基于STM32單片機的直流電動機在線測速裝置設計

李海 趙浚堅 周志毅 潘廣川

摘要：首先對直流電動機在線測速裝置總體設計方案進行了闡述，隨后對系統的硬件和軟件設計要點進行了詳細分析，最后通過系統指標測試結果，驗證了直流電動機在線測速裝置的可靠性。

關鍵詞：直流電動機;在線測速;傳感器;單片機

0 引言

目前國內外對電動機的測速方法有很多，按照不同的理論，可以將其分為擬測速法（如采用離心式轉速表或通過電機轉矩或電動機電樞電動勢計算所得）、同步測速法（如采用機械式或閃光式頻閃測速儀）以及計數測速法。計數測速法又可分為機械式定時計數法和電子式定時計數法。傳統的電動機轉速檢測多采用測速發電機或光電數字脈沖編碼器，也有采用電磁式傳感器（利用電磁感應原理或可變磁阻的霍爾元件等）、電容式傳感器（對高頻振蕩現象進行幅值調制或頻率調制）等檢測電動機轉速。采用光電傳感器的電動機轉速測量系統具備測量準確度高、采樣速度快、測量范圍寬以及測量精度與被測轉速無關等優點，具有廣闊的應用前景。

1 總體方案設計

電流頻率測速法通過電流取樣，提取其中的直流成分，經放大送入A/D轉換電路，最后由單片機處理換算成轉速。有刷電動機每轉動一周，其電流將會突變N次，根據電動機的不同情況，其中N有可能是6次或者8次，電流頻率測速法正是通過測量電動機電流的突變頻率，換算成電動機轉速，此測量方法屬于數字測量方法，誤差較小，精度較高，更加容易滿足設計要求。

本系統中根據設計方案要求，電流頻率測速法，由低阻值取樣電阻提取電動機回路的電流脈沖信號，由于取樣電阻兩端疊加有直流和交流信號，因此需要濾除直流成分，提取與電動機轉速有關的交流成分，并進行放大、比較處理，送入單片機系統進行轉速換算，并由液晶屏顯示電動機轉速;有刷直流電動機測速裝置的系統組成框圖如圖1所示。

2 硬件設計

本系統由STM32模塊、信號處理模塊、電流取樣測速模塊、控制系統模塊、OLED顯示模塊組成，其中單片機采用了STM32F103單片機作為主控芯片，可以滿足本次直流電動機在線測速裝置的設計要求。

2.1? ? 信號處理模塊

LM393是高增益、寬頻帶器件，能將輸入過來的信號轉換成標準的脈沖方波波形，且LM393是專業的電壓比較器，切換速度快，延遲時間短。本設計利用了頻率測速法，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。為了LM339能正常工作，此次設計在輸出端選擇串聯了一個3.3 kΩ的電阻，同時為了能獲得更好的波形，在信號進入LM339前，通過電容和電阻串聯了一個RC電路，使波形更加平滑。

2.2? ? 電流取樣測速模塊

根據設計要求，采用串聯取樣電阻方式實現測量電動機轉速的功能，為了盡可能減少串聯電阻對電動機轉速的影響，本文選取50 mΩ的取樣電阻。在交流電流提取與脈沖變換電路中，R1為電動機支路的取樣電阻，通過取樣電阻將脈沖電流轉換為脈沖電壓信號。在此次設計中，通過運用LM358將電動機交流電流提取后的信號進行放大，使用波形變化幅度更大，更容易捕捉。LM358可以實現兩級放大，在每級放大器的輸出端都串聯一個電容，可以使得電容兩端的電壓不會突變，同時不會濾除電動機產生的交流電壓。

2.3? ? 控制系統模塊

STM32系列是一款基于Cortex-M3內核的中低端的32位ARM微控制器，最高工作頻率可達72 MHz，內部帶有豐富的高速、高精度的定時器，將其時鐘源配置為外部時鐘，就可以對外部脈沖信號進行脈沖計數，還帶有單周期乘法器和硬件除法器。在處理速度、定時器采樣速度和精度方面，單片機Mega2560都遠低于STM32控制器，為了保證系統的測量精度和設計成本，決定選用STM32F103單片機。

