基于IAP15W4K58S4单片机的直流电机测速系统设计

张桂红

（武汉交通职业学院，湖北武汉430065）

基于IAP15W4K58S4单片机的直流电机测速系统设计

张桂红

（武汉交通职业学院，湖北武汉430065）

目前有刷直流电机转速测量方法或需要电机有外露的旋转部分或要固定到电机壳体内部，成本较高且不适合作为测量仪表。为此，笔者设计了一款无接触有刷直流电机测速系统，该系统以IAP15W4K58S4 单片机为核心，采集有刷直流电机换向时产生脉冲电流并向空中辐射电磁波，根据直流电机转速与脉动电流和电磁波频率关联的原理来实现对电动机转速测量。

单片机；直流电机；转速测量

1 引言

有刷直流电机是工业生产中常用的驱动设备，具有良好的启动、调速、制动性能。电机转速是电机最基础、最重要的参数状态指标，电机运行过程中需要及时对电动机进行实时转速检测。目前有刷直流电机转速测量方法主要有：接触式转速计，需要有速度传感器安装在转轴上才能进行测量，使用不方便，局限性很大；无接触式转速计常用的有光电编码器，这两种方法或需要电机有外露的旋转部分或要固定到电机壳体内部，成本较高且不适合作为测量仪表。笔者研制的无接触有刷直流电机转速检测装置，无需在转轴上安装装置，只需在外壳体电机碳刷附近安装电磁接触探头，利用换向时电机的电磁场变化，就可以准确测量有刷直流电动机转速，还可以制作成便携式速度检测计。

2 系统方案设计

该系统通过对电枢供电回路串接采样电阻或自制电磁传感器，得到与电机转速关联的脉冲电压信号，并对该信号进行比例放大、低通滤波、电压比较后送单片机进行处理，通过液晶屏显示电动机转速。

2.1 采样电路

（1）以电动机电枢供电回路串接电阻的方式实现测速

目前有高端采样和低端采样两种方式可以实现。高端采样电路中，电阻跟电源电压正极相接，电动机接地，在0.1Ω电阻两端并联一只高精度、宽共模INA282芯片。信号从电源高端采集可避免电动机悬浮不接地，引入干扰信号。低端采样电路中，电阻接地，电动机与电源电压正极相接，电动机内部会产生电磁干扰。输入电压经过电动机会产生回路，电路中有干扰信号产生。通过比较分析，高端采样方式更可靠，性能更稳定。

（2）以自制传感器检测电动机壳外电磁信号的方式实现测速

以自制传感器检测电动机壳外电磁信号的方式实现测速，且传感器不与被测电动机有任何电气连接。本方案采用铁芯线圈感应与电机转速关联的脉冲电磁波。

2.2 电动机测速方式

可以采用测量电枢电流的变化幅度来测量电机转速。采用电流放大器构成采样电路、比例放大和仪表放大电路，将电流变化转换为电压变化检测输出电压变化幅度，拟合电压幅度与电动机转速之间的线性关系。但这种方式，电压幅度与电动机转速之间的误差大。本设计中采取测量电枢脉冲电流频率来实现。采用运放构成同相比例放大电路和电压比较器，获得电压频率与转速周期性变化，计算出电压频率与电动机转速之间变化关系。经过后期处理产生单片机便于处理的脉冲信号。

3 系统理论分析与计算

3.1 电枢回路串联电阻测速

以电动机电枢供电回路串接采样电阻获取脉冲电流的频率实现对小型直流有刷电动机的转速测量。根据U-Ce∅n=I(r0+r)，其中，n为电机转速数，Ce为电磁常数，∅为磁通量，r0为电枢内阻，r为采样电阻，采样电阻越小，对电机的转速影响越小，故选用0.1Ω康铜丝电阻。

