基于STM32单片机的直流电动机在线测速装置设计

李海 赵浚坚 周志毅 潘广川

摘要：首先对直流电动机在线测速装置总体设计方案进行了阐述，随后对系统的硬件和软件设计要点进行了详细分析，最后通过系统指标测试结果，验证了直流电动机在线测速装置的可靠性。

关键词：直流电动机;在线测速;传感器;单片机

0 引言

目前国内外对电动机的测速方法有很多，按照不同的理论，可以将其分为拟测速法（如采用离心式转速表或通过电机转矩或电动机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如采用机械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。传统的电动机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式传感器（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式传感器（对高频振荡现象进行幅值调制或频率调制）等检测电动机转速。采用光电传感器的电动机转速测量系统具备测量准确度高、采样速度快、测量范围宽以及测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

1 总体方案设计

电流频率测速法通过电流取样，提取其中的直流成分，经放大送入A/D转换电路，最后由单片机处理换算成转速。有刷电动机每转动一周，其电流将会突变N次，根据电动机的不同情况，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动机电流的突变频率，换算成电动机转速，此测量方法属于数字测量方法，误差较小，精度较高，更加容易满足设计要求。

本系统中根据设计方案要求，电流频率测速法，由低阻值取样电阻提取电动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，提取与电动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，并由液晶屏显示电动机转速;有刷直流电动机测速装置的系统组成框图如图1所示。

2 硬件设计

本系统由STM32模块、信号处理模块、电流取样测速模块、控制系统模块、OLED显示模块组成，其中单片机采用了STM32F103单片机作为主控芯片，可以满足本次直流电动机在线测速装置的设计要求。

2.1    信号处理模块

LM393是高增益、宽频带器件，能将输入过来的信号转换成标准的脉冲方波波形，且LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间短。本设计利用了频率测速法，采用采样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。为了LM339能正常工作，此次设计在输出端选择串联了一个3.3 kΩ的电阻，同时为了能获得更好的波形，在信号进入LM339前，通过电容和电阻串联了一个RC电路，使波形更加平滑。

2.2    电流取样测速模块

根据设计要求，采用串联取样电阻方式实现测量电动机转速的功能，为了尽可能减少串联电阻对电动机转速的影响，本文选取50 mΩ的取样电阻。在交流电流提取与脉冲变换电路中，R1为电动机支路的取样电阻，通过取样电阻将脉冲电流转换为脉冲电压信号。在此次设计中，通过运用LM358将电动机交流电流提取后的信号进行放大，使用波形变化幅度更大，更容易捕捉。LM358可以实现两级放大，在每级放大器的输出端都串联一个电容，可以使得电容两端的电压不会突变，同时不会滤除电动机产生的交流电压。

2.3    控制系统模块

STM32系列是一款基于Cortex-M3内核的中低端的32位ARM微控制器，最高工作频率可达72 MHz，内部带有丰富的高速、高精度的定时器，将其时钟源配置为外部时钟，就可以对外部脉冲信号进行脉冲计数，还带有单周期乘法器和硬件除法器。在处理速度、定时器采样速度和精度方面，单片机Mega2560都远低于STM32控制器，为了保证系统的测量精度和设计成本，决定选用STM32F103单片机。

2.4    OLED显示模块

在显示方面，本系统选择了96寸的自发光的OLED显示屏。以目前的技术来说，OLED的尺寸还难以实现大型化，但是分辨率很高。系统通过PCtoLCD2002软件快速编译出汉字码，再发送到函数中便可以输出汉字等。

3 软件设计

3.1    系统总体工作流程

系统软件部分主要分成用户交互设计以及数据处理算法设计，基于RT-Thread实时操作系统，利用系统的线程调度完成各个模塊的程序处理，程序流程图如图2所示。

3.2    程序设计思路

首先进行系统初始化，其次判断是否有脉冲信号输入，如无脉冲则转速显示“0000”，若有脉冲输入，则启动定时器开始1 s计时，并记录脉冲个数，最后将脉冲个数换算成对应的电动机转速。本系统采取的是“N+1”测量方法，即在完成1 s内测量出N个脉冲的基础上，继续测量直至最后“1”个脉冲完结所需时长，此方法可避免丢失脉冲的可能，从而提高脉冲个数测量精度。

3.3    定时器的捕获功能应用

在单片机部分，用STM32定时器的捕获功能去捕获电动机转动时产生的波形。此次用到STM32中的定时器5，其中有一个寄存器名为TIM5CH1_CAPTURE_STA。该寄存器当最高位置1时，表示捕获完成;当次高位置1时，表示捕获到一个高电平。在TIM5_Cap_Init函数定义时设置好，然后等待上升沿中断到来，当捕获到上升沿中断，此时如果TIM5CH1_CAPTURE_STA的第6位为0，则表示还没有捕获到新上升沿，就先把TIM5CH1_CAPTURE_STA和TIM5->CNT等清零，然后再设置TIM5CH1_CAPTURE_STA的第6位为1，标记捕获高电平，最后设置为下降沿捕获，等待下降沿到来，如果等待下降沿到来期间，定时器溢出，就在TIM5CH1_CAPTURE_STA里面对溢出次数进行计数，当最大值溢出次数到来时，就强制标记捕获完成。当下降沿到来时，先设置TIM5CH1_CAPTURE_STA的第7位为1，标记成功捕获1次高电平，然后读取此时的定时器值到TIM5CH1_CAPTURE_VAL里面，最后设置为上升沿捕获，回到初始状态。至此完成一次高电平捕获，只要TIM5CH1_CAPTURE_STA第7位一直为1，那么就不会进行第2次捕获，在主函数处理完成捕获数据后，将TIM5CH1_CAPTURE_STA置0，就可以开启下一次捕获了。

4 系统调试及指标测试

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测速仪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动机回路的测量误差均小于0.5%，其指标符合设计要求。

5 结语

本文设计了一种基于SIM32单片机的直流电动机在线测速装置系统，通过电流频率测速法，可快速、有效地测量电动机转速，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要求，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动机结构的情况下，通过感应电动机外壳的电磁信号即可实现转速测量功能，提供了一种新的直流电动机在线测速方法，具有一定的创新性及工程推广价值。

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收稿日期：2020-07-08

作者简介：李海（1982—），江西人，讲师，研究方向：检测技术与自动化装置。