基于IAP15W4K58S4單片機(jī)的直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張桂紅

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430065）

基于IAP15W4K58S4單片機(jī)的直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張桂紅

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430065）

目前有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法或需要電機(jī)有外露的旋轉(zhuǎn)部分或要固定到電機(jī)殼體內(nèi)部，成本較高且不適合作為測(cè)量?jī)x表。為此，筆者設(shè)計(jì)了一款無(wú)接觸有刷直流電機(jī)測(cè)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)以IAP15W4K58S4 單片機(jī)為核心，采集有刷直流電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生脈沖電流并向空中輻射電磁波，根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈動(dòng)電流和電磁波頻率關(guān)聯(lián)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量。

單片機(jī)；直流電機(jī)；轉(zhuǎn)速測(cè)量

1 引言

有刷直流電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，具有良好的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)性能。電機(jī)轉(zhuǎn)速是電機(jī)最基礎(chǔ)、最重要的參數(shù)狀態(tài)指標(biāo)，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中需要及時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速檢測(cè)。目前有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量方法主要有：接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)，需要有速度傳感器安裝在轉(zhuǎn)軸上才能進(jìn)行測(cè)量，使用不方便，局限性很大；無(wú)接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)常用的有光電編碼器，這兩種方法或需要電機(jī)有外露的旋轉(zhuǎn)部分或要固定到電機(jī)殼體內(nèi)部，成本較高且不適合作為測(cè)量?jī)x表。筆者研制的無(wú)接觸有刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置，無(wú)需在轉(zhuǎn)軸上安裝裝置，只需在外殼體電機(jī)碳刷附近安裝電磁接觸探頭，利用換向時(shí)電機(jī)的電磁場(chǎng)變化，就可以準(zhǔn)確測(cè)量有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，還可以制作成便攜式速度檢測(cè)計(jì)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電樞供電回路串接采樣電阻或自制電磁傳感器，得到與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)的脈沖電壓信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行比例放大、低通濾波、電壓比較后送單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)液晶屏顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.1 采樣電路

（1）以電動(dòng)機(jī)電樞供電回路串接電阻的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)速

目前有高端采樣和低端采樣兩種方式可以實(shí)現(xiàn)。高端采樣電路中，電阻跟電源電壓正極相接，電動(dòng)機(jī)接地，在0.1Ω電阻兩端并聯(lián)一只高精度、寬共模INA282芯片。信號(hào)從電源高端采集可避免電動(dòng)機(jī)懸浮不接地，引入干擾信號(hào)。低端采樣電路中，電阻接地，電動(dòng)機(jī)與電源電壓正極相接，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。輸入電壓經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生回路，電路中有干擾信號(hào)產(chǎn)生。通過(guò)比較分析，高端采樣方式更可靠，性能更穩(wěn)定。

（2）以自制傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)殼外電磁信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)速

以自制傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)殼外電磁信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)測(cè)速，且傳感器不與被測(cè)電動(dòng)機(jī)有任何電氣連接。本方案采用鐵芯線圈感應(yīng)與電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)的脈沖電磁波。

2.2 電動(dòng)機(jī)測(cè)速方式

可以采用測(cè)量電樞電流的變化幅度來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速。采用電流放大器構(gòu)成采樣電路、比例放大和儀表放大電路，將電流變化轉(zhuǎn)換為電壓變化檢測(cè)輸出電壓變化幅度，擬合電壓幅度與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系。但這種方式，電壓幅度與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的誤差大。本設(shè)計(jì)中采取測(cè)量電樞脈沖電流頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用運(yùn)放構(gòu)成同相比例放大電路和電壓比較器，獲得電壓頻率與轉(zhuǎn)速周期性變化，計(jì)算出電壓頻率與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間變化關(guān)系。經(jīng)過(guò)后期處理產(chǎn)生單片機(jī)便于處理的脈沖信號(hào)。

3 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

3.1 電樞回路串聯(lián)電阻測(cè)速

以電動(dòng)機(jī)電樞供電回路串接采樣電阻獲取脈沖電流的頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)小型直流有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。根據(jù)U-Ce?n=I(r0+r)，其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)，Ce為電磁常數(shù)，?為磁通量，r0為電樞內(nèi)阻，r為采樣電阻，采樣電阻越小，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速影響越小，故選用0.1Ω康銅絲電阻。

3.2 傳感器電磁信號(hào)測(cè)速

自制電感傳感器，利用電磁感應(yīng)原理，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路濾波放大比較輸出和電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的矩形脈沖電壓送入單片機(jī)進(jìn)行頻率采樣。

誤差：傳感器的線圈多少、擺放距離位置遠(yuǎn)近都會(huì)影響檢測(cè)波形的質(zhì)量。經(jīng)反復(fù)測(cè)量，最終確定傳感器位置。

測(cè)速誤差影響因素：（1）電磁場(chǎng)噪聲；（2）周?chē)h(huán)境風(fēng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響；（3）電路內(nèi)部錫絲連線等諸多影響。

4 硬件電路與程序設(shè)計(jì)

4.1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 串電阻測(cè)速系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由高端采樣電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示等部分組成。輸入電壓進(jìn)入高端采樣電路，把流過(guò)高端采樣電阻的脈沖電流轉(zhuǎn)為脈沖電壓輸出并進(jìn)行放大和比較，將與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行處理，控制液晶屏實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。串電阻測(cè)速系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 串電阻測(cè)速系統(tǒng)框圖

