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

引言

随着电子技术应用的快速发展，直流电机在许多电力拖动领域得到了广泛的应用，而如何快速、准确测量电机转速以实现对电机的精准控制成为了电机应用中的一个关键问题。目前常用测量电机转速的方法有光电码盘测速和霍尔传感器测速等方法，光电码盘测速需要在转轴上套凹凸台和码盘，霍尔传感器测速也需要在转轴上安装传感器，但是，在许多实际应用场合，传感器不便于安装在电机转轴之上，因此，在不检测电机转轴运动的前提下，如何实现简单、可靠地测量电机转速就具有了实际的研究价值。

大同市云州区党留庄乡罗庄村位于乡西部，环境相对封闭，前些年村党组织缺乏凝聚力战斗力，“两委”干部作用发挥差，发展意识不强，一直没有一个好的“领头雁”，书记主任换了一茬又一茬，是党留庄乡发展相对滞后的村。

新法直流电机转速测量仪的设计是2017年全国大学生电子设计竞赛的题目，题目要求一是在电机供电回路串联低阻值采样电阻，通过电流检测实现直流电机转速的测量；要求二是自制磁感应传感器，通过检测电动机壳外电磁信号，实现对电机转速的测量。广西职业技术学院代表队所设计的新法直流电机转速测量仪作品，最终获得高职高专组全国一等奖。

在我们五千年的历史文化长河中，我们的语言文字一直随着朝代的更迭不断更新，在不同的历史环境下不断简化，变得更加适应当代文化。因此，语言、文字及文化的诞生繁衍本身就离不开历史，把历史和语文学科的结合教育，培养学生阅读的能力，提高语文素养，把深刻厚重的历史依托到语文教学中去，不仅是强化历史教育，更帮助了语文教育。

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

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。

  

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

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。

  

图4 主程序流程图

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。

参考文献：

4　系统调试及指标测试

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。

使用环境会为产品设计提供许多好思路。在掌握环境条件特点的同时，要构思这样的环境条件适合什么样的结构、什么样的材料等等。很多设计方案就可从此中产生。环境的限制,必然又要求设计师要尽力地适应环境的特点,否则就使设计方案在特定环境条件下无法完成作业要求。例如，有些劳动项目在多雨的南方要求全天候作业，如果农具不具备防水能力，就会无法完成作业要求。另外，为了适合不同环境的作业要求，可以采用可调节设计，以增强产品的适应环境的能力。让产品适应其使用环境,实质上是要求设计师利用环境条件、克服环境限制,设计开发出适合环境要求的合理的可行方案[4]。

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。

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，如图3所示，输出脉冲信号变得干净可靠。

 

表1 系统指标测试结果

  

电机电压（v）误差（%）串电阻/ 磁感应1.4　572　570　571　0.35　0.17 2　880　877　881　0.34　0.11 4　1911　1903　1913　0.41　0.10 6　2945　2931　2942　0.47　0.10 8　3988　3974　3983　0.35　0.12 10　5029　5049　5019　0.39　0.19非接触式高精度测速仪测速法串电阻/ 磁感应

5　结束语

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。

PPR蛋白普遍具有与单链RNA结合的能力，随着研究的深入，PPR基序识别特定核苷酸的规律也逐渐清晰，目前认为，一个PPR基序可以特异性的识别一个核苷酸。

[1]王文成,李健. 基于单片机的电机转速测量系统的设计[J]. 仪表技术与传感器, 2011(8)：70-72.

[2]宋宇锋,束慧.直流电动机测速装置的设计[J].南通职业大学学报，2017(3)：67-71.

2007年，韩国铁道科学研究院(KRRI)研制出运行速度为180 km/h的TTX型摆式列车车体(见图3)，其采用不锈钢增强骨架，侧墙和车顶采用铝蜂窝夹芯、CFRP蒙皮构成的三明治结构，车体总质量相对于不锈钢结构降低了28%，且车体强度、疲劳强度、防火安全性、动态特性等性能良好，并于2010年投入商业化运营。

[3]袁鹏程,张伟峰. 改进的M/T法在电机测速中的应用[J]. 轻工机械, 2012(1)：59-62.

[4]王健平,陈恒举,杨鹏,宋国正. 直流电机测速调速装置的制作与分析[J]. 机电产品开发与创新,2016(4)：99-101.