基于STM32單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)在線測(cè)速裝置設(shè)計(jì)

李海 趙浚堅(jiān) 周志毅 潘廣川

摘要：首先對(duì)直流電動(dòng)機(jī)在線測(cè)速裝置總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述，隨后對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析，最后通過系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了直流電動(dòng)機(jī)在線測(cè)速裝置的可靠性。

關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī);在線測(cè)速;傳感器;單片機(jī)

0 引言

目前國內(nèi)外對(duì)電動(dòng)機(jī)的測(cè)速方法有很多，按照不同的理論，可以將其分為擬測(cè)速法（如采用離心式轉(zhuǎn)速表或通過電機(jī)轉(zhuǎn)矩或電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)計(jì)算所得）、同步測(cè)速法（如采用機(jī)械式或閃光式頻閃測(cè)速儀）以及計(jì)數(shù)測(cè)速法。計(jì)數(shù)測(cè)速法又可分為機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法和電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式傳感器（利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等）、電容式傳感器（對(duì)高頻振蕩現(xiàn)象進(jìn)行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制）等檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。采用光電傳感器的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)具備測(cè)量準(zhǔn)確度高、采樣速度快、測(cè)量范圍寬以及測(cè)量精度與被測(cè)轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 總體方案設(shè)計(jì)

電流頻率測(cè)速法通過電流取樣，提取其中的直流成分，經(jīng)放大送入A/D轉(zhuǎn)換電路，最后由單片機(jī)處理換算成轉(zhuǎn)速。有刷電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，其電流將會(huì)突變N次，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的不同情況，其中N有可能是6次或者8次，電流頻率測(cè)速法正是通過測(cè)量電動(dòng)機(jī)電流的突變頻率，換算成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，此測(cè)量方法屬于數(shù)字測(cè)量方法，誤差較小，精度較高，更加容易滿足設(shè)計(jì)要求。

本系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)計(jì)方案要求，電流頻率測(cè)速法，由低阻值取樣電阻提取電動(dòng)機(jī)回路的電流脈沖信號(hào)，由于取樣電阻兩端疊加有直流和交流信號(hào)，因此需要濾除直流成分，提取與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)的交流成分，并進(jìn)行放大、比較處理，送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速換算，并由液晶屏顯示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;有刷直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速裝置的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由STM32模塊、信號(hào)處理模塊、電流取樣測(cè)速模塊、控制系統(tǒng)模塊、OLED顯示模塊組成，其中單片機(jī)采用了STM32F103單片機(jī)作為主控芯片，可以滿足本次直流電動(dòng)機(jī)在線測(cè)速裝置的設(shè)計(jì)要求。

2.1? ? 信號(hào)處理模塊

LM393是高增益、寬頻帶器件，能將輸入過來的信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖方波波形，且LM393是專業(yè)的電壓比較器，切換速度快，延遲時(shí)間短。本設(shè)計(jì)利用了頻率測(cè)速法，采用采樣電阻電路和電感檢測(cè)電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過放大電路、增益電路、電壓比較電路將脈沖信號(hào)傳送給STM32單片機(jī)。為了LM339能正常工作，此次設(shè)計(jì)在輸出端選擇串聯(lián)了一個(gè)3.3 kΩ的電阻，同時(shí)為了能獲得更好的波形，在信號(hào)進(jìn)入LM339前，通過電容和電阻串聯(lián)了一個(gè)RC電路，使波形更加平滑。

2.2? ? 電流取樣測(cè)速模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用串聯(lián)取樣電阻方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的功能，為了盡可能減少串聯(lián)電阻對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)支路的取樣電阻，通過取樣電阻將脈沖電流轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)。在此次設(shè)計(jì)中，通過運(yùn)用LM358將電動(dòng)機(jī)交流電流提取后的信號(hào)進(jìn)行放大，使用波形變化幅度更大，更容易捕捉。LM358可以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大，在每級(jí)放大器的輸出端都串聯(lián)一個(gè)電容，可以使得電容兩端的電壓不會(huì)突變，同時(shí)不會(huì)濾除電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的交流電壓。

2.3? ? 控制系統(tǒng)模塊

STM32系列是一款基于Cortex-M3內(nèi)核的中低端的32位ARM微控制器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)部帶有豐富的高速、高精度的定時(shí)器，將其時(shí)鐘源配置為外部時(shí)鐘，就可以對(duì)外部脈沖信號(hào)進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，還帶有單周期乘法器和硬件除法器。在處理速度、定時(shí)器采樣速度和精度方面，單片機(jī)Mega2560都遠(yuǎn)低于STM32控制器，為了保證系統(tǒng)的測(cè)量精度和設(shè)計(jì)成本，決定選用STM32F103單片機(jī)。

