新法直流电机转速测量仪的设计——基于2017年全国大学生电子设计竞赛作品

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以STC15系列单片机为控制核心，在不检测电机转轴旋转运动的前提下，分别通过电流频率测速法和磁场频率测速法，实现直流电机转速测量。系统装置主要包括交流电流提取与脉冲变换电路、交变磁场检测与脉冲变换电路、单片机脉冲频率检测与转速转算。实测表明，本装置的测速范围、响应速度和测量误差等指标全部满足设计要求。

1. 设计方案
1.1 电流取样测速方案比较
电流取样测速的方法主要有电流幅度测速法和电流频率测速法。电流幅度测速法通过电流取样，提取其中的直流成分，经放大送入AD转换电路，最后由单片机处理换算成转速。电流幅度测速属于模拟测速方法，由于电机转速与电机电流幅值并非线性关系，所以此方法的测量精度很难提高；由于有刷电机每转动一周，其电流将会突变N次，根据电机情况不同，其中N有可能是 6次或者8次，电流频率测速法正是通过测量电机电流的突变频率，换算成电机转速，此测量方法属于数字测量方法，误差较小，精度较高；综合比较后，选择电流频率测速法更加容易满足设计要求。

1.2 磁感应测速法方案比较
磁感应测速的方法主要有磁场强度测速法和磁场频率测速法。磁场强度测速法属于模拟测速方法，由于电机外壳的磁感应强度与电机转速并非线性关系，因此，磁场强度测速法不容易提高测量精度；磁场频率测速法通过测量电机外壳磁场变化的频率，由此换算成电机转速，磁场频率测速法属于数字测速方法，误差较小，精度较高；综合比较后，选择磁场频率测速法。

1.3 磁感应传感器方案比较
霍尔传感器或自制耦合线圈都可实现检测电机外壳磁信号的功能。由于电机外壳的磁信号较弱，采用霍尔传感器感应出来的磁信号不明显，不利于后期放大及整形处理；采用自制线圈感应电机转动时所产生的磁变信号，即使不加放大电路，示波器都可以明显观测到干净的波形。综上所述，选择自制耦合线圈作为本系统的磁感应传感器。

1.4 系统组成框图
根据设计方案，电机转速有两种取样方式实现电机转速测量，其一是电流频率测速法，由低阻值取样电阻提取电机回路的电流脉冲信号，由于取样电阻两端叠加有直流和交流信号，因此需要滤除直流成分，提取与电机转速有关的交流成分，并进行放大、比较处理，送入单片机系统进行转速换算，并由液晶显示电机转速；其二是磁场频率测速法，由自制线圈感应电机外壳的磁变信号，经放大、比较处理，送入单片机系统进行转速换算，并由液晶显示电机转速。综上所述，有刷直流电机测速装置的系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2. 主要硬件电路设计
2.1 交流电流提取与脉冲变换电路根据题目设计要求，采用串联取样电阻方式实现测量电机转速功能，为了尽可能减少串联电阻对电机转速的影响，本文选取50mΩ的取样电阻。交流电流提取与脉冲变换电路如图2所示，R1为电机支路的取样电阻，通过取样电阻将脉冲电流转换为脉冲电压信号，经C1滤波后输入LM358进行两级放大，再经LM339比较，其中RV1是可调电阻，可调整电压放大倍数，RV2 可调整比较值，然后经过三极管放大输出幅值为 +5v的脉冲信号，该脉冲信号最后送至单片机的外部中断口进行频率测量，进而换算出电机转速

图2 交流电流提取与脉冲变换电路

2.2 交变磁强检测与脉冲变换电路根据题目设计要求，采用磁场频率测速法测量电机转速，通过自制线圈检测电机转动时所产生的磁变信号，进而换算成电机转速。交变磁强检测与脉冲变换电路如图3所示，L1是电机磁变化检测线圈，当电机转动时线圈产生突变电流信号，电流经过AD623减法处理，经过电容C1 耦合，送入LM358放大，再经LM339比较，其中 RV1是可调电阻可调整电压放大倍数，RV2可调整比较值，最后经过三极管放大输出脉冲信号，该脉冲信号送至单片机的外部中断口进行频率测量，进而换算出电机转速。

图3 交变磁强检测与脉冲变换电路

3. 系统软件设计
测速装置系统主程序流程图如图4所示。首先进行系统初始化，其次判断是否有脉冲信号输入，如无脉冲则显示“转速0000”，若有脉冲输入则启动定时器开始1秒钟计时，并记录脉冲个数，最后将脉冲个数换算成对应的电机转速。

图4 主程序流程图

本系统最初采取的是直接测频法，在闸门宽度为1秒的时间范围内直接读出被测脉冲个数，等于信号的频率，此测频法存在正负一个脉冲误差的可能。因此，为了进一步提高测量精度，采用“N+1”的测量方法，即在完成1秒内测量出 N个脉冲的基础上，继续测量最后“1”个脉冲完结所需时长，此法可以避免丢失一个脉冲的可能，从而提高脉冲个数的测量精度

4. 系统调试及指标测试
在电流频率测速方式中，串联的取样电阻太大，会影响电机的转速，不符合题目设计要求，若取样电阻太小又不利于脉冲电流信号的获取，经实践调试，本系统选取50mΩ的取样电阻，并将取样信号进行两级放大处理，达到预期设计效果。在磁场频率测速方式中，最初采用单限电压比较器进行脉冲变换，导致输出信号中叠加有干扰脉冲，使得测量结果异常，经调整后，采用滞回电压比较器进行脉冲变换，输出脉冲信号变得干净可靠。

为了快速、可靠地检验本测速装置的测量结果，采用相机拍照对比方式，将同步记录本装置与非接触式高精度转速计的测量结果进行对比，测量结果如表1所示，其中采用串联取样电阻在电机回路的测量误差均小于0.5%，采用磁感应电机外壳信号的测量误差均小于0.2%，以上两项指标均符合设计要求。

表1 系统指标测试结果

5. 结束语
本文设计了一种基于单片机的测速系统，在不检测电机转轴旋转运动的前提下，分别通过电流频率测速法和磁场频率测速法，均可快速、有效地测量电机转速，实验表明，本装置硬件接口电路简单，系统工作稳定可靠，测量精度、响应速度均满足设计指标，具有一定的实用价值。尤其在测量空间受限，或者在不允许改装直流有刷电机结构的情况下，通过感应电机外壳的电磁信号即可实现转速测量功能，该设计思路提供了一种新的测速方法，具有一定的创新性及工程推广价值。