4.1.2 電磁探測(cè)測(cè)速系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要由采樣電路、信號(hào)處理電路、單片機(jī)、轉(zhuǎn)速顯示等部分組成。電動(dòng)機(jī)外部的電磁探頭探測(cè)到變化的磁場(chǎng)，將變化的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為周期性的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)后級(jí)放大比較的信號(hào)處理，得到直流脈沖信號(hào)，送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，液晶屏可以實(shí)時(shí)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速。整個(gè)電磁探測(cè)的電機(jī)測(cè)速裝置電路框架如圖2所示。

圖2 電磁探測(cè)測(cè)速系統(tǒng)框圖

4.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

4.2.1 串電阻測(cè)速

如圖3所示，前期通過(guò)INA282將采樣電阻的脈沖電流轉(zhuǎn)換為幅度約為100 mV的交流脈沖信號(hào)，該信號(hào)頻率是與電機(jī)轉(zhuǎn)速線性相關(guān)的，呈周期性變化，如圖4所示。經(jīng)濾波，LM324放大，可得到最低為2.5 V的有效電壓，進(jìn)入電壓比較器將有效信號(hào)整形為隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的脈動(dòng)直流信號(hào)。最后電壓跟隨器把輸出電壓信號(hào)送入單片機(jī)讀取信號(hào)頻率進(jìn)行處理得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3 串電阻測(cè)速電路

圖4 采樣波形周期性變化圖

4.2.2 電磁探測(cè)測(cè)速

如圖5所示，以自制傳感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)外部電磁信號(hào)將電動(dòng)機(jī)外部的電磁探頭探測(cè)到變化的磁場(chǎng)，再將該磁場(chǎng)進(jìn)行低通濾波，濾掉高頻信號(hào)，然后把該信號(hào)送入LM358放大得到約為2.5 V的電壓。最后經(jīng)過(guò)低通濾波濾掉干擾信號(hào)送入電壓比較器得到脈動(dòng)直流信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖5 電磁探測(cè)測(cè)速電路

4.2.3 過(guò)流報(bào)警電路

電動(dòng)機(jī)在超負(fù)荷運(yùn)行下會(huì)引起電樞電流超過(guò)額度電流，長(zhǎng)期運(yùn)行造成電機(jī)壽命減短甚至造成電機(jī)損壞，故設(shè)計(jì)過(guò)流保護(hù)報(bào)警電路是很有意義的。當(dāng)電路中電流不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時(shí)，電路保護(hù)裝置就會(huì)報(bào)警。本設(shè)計(jì)報(bào)警電路如圖6所示。通過(guò)INA282將采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)低通濾波轉(zhuǎn)化為直流電壓信號(hào)經(jīng)OPA2348放大送入單片機(jī)進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)顯示電樞電流。當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)蜂鳴報(bào)警。

圖6 過(guò)流報(bào)警電路

4.3 程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。上電后單片機(jī)開(kāi)始工作，LCD12864初始化，當(dāng)按下K1時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入串接采樣電阻工作方式，脈沖信號(hào)接單片機(jī)端口P3.5；當(dāng)按下K2時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入傳感器電磁信號(hào)工作方式，脈沖信號(hào)接單片機(jī)端口P3.4。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速受風(fēng)力、電動(dòng)機(jī)負(fù)載、振動(dòng)等外界因素影響大，該系統(tǒng)測(cè)試是在無(wú)風(fēng)防振動(dòng)的環(huán)境下進(jìn)行。測(cè)速結(jié)果表明：串電阻測(cè)速時(shí)，當(dāng)測(cè)量范圍在600 rpm～5000 rpm時(shí)，測(cè)量誤差都在0.2%～0.5%范圍內(nèi)變化，測(cè)量周期為2 s。采用0.1Ω采樣電阻，接通短路開(kāi)關(guān)后，對(duì)轉(zhuǎn)速的影響不大；采用探測(cè)測(cè)速時(shí)，當(dāng)測(cè)量范圍在600 rpm～5000 rpm時(shí)，測(cè)量周期1s，測(cè)量誤差在0.1%～0.2%范圍內(nèi)。這兩種方式下，誤差都不大，精度高、可靠。

[1] 唐介，劉嬈．電機(jī)與拖動(dòng)[M]．北京：高等教育出版社，2014．

[2] 徐建俊，居海清．電機(jī)拖動(dòng)與控制[M]．北京：高等教育出版社，2015．

[3] 德州儀器．德州儀器高性能模擬器件高校應(yīng)用指南-信號(hào)鏈與電源[Z]．上海：德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)有限公司，2015．

[4] 王建平，陳恒舉，楊鵬，等．直流電機(jī)測(cè)速調(diào)速裝置的制作與分析[J]．機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2016，29（4）：99-101．

DC Motor Speed Measurement System Design Based on IAP15W4K58S4 Single Chip Microcontroller

Zhang Guihong
(Wuhan Jiaotong Vocational College,Wuhan 430065,Hubei)

The current brush DC motor speed measurement method either needs exposed rotating part of motor or needs to fixed to the motor shell,which has high cost and is not suitable as measuring instruments.Therefore,the author designs a non-contact Brush DC motor speed measurement system.The system mainly uses IAP15W4K58S4 MCU as the core and collects the reversing pulse current of the brush DC motor which radiates electromagnetic wave into the air.According to the correlation of the speed and the pulsating DC motor current with electromagnetic wave frequency,the goal of motor speed measurement can be achieved.

single chip microcomputer；DC motor；speed measurement

TM33

A

1008-6609 (2017) 09-0043-03

張桂紅（1972-），女，湖北仙桃人，碩士，副教授，研究方向?yàn)殡姽る娮印⑼ㄐ拧?/p>