串接采樣電阻在測量范圍為300-9000rpm內，測量周期為2秒，測量誤差不大于o.1%實現了四位十進制的顯示，且采樣電阻對轉速的影響不大于o.5%；而對于自制傳感器的檢測在測量范圍為.300-9000rpm內，測量周期為1秒，測量誤差不大于o.1%，實現了四位十進制的顯示，并通過LCD顯示出來。此電動機測速裝置性價比高。為電機速度的測量提供了一種新的思路，具有一定的市場前景。

參考文獻

[1]李燁.基于M/T法的無刷直流電動機智能數字式測速電路[J].中小型電機，2001，28 （4）：51-53.

[2]孫桂榮，班瑩，劉嗚.電機轉速測量設計實驗[J].實驗室科學，2005，（4）：50-53.

[3]丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機測速裝置設計[J].農機化研究，2010，32 （5）：81-83.

[4]和林濤，李小魁.電機測速系統設計與實現[J]，電子世界，2014，（20）：180-180，181，

[5]張文初，謝永超.基于AT89S51控制的直流電機調速與測速系統設計與實現[J].科學技術與工程，2011，11 （33）：8178-8180，8185.

[6]丁陽喜，吳冀林.基于單片機測量電機轉速的系統設計[J].煤礦機械，2010，31 （3）：236238.