基于IAP15W4K58S4單片機的直流電機測速系統設計

張桂紅

（武漢交通職業學院，湖北武漢430065）

基于IAP15W4K58S4單片機的直流電機測速系統設計

張桂紅

（武漢交通職業學院，湖北武漢430065）

目前有刷直流電機轉速測量方法或需要電機有外露的旋轉部分或要固定到電機殼體內部，成本較高且不適合作為測量儀表。為此，筆者設計了一款無接觸有刷直流電機測速系統，該系統以IAP15W4K58S4 單片機為核心，采集有刷直流電機換向時產生脈沖電流并向空中輻射電磁波，根據直流電機轉速與脈動電流和電磁波頻率關聯的原理來實現對電動機轉速測量。

單片機；直流電機；轉速測量

1 引言

有刷直流電機是工業生產中常用的驅動設備，具有良好的啟動、調速、制動性能。電機轉速是電機最基礎、最重要的參數狀態指標，電機運行過程中需要及時對電動機進行實時轉速檢測。目前有刷直流電機轉速測量方法主要有：接觸式轉速計，需要有速度傳感器安裝在轉軸上才能進行測量，使用不方便，局限性很大；無接觸式轉速計常用的有光電編碼器，這兩種方法或需要電機有外露的旋轉部分或要固定到電機殼體內部，成本較高且不適合作為測量儀表。筆者研制的無接觸有刷直流電機轉速檢測裝置，無需在轉軸上安裝裝置，只需在外殼體電機碳刷附近安裝電磁接觸探頭，利用換向時電機的電磁場變化，就可以準確測量有刷直流電動機轉速，還可以制作成便攜式速度檢測計。

2 系統方案設計

該系統通過對電樞供電回路串接采樣電阻或自制電磁傳感器，得到與電機轉速關聯的脈沖電壓信號，并對該信號進行比例放大、低通濾波、電壓比較后送單片機進行處理，通過液晶屏顯示電動機轉速。

2.1 采樣電路

（1）以電動機電樞供電回路串接電阻的方式實現測速

目前有高端采樣和低端采樣兩種方式可以實現。高端采樣電路中，電阻跟電源電壓正極相接，電動機接地，在0.1Ω電阻兩端并聯一只高精度、寬共模INA282芯片。信號從電源高端采集可避免電動機懸浮不接地，引入干擾信號。低端采樣電路中，電阻接地，電動機與電源電壓正極相接，電動機內部會產生電磁干擾。輸入電壓經過電動機會產生回路，電路中有干擾信號產生。通過比較分析，高端采樣方式更可靠，性能更穩定。

（2）以自制傳感器檢測電動機殼外電磁信號的方式實現測速

以自制傳感器檢測電動機殼外電磁信號的方式實現測速，且傳感器不與被測電動機有任何電氣連接。本方案采用鐵芯線圈感應與電機轉速關聯的脈沖電磁波。

2.2 電動機測速方式

可以采用測量電樞電流的變化幅度來測量電機轉速。采用電流放大器構成采樣電路、比例放大和儀表放大電路，將電流變化轉換為電壓變化檢測輸出電壓變化幅度，擬合電壓幅度與電動機轉速之間的線性關系。但這種方式，電壓幅度與電動機轉速之間的誤差大。本設計中采取測量電樞脈沖電流頻率來實現。采用運放構成同相比例放大電路和電壓比較器，獲得電壓頻率與轉速周期性變化，計算出電壓頻率與電動機轉速之間變化關系。經過后期處理產生單片機便于處理的脈沖信號。

3 系統理論分析與計算

3.1 電樞回路串聯電阻測速

以電動機電樞供電回路串接采樣電阻獲取脈沖電流的頻率實現對小型直流有刷電動機的轉速測量。根據U-Ce?n=I(r0+r)，其中，n為電機轉速數，Ce為電磁常數，?為磁通量，r0為電樞內阻，r為采樣電阻，采樣電阻越小，對電機的轉速影響越小，故選用0.1Ω康銅絲電阻。

3.2 傳感器電磁信號測速

自制電感傳感器，利用電磁感應原理，將電動機的轉動速度轉換電壓信號，經調理電路濾波放大比較輸出和電機轉速對應的矩形脈沖電壓送入單片機進行頻率采樣。

誤差：傳感器的線圈多少、擺放距離位置遠近都會影響檢測波形的質量。經反復測量，最終確定傳感器位置。

測速誤差影響因素：（1）電磁場噪聲；（2）周圍環境風對電動機的影響；（3）電路內部錫絲連線等諸多影響。

4 硬件電路與程序設計

4.1 總體系統設計

4.1.1 串電阻測速系統

本系統主要由高端采樣電路、信號處理電路、單片機、電機轉速顯示等部分組成。輸入電壓進入高端采樣電路，把流過高端采樣電阻的脈沖電流轉為脈沖電壓輸出并進行放大和比較，將與電動機轉速對應的脈沖信號送到單片機進行處理，控制液晶屏實時顯示電動機的轉速。串電阻測速系統框圖如圖1所示。