3.2 传感器电磁信号测速

自制电感传感器，利用电磁感应原理，将电动机的转动速度转换电压信号，经调理电路滤波放大比较输出和电机转速对应的矩形脉冲电压送入单片机进行频率采样。

误差：传感器的线圈多少、摆放距离位置远近都会影响检测波形的质量。经反复测量，最终确定传感器位置。

测速误差影响因素：（1）电磁场噪声；（2）周围环境风对电动机的影响；（3）电路内部锡丝连线等诸多影响。

4 硬件电路与程序设计

4.1 总体系统设计

4.1.1 串电阻测速系统

本系统主要由高端采样电路、信号处理电路、单片机、电机转速显示等部分组成。输入电压进入高端采样电路，把流过高端采样电阻的脉冲电流转为脉冲电压输出并进行放大和比较，将与电动机转速对应的脉冲信号送到单片机进行处理，控制液晶屏实时显示电动机的转速。串电阻测速系统框图如图1所示。

图1 串电阻测速系统框图

4.1.2 电磁探测测速系统

本系统主要由采样电路、信号处理电路、单片机、转速显示等部分组成。电动机外部的电磁探头探测到变化的磁场，将变化的磁场转化为周期性的电压信号，经过后级放大比较的信号处理，得到直流脉冲信号，送到单片机进行数据处理，液晶屏可以实时显示电机转速。整个电磁探测的电机测速装置电路框架如图2所示。

图2 电磁探测测速系统框图

4.2 硬件电路的设计

4.2.1 串电阻测速

如图3所示，前期通过INA282将采样电阻的脉冲电流转换为幅度约为100 mV的交流脉冲信号，该信号频率是与电机转速线性相关的，呈周期性变化，如图4所示。经滤波，LM324放大，可得到最低为2.5 V的有效电压，进入电压比较器将有效信号整形为随电机转速变化的脉动直流信号。最后电压跟随器把输出电压信号送入单片机读取信号频率进行处理得到电动机的转速。

图3 串电阻测速电路

图4 采样波形周期性变化图

4.2.2 电磁探测测速

如图5所示，以自制传感器检测电动机外部电磁信号将电动机外部的电磁探头探测到变化的磁场，再将该磁场进行低通滤波，滤掉高频信号，然后把该信号送入LM358放大得到约为2.5 V的电压。最后经过低通滤波滤掉干扰信号送入电压比较器得到脉动直流信号，送入单片机进行计算得到电动机的转速。

图5 电磁探测测速电路

4.2.3 过流报警电路

电动机在超负荷运行下会引起电枢电流超过额度电流，长期运行造成电机寿命减短甚至造成电机损坏，故设计过流保护报警电路是很有意义的。当电路中电流不在预设范围内时，电路保护装置就会报警。本设计报警电路如图6所示。通过INA282将采样电阻转化为电压信号，通过低通滤波转化为直流电压信号经OPA2348放大送入单片机进行处理并实时显示电枢电流。当电流超过设定值时蜂鸣报警。

图6 过流报警电路

4.3 程序设计

主程序设计流程图如图7所示。上电后单片机开始工作，LCD12864初始化，当按下K1时，单片机进入串接采样电阻工作方式，脉冲信号接单片机端口P3.5；当按下K2时，单片机进入传感器电磁信号工作方式，脉冲信号接单片机端口P3.4。

图7 软件设计流程

5 结语

电动机的转速受风力、电动机负载、振动等外界因素影响大，该系统测试是在无风防振动的环境下进行。测速结果表明：串电阻测速时，当测量范围在600 rpm～5000 rpm时，测量误差都在0.2%～0.5%范围内变化，测量周期为2 s。采用0.1Ω采样电阻，接通短路开关后，对转速的影响不大；采用探测测速时，当测量范围在600 rpm～5000 rpm时，测量周期1s，测量误差在0.1%～0.2%范围内。这两种方式下，误差都不大，精度高、可靠。

[1] 唐介，刘娆．电机与拖动[M]．北京：高等教育出版社，2014．

[2] 徐建俊，居海清．电机拖动与控制[M]．北京：高等教育出版社，2015．

[3] 德州仪器．德州仪器高性能模拟器件高校应用指南-信号链与电源[Z]．上海：德州仪器半导体技术有限公司，2015．

[4] 王建平，陈恒举，杨鹏，等．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，2016，29（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

张桂红（1972-），女，湖北仙桃人，硕士，副教授，研究方向为电工电子、通信。