2.4? ? OLED顯示模塊

在顯示方面，本系統選擇了96寸的自發光的OLED顯示屏。以目前的技術來說，OLED的尺寸還難以實現大型化，但是分辨率很高。系統通過PCtoLCD2002軟件快速編譯出漢字碼，再發送到函數中便可以輸出漢字等。

3 軟件設計

3.1? ? 系統總體工作流程

系統軟件部分主要分成用戶交互設計以及數據處理算法設計，基于RT-Thread實時操作系統，利用系統的線程調度完成各個模塊的程序處理，程序流程圖如圖2所示。

3.2? ? 程序設計思路

首先進行系統初始化，其次判斷是否有脈沖信號輸入，如無脈沖則轉速顯示“0000”，若有脈沖輸入，則啟動定時器開始1 s計時，并記錄脈沖個數，最后將脈沖個數換算成對應的電動機轉速。本系統采取的是“N+1”測量方法，即在完成1 s內測量出N個脈沖的基礎上，繼續測量直至最后“1”個脈沖完結所需時長，此方法可避免丟失脈沖的可能，從而提高脈沖個數測量精度。

3.3? ? 定時器的捕獲功能應用

在單片機部分，用STM32定時器的捕獲功能去捕獲電動機轉動時產生的波形。此次用到STM32中的定時器5，其中有一個寄存器名為TIM5CH1_CAPTURE_STA。該寄存器當最高位置1時，表示捕獲完成;當次高位置1時，表示捕獲到一個高電平。在TIM5_Cap_Init函數定義時設置好，然后等待上升沿中斷到來，當捕獲到上升沿中斷，此時如果TIM5CH1_CAPTURE_STA的第6位為0，則表示還沒有捕獲到新上升沿，就先把TIM5CH1_CAPTURE_STA和TIM5->CNT等清零，然后再設置TIM5CH1_CAPTURE_STA的第6位為1，標記捕獲高電平，最后設置為下降沿捕獲，等待下降沿到來，如果等待下降沿到來期間，定時器溢出，就在TIM5CH1_CAPTURE_STA里面對溢出次數進行計數，當最大值溢出次數到來時，就強制標記捕獲完成。當下降沿到來時，先設置TIM5CH1_CAPTURE_STA的第7位為1，標記成功捕獲1次高電平，然后讀取此時的定時器值到TIM5CH1_CAPTURE_VAL里面，最后設置為上升沿捕獲，回到初始狀態。至此完成一次高電平捕獲，只要TIM5CH1_CAPTURE_STA第7位一直為1，那么就不會進行第2次捕獲，在主函數處理完成捕獲數據后，將TIM5CH1_CAPTURE_STA置0，就可以開啟下一次捕獲了。

4 系統調試及指標測試

為了快速、可靠地檢驗本測速裝置的測量結果，采用相機拍照對比方式，將同步記錄本裝置與非接觸式高精度測速儀的測量結果進行對比，測量結果如表1所示，其中采用串聯取樣電阻在電動機回路的測量誤差均小于0.5%，其指標符合設計要求。

5 結語

本文設計了一種基于SIM32單片機的直流電動機在線測速裝置系統，通過電流頻率測速法，可快速、有效地測量電動機轉速，實驗表明，本裝置硬件接口電路簡單，系統工作穩定可靠，測量精度、響應速度均滿足設計指標要求，具有一定的實用價值。尤其在測量空間受限，或者在不允許改裝直流有刷電動機結構的情況下，通過感應電動機外殼的電磁信號即可實現轉速測量功能，提供了一種新的直流電動機在線測速方法，具有一定的創新性及工程推廣價值。

[參考文獻]

[1] 李燁，嚴欣平.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，劉鳴.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，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）：180-181.

收稿日期：2020-07-08

作者簡介：李海（1982—），江西人，講師，研究方向：檢測技術與自動化裝置。