直流电动机测速装置的设计

李海 李媛琼 张恩溪

摘 要：装置采用STM32F103ZET6单片机为核心控制，主要是应用电动机串接采样电阻和由TLC27L4制成的传感器测量直流有刷电动机转速的装置，通过电路处理成脉冲信号，再传送给单片机系统进行技术运算，并将测量的转速结果显示在LCD上。整个装置精度高、稳定可靠，可以有效的对电机正常运行的速度进行采集，占用空间小，使用方便，满足电机的测速要求。

关键词：直流电动机；测速；电磁感应；传感器

近年来，随着电力电子技术、计算机技术及控制技术等的快速发展，伺服驱动系统不断朝着数字化、智能化方向发展。直流电动机作为一种较常用电动机，不但拥有传统电动机的高运行效率，好的调速性能以及无励磁损耗等优点，还拥有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。在中、小功率伺服领域很受欢迎。在一般的电动机调速系统中，通常是在电动机的转轴上安装编码盘，但是由于具有电刷和换向接触安装装置，所以很难克服存在的一些缺陷。而存在的某些缺陷采用新型的光电元件可以克服。

直流电机测速系统是采用STM32F103ZET6单片机为核心控制，通过信号采集模块、信号处理模块、LCD显示模块构成的电机运行监测系统，可以时时显示电动机的转速（如图1所示），具有较好的应用性。此装置运行可靠，显示准确。整个监测装置采用串接采样电阻和由TLC27L4制成的传感器实现直流有刷电动机转速的测量。

直流电机的运用很广泛，主要运用由TLC27L4自制而成的传感器，转速最大测量范围是9999r/min，测量范围宽。适用于大中小容量各种电机，测量速度快，显示准确适用范围广。比如，在纺织业纱线生产中，测量要求直流电机将劳动纱线供在纱线夹上。

1电路设计

本装置单片机系统、采样电阻、脉冲信号处理电路、磁场信号处理电路以及电源等组成。

1.1采集电路

本装置利用了频率测速法，采用采樣电阻电路和电感检测电路对数据进行采集，通过放大电路、增益电路、电压比较电路将脉冲信号传送给STM32单片机。采用怎样的转速测量的算法是本作品设计中的重点。在此基础上实现其功能。通过采用频率测速法来完成这个功能，由信号采集电路、放大电路、增益电路、电压比较电路得到电机转速的秒冲信号，将脉冲信号传送给单片机，单片机通过算法得出脉宽。从而求得脉冲个数，再转换成频率，由频率得出电动机的转速。先将每个脉冲时间相加，得出平均脉冲时间，从而求得脉宽，再通过计数，求得1s内所获得的脉宽数，再而求得对应频率f。共两种采集信号的方式，具体如下：

其一：以电动机电枢供电回路串接采样电阻的方式，采用100mR电阻对正在运作的电动机进行电流采样。

其二：自制传感器检测电动机壳外电磁信号的方式实现对直流电动机进行转速测量。主要由TLC27L4四路精密单电源微功耗运算放大器组装而成的能检测电动机壳外电磁信号的采集电路，如图2所示。

1.2信号处理电路

因为本装置需要计算到脉宽，精度较高，采用运算放大器OP07构成的单路放大电路和LM393构成的集电极开路电压比较器。OP07具有高增益低失调、低电压漂移、高输入阻抗、高共模抑制比、低温度漂移。特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面；而LM393是高增益，宽频带器件，将信号转换成标准的脉冲方波波形；LM393的输入分辨率、速度、驱动能力都较好。具体处理方式如下：

通过对采样电阻采集回来的电压脉冲信号通过放大电路及电压比较电路处理成方波信号，再输入到单片机的定时器/计时器口进行处理。如图4所示。RL为采样电阻，在信号处理电路中，不规律信号由信号放大电路进行放大再经电压比较电路，形成标准方波。

对电感检测采集回来的信号通过放大电路、增益电路及电压比较电路处理成脉冲信号，其中，增益电路是对放大电路的增益进行调节的过程。是为了使随输入信号电平变化而引起的输出信号电平变化少。如图3所示。

1.3控制电路

控制模块为简化外围电路设计，减小系统功耗采用STM32F103ZET6单片机为主控芯片，外接键盘和LCD1602显示进行设置和参数显示。STM32单片机作为主控芯片。稳定性强，资源丰富，定时器多达7个，并且速度快、功耗低、主频可达72MHz。为提高测量精度，选用外部晶振做系统时钟源。整个模块对检测电路传送过来的数据进行转换、运算，并输出显示测量值。

2系统程序设计

装置的软件采用c语言，基于keil 5对单片机进行编程实现测速功能。首先对单片机系统进行定时器初始化，软件设计的关键是对采集回来的数据进行处理和转换后的电动机转速的显示，测量周期是在1s，能较好准确刷新机器的转速，装置程序流程如图4所示。

3装置测试性能指标

通过对高精度非接触式转速仪和本测速装置进行对比，得到测速装置的测试结果如表P所示，其中测量误差均在0.1%以下。

4结语

整个系统偏重于硬件电路的设计与调试，而整个电路难的部分也是最大的亮点是电路结构简练，用简练的硬件电路，精简的程序实现装置的完整性和稳定性，且测速效率较高，整个装置的设计成本较低，功耗小，性价比高。装置通过单片机实现了通过采样电阻及电感检测对直流有刷电动机进行测速，通过测试，电动机串接采样电阻在测量范围为300-9000rpm内，测量周期为2秒，测量误差不大于o.1%实现了四位十进制的显示，且采样电阻对转速的影响不大于o.5%；而对于自制传感器的检测在测量范围为.300-9000rpm内，测量周期为1秒，测量误差不大于o.1%，实现了四位十进制的显示，并通过LCD显示出来。此电动机测速装置性价比高。为电机速度的测量提供了一种新的思路，具有一定的市场前景。

参考文献

[1]李烨.基于M/T法的无刷直流电动机智能数字式测速电路[J].中小型电机，2001，28 （4）：51-53.

[2]孙桂荣，班莹，刘呜.电机转速测量设计实验[J].实验室科学，2005，（4）：50-53.

[3]丁芝琴.基于霍尔传感器的电机测速装置设计[J].农机化研究，2010，32 （5）：81-83.

[4]和林涛，李小魁.电机测速系统设计与实现[J]，电子世界，2014，（20）：180-180，181，

[5]张文初，谢永超.基于AT89S51控制的直流电机调速与测速系统设计与实现[J].科学技术与工程，2011，11 （33）：8178-8180，8185.

[6]丁阳喜，吴冀林.基于单片机测量电机转速的系统设计[J].煤矿机械，2010，31 （3）：236238.