2.4? ? OLED顯示模塊

在顯示方面，本系統(tǒng)選擇了96寸的自發(fā)光的OLED顯示屏。以目前的技術(shù)來說，OLED的尺寸還難以實(shí)現(xiàn)大型化，但是分辨率很高。系統(tǒng)通過PCtoLCD2002軟件快速編譯出漢字碼，再發(fā)送到函數(shù)中便可以輸出漢字等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1? ? 系統(tǒng)總體工作流程

系統(tǒng)軟件部分主要分成用戶交互設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)，基于RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，利用系統(tǒng)的線程調(diào)度完成各個(gè)模塊的程序處理，程序流程圖如圖2所示。

3.2? ? 程序設(shè)計(jì)思路

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其次判斷是否有脈沖信號(hào)輸入，如無脈沖則轉(zhuǎn)速顯示“0000”，若有脈沖輸入，則啟動(dòng)定時(shí)器開始1 s計(jì)時(shí)，并記錄脈沖個(gè)數(shù)，最后將脈沖個(gè)數(shù)換算成對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)采取的是“N+1”測(cè)量方法，即在完成1 s內(nèi)測(cè)量出N個(gè)脈沖的基礎(chǔ)上，繼續(xù)測(cè)量直至最后“1”個(gè)脈沖完結(jié)所需時(shí)長，此方法可避免丟失脈沖的可能，從而提高脈沖個(gè)數(shù)測(cè)量精度。

3.3? ? 定時(shí)器的捕獲功能應(yīng)用

在單片機(jī)部分，用STM32定時(shí)器的捕獲功能去捕獲電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的波形。此次用到STM32中的定時(shí)器5，其中有一個(gè)寄存器名為TIM5CH1_CAPTURE_STA。該寄存器當(dāng)最高位置1時(shí)，表示捕獲完成;當(dāng)次高位置1時(shí)，表示捕獲到一個(gè)高電平。在TIM5_Cap_Init函數(shù)定義時(shí)設(shè)置好，然后等待上升沿中斷到來，當(dāng)捕獲到上升沿中斷，此時(shí)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(shè)置TIM5CH1_CAPTURE_STA的第6位為1，標(biāo)記捕獲高電平，最后設(shè)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(shí)器溢出，就在TIM5CH1_CAPTURE_STA里面對(duì)溢出次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)最大值溢出次數(shù)到來時(shí)，就強(qiáng)制標(biāo)記捕獲完成。當(dāng)下降沿到來時(shí)，先設(shè)置TIM5CH1_CAPTURE_STA的第7位為1，標(biāo)記成功捕獲1次高電平，然后讀取此時(shí)的定時(shí)器值到TIM5CH1_CAPTURE_VAL里面，最后設(shè)置為上升沿捕獲，回到初始狀態(tài)。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(huì)進(jìn)行第2次捕獲，在主函數(shù)處理完成捕獲數(shù)據(jù)后，將TIM5CH1_CAPTURE_STA置0，就可以開啟下一次捕獲了。

4 系統(tǒng)調(diào)試及指標(biāo)測(cè)試

為了快速、可靠地檢驗(yàn)本測(cè)速裝置的測(cè)量結(jié)果，采用相機(jī)拍照對(duì)比方式，將同步記錄本裝置與非接觸式高精度測(cè)速儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量結(jié)果如表1所示，其中采用串聯(lián)取樣電阻在電動(dòng)機(jī)回路的測(cè)量誤差均小于0.5%，其指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于SIM32單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)在線測(cè)速裝置系統(tǒng)，通過電流頻率測(cè)速法，可快速、有效地測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)驗(yàn)表明，本裝置硬件接口電路簡(jiǎn)單，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度、響應(yīng)速度均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。尤其在測(cè)量空間受限，或者在不允許改裝直流有刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，通過感應(yīng)電動(dòng)機(jī)外殼的電磁信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量功能，提供了一種新的直流電動(dòng)機(jī)在線測(cè)速方法，具有一定的創(chuàng)新性及工程推廣價(jià)值。

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收稿日期：2020-07-08

作者簡(jiǎn)介：李海（1982—），江西人，講師，研究方向：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。