基于STM32和LABVIEW的电机磁环极对数检测系统设计①

李 敏， 钱 峰， 周先飞

(芜湖职业技术学院信息工程学院，安徽芜湖 241006)

1 电机磁环极对数检测系统研究现状和意义

目前，空调使用的单相电容式电机内部装有磁环，由于在电机磁环安装过程中容易误装参数不符的磁环，引起产品质量问题.因此，空调厂和配套电机厂的电机磁环在线检测意义重大.虽然目前国内已有一些电机磁环极对数检测仪器，多为单机且只能实现固定极对数检测;对电机内部的霍尔元件及周边电子元件的质量均无检测，无参数图形显示，无法实时显示电机内信号波形参数，欲显示波形参数需另添加示波器，使得系统复杂，智能化程度不高.因此，设计检测快速、高效、高精度，操作安全便捷的检测系统显得至关重要.

2 电机磁环极对数检测系统总体硬件设计

系统主要由供电电源、STM32F101T6控制核心、电机控制、霍尔传感器供电切换、霍尔传感器检测、信号整形和频率测量、占空比和幅值测量电路以及RS232串口电平转换电路构成.

2.1 检测系统STM32F101T6控制核心电路

该检测系统采用STM32F101T6作为主控芯片，PA0作为传感器工作电压检测输入，PA1作为传感器输出信号的幅值采集输入，PA2和PA3作为串行通信接口，PA4控制传霍尔传感器所需5V、12V供电切换，PA5控制电机启停，PA6报警信号输出，PB0传感器信号的频率测量输入.系统提供电压共有三路，包括 12V、5V、3.3V 直流输出.3.3V为STM32F101T6工作电源，12V和5V为不同型号的电机内霍尔传感器工作电源.12V电源是对220V变压整流滤波经LM7812稳压获得，5V电源是将12V电源经LM317调整而得，3.3V电源由5V电源经LM1117－3.3调整后获得.

2.2 检测系统电机控制、霍尔传感器供电电源切换电路

由于目前空调电机内霍尔传感器工作电压有5V和12V两种供电，根据不同型号空调电机，在PC机上设置电压，通过串口发送数据至下位机STM32系统，下位机根据接收数据切换供电电压是5V供电还是12V供电.STM32通过PA4口和PA5口分别控制空调电机运转和5V、12V电源切换.

2.3 测量信号整形及频率测量电路

由于传感器输出信号易受外界因素干扰，必须将传感器输出的方波进行滤波整形.[1－2]先使用LM358运放构建跟随器将测量信号波形进行整形，再经三极管BC846B对信号进行电平转换，实现信号的翻转，从而还原了传感器输出波形，因为STM32处理器采集信号的幅值最高不能超过3.3V，通过电平转换电路将幅值为5V或12V的方波转换成幅值为3.3V送入 STM32的PB0_TIM3_CH3进行方波频率和占空比的测量.

图1 STM32系统程序设计流程图

图2 霍尔传感器信号参数检测流程图

2.4 霍尔传感器工作电压检测和信号电平幅度检测电路

霍尔传感器工作电压经LM358跟随器和电阻分压电路后，将0～12V电压转换成STM32所要求的0～3.3V范围内，接入PA0口，实现工作电压的采集.霍尔传感器检测输出信号通过LM358电压跟随器和电阻分压，输入STM32的PA1，实现检测信号电平幅度采集.

3 测试系统软件设计

3.1 检测系统中STM32通信及控制系统软件设计

STM32系统上电后，首先执行硬件系统初始化，初始化完成即进入睡眠状态，等待中断到来.MCU接收3个中断:一是AD采样中断，在该中断实现AD转换采集霍尔传感器的工作电压和脉冲输出口电压幅值，计算并保存结果在数据缓冲区;在参数异常时，经LED发出报警信号.二是脉冲信号输入中断，在该中断中可以计算传感器脉冲输出频率和个数，并保存结果在数据缓冲区，在参数异常时，经LED发出报警信号.三是串口接收中断，该中断中完成接收PC机发送的指令、参数，设置传感器工作电压值和电机控制.由于空调电机的惯性特征，接通电源后电机由静止上升到额定转速需要一定时间，不考虑上升时间，检测过程中容易造成短暂的误报警现象.因此在进行信号检测前，留有一定的延迟时间，并根据数据缓冲区内容判断电机转速是否稳定，电机转速稳定后将传感器信号数据(频率、占空比、幅值)根据通信协议打包后，通过串行口发送到PC机上显示，程序流程图如图1所示.

图3 磁环极对数换算的程序流程图

3.2 检测系统LABVIEW设计

系统上位机软件采用NI公司开发的LABVIEW软件平台设计.首先，系统对串口进行初始化，包括串口号、传输数据格式设置，然后查询串口是否打开，当STM32发送数据后，在接收缓冲区中，检测数据是否大于零，若大于零则表示接收到数据，并进行传感器信号数据解析，分离出信号中占空比、频率、幅值，当设定频率与接收频率不一致时，系统报警并将本次测试数据记录保存，以便企业后期管理应用，设计流程图如图2所示.vi程序如图4所示，当接收到传感器信号幅值x、占空比n和频率数据后，首先将频率转换成周期T，根据公式y=(m ＞=T/100*n)?0:x，其中y为当前幅值，m为采样点数(取值从0至周期次数T)，这样在0至T范围内，可以按占空比n，取出低电平与高电平幅值x的个数.将循环产生的数保存为数组1，以周期T为倍数取0至z的整数组成数组2，数组1与数组2中的对应数据构成一个点，共循环5次，产生5个周期波形，利用xy图控件，构建传感器输出信号的动态波形显示图，设计流程图如图3所示，vi程序如图5所示.检测系统设计的操作界面如图6所示.

图4 霍尔传感器信号参数检测vi程序设计

图5 传感器信号参数图形显示vi程序设计

图6 电机磁环极对数检测系统操作界面

4 结论

系统通过STM32实现了空调电机内霍尔传感器信号输出的频率、占空比、电平幅值以及工作电压检测.通过给定电机极数与所测频率，间接换算出电机内部磁环极对数，并与设置的磁环极对数比较并检错，系统不仅能检测出磁环极对数，而且通过传感器输出信号的参数可以检测电机内霍尔元件及周边电路质量，同时通过系统进行参数显示及报警，并以文字和图形化方式显示传感器输出的波形的一系列参数，能保存不合格产品信息，信息数据能以EXECL表格形式导出，便于企业产品数据统一管理.系统提高了产品检测效率和管理水平.整体性能满足了空调整机厂电机抽检或流水线在线检测要求.

[1]王金艳.霍尔传感器转速检测系统的设计与研究[D].哈尔滨:黑龙江大学，2010.

[2]汪云.基于霍尔传感器的转速检测装置[J].传感器技术，2003，22(10):45－47.