圖1 串電阻測速系統框圖

4.1.2 電磁探測測速系統

本系統主要由采樣電路、信號處理電路、單片機、轉速顯示等部分組成。電動機外部的電磁探頭探測到變化的磁場，將變化的磁場轉化為周期性的電壓信號，經過后級放大比較的信號處理，得到直流脈沖信號，送到單片機進行數據處理，液晶屏可以實時顯示電機轉速。整個電磁探測的電機測速裝置電路框架如圖2所示。

圖2 電磁探測測速系統框圖

4.2 硬件電路的設計

4.2.1 串電阻測速

如圖3所示，前期通過INA282將采樣電阻的脈沖電流轉換為幅度約為100 mV的交流脈沖信號，該信號頻率是與電機轉速線性相關的，呈周期性變化，如圖4所示。經濾波，LM324放大，可得到最低為2.5 V的有效電壓，進入電壓比較器將有效信號整形為隨電機轉速變化的脈動直流信號。最后電壓跟隨器把輸出電壓信號送入單片機讀取信號頻率進行處理得到電動機的轉速。

圖3 串電阻測速電路

圖4 采樣波形周期性變化圖

4.2.2 電磁探測測速

如圖5所示，以自制傳感器檢測電動機外部電磁信號將電動機外部的電磁探頭探測到變化的磁場，再將該磁場進行低通濾波，濾掉高頻信號，然后把該信號送入LM358放大得到約為2.5 V的電壓。最后經過低通濾波濾掉干擾信號送入電壓比較器得到脈動直流信號，送入單片機進行計算得到電動機的轉速。

圖5 電磁探測測速電路

4.2.3 過流報警電路

電動機在超負荷運行下會引起電樞電流超過額度電流，長期運行造成電機壽命減短甚至造成電機損壞，故設計過流保護報警電路是很有意義的。當電路中電流不在預設范圍內時，電路保護裝置就會報警。本設計報警電路如圖6所示。通過INA282將采樣電阻轉化為電壓信號，通過低通濾波轉化為直流電壓信號經OPA2348放大送入單片機進行處理并實時顯示電樞電流。當電流超過設定值時蜂鳴報警。

圖6 過流報警電路

4.3 程序設計

主程序設計流程圖如圖7所示。上電后單片機開始工作，LCD12864初始化，當按下K1時，單片機進入串接采樣電阻工作方式，脈沖信號接單片機端口P3.5；當按下K2時，單片機進入傳感器電磁信號工作方式，脈沖信號接單片機端口P3.4。

圖7 軟件設計流程

5 結語

電動機的轉速受風力、電動機負載、振動等外界因素影響大，該系統測試是在無風防振動的環境下進行。測速結果表明：串電阻測速時，當測量范圍在600 rpm～5000 rpm時，測量誤差都在0.2%～0.5%范圍內變化，測量周期為2 s。采用0.1Ω采樣電阻，接通短路開關后，對轉速的影響不大；采用探測測速時，當測量范圍在600 rpm～5000 rpm時，測量周期1s，測量誤差在0.1%～0.2%范圍內。這兩種方式下，誤差都不大，精度高、可靠。

[1] 唐介，劉嬈．電機與拖動[M]．北京：高等教育出版社，2014．

[2] 徐建俊，居海清．電機拖動與控制[M]．北京：高等教育出版社，2015．

[3] 德州儀器．德州儀器高性能模擬器件高校應用指南-信號鏈與電源[Z]．上海：德州儀器半導體技術有限公司，2015．

[4] 王建平，陳恒舉，楊鵬，等．直流電機測速調速裝置的制作與分析[J]．機電產品開發與創新，2016，29（4）：99-101．

DC Motor Speed Measurement System Design Based on IAP15W4K58S4 Single Chip Microcontroller

Zhang Guihong
(Wuhan Jiaotong Vocational College,Wuhan 430065,Hubei)

The current brush DC motor speed measurement method either needs exposed rotating part of motor or needs to fixed to the motor shell,which has high cost and is not suitable as measuring instruments.Therefore,the author designs a non-contact Brush DC motor speed measurement system.The system mainly uses IAP15W4K58S4 MCU as the core and collects the reversing pulse current of the brush DC motor which radiates electromagnetic wave into the air.According to the correlation of the speed and the pulsating DC motor current with electromagnetic wave frequency,the goal of motor speed measurement can be achieved.

single chip microcomputer；DC motor；speed measurement

TM33

A

1008-6609 (2017) 09-0043-03

張桂紅（1972-），女，湖北仙桃人，碩士，副教授，研究方向為電工電子、通信。