CN110702937A - 基于单片机的无刷直流电机测速装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单片机的无刷直流电机测速装置，其中装置包括：电源转换模块、单片机、设置输入模块、显示模块、接口模块；电源转换模块用于给其他模块供电；设置输入模块与单片机连接，用于向单片机输入设置的参数；接口模块的输出端与单片机连接，接口模块的输入端分别与无刷直流电机中的霍尔传感器的正极、霍尔传感器的信号输出端、霍尔传感器的负极连接，接口模块用于将霍尔传感器的信号传递给单片机；单片机基于接口模块传递来的霍尔传感器信号以及设置输入模块输入的参数计算无刷直流电机转速；显示模块与单片机连接，用于显示设置输入模块输入的参数以及无刷直流电机的转速；本发明测速装置测速精度准、适应性强。

Description

基于单片机的无刷直流电机测速装置及使用方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机技术领域，涉及一种无刷直流电机测速装置，具体涉及一种基于单片机的无刷直流电机测速装置及使用方法。

背景技术

无刷直流电机是一种永磁同步电机，具有效率高，响应快，噪音小等优点。因此，无刷直流电机已经在越来越多的行业广泛应用。

目前市面上无刷直流电机的驱动器大都不带转速指示转置，这使得无法直观地测量到实时转速，进而无法判断无刷直流电机的工作状态，形成无刷直流电机现场测速难的困境。

为了解决这一个问题，现有的做法是在无刷直流电机的转轴上增加传感器实现测速或者在转轴上贴反光纸再用光电测速仪测量，但是前者增加不必要的硬件成本和施工难度，后者会带来较大的转速测量误差。而无刷直流电机中的霍尔传感器带有转速信息，基于此，可以利用单片机采集霍尔传感器信息，设计出一个高精度的转速测试装置。

发明内容

本发明提供了一种基于单片机的无刷直流电机测速装置及使用方法，以解决现有技术中无刷直流电机现场测速难的问题。

本发明提供了一种基于单片机的无刷直流电机测速装置，包括：电源转换模块、单片机、设置输入模块、显示模块、接口模块；

所述电源转换模块分别与所述单片机、设置输入模块、显示模块、接口模块连接，所述电源转换模块用于给其他模块供电；所述设置输入模块与所述单片机连接，用于向所述单片机输入设置的参数；所述接口模块的输出端与所述单片机连接，所述接口模块的输入端分别与无刷直流电机中的霍尔传感器的正极、霍尔传感器的信号输出端、霍尔传感器的负极连接，所述接口模块用于将霍尔传感器的信号传递给所述单片机；所述单片机基于所述接口模块传递来的霍尔传感器信号以及所述设置输入模块输入的参数计算无刷直流电机转速；所述显示模块与所述单片机连接，用于显示所述设置输入模块输入的参数以及无刷直流电机的转速。

可选地，所述设置输入模块包括：启停按键、极对数设置按键；所述启停按键用于启动和停止装置运行；所述极对数设置按键用于设置无刷直流电机的极对数。

可选地，所述接口模块包括：电源接口单元、信号接口单元、光耦隔离单元；所述电源接口单元与所述电源转换模块连接，从霍尔传感器电源的正极、负极接入；所述信号接口单元的输出端与所述光耦隔离单元输入端连接，输入端供霍尔传感器的信号输出端接入；所述光耦隔离单元的输出端与所述单片机连接，用于对霍尔传感器的信号进行隔离处理。

本发明提供了一种基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，使用方法包括如下步骤：

步骤1：将无刷直流电机的驱动器中霍尔传感器的正极、负极接入电源接口单元，将霍尔传感器的信号输出端接入信号接口单元；

步骤2：通过极对数设置按键设置极对数值并通过启停按键启动；

步骤3：单片机获取霍尔传感器输出信号中单个电平的单片机计时个数；

步骤4：根据步骤3中获得的单个电平的单片机计时个数和单片机时钟脉冲频率的关系选择计算无刷直流电机转速的方法，具体如下：

当单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的比值大于时，利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速；

当单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的比值不大于时，利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的高低电平个数计算无刷直流电机转速；

步骤5：通过显示模块显示无刷直流电机转速。

可选地，所述步骤4中利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速的具体如下：

根据所述步骤3中获得的单个电平的单片机计时个数、单片机时钟脉冲频率以及极对数设置按键输入的极对数计算无刷直流电机转速。

可选地，所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，其特征在于，计算无刷直流电机转速的具体公式如下：

其中，“v”是无刷直流电机转速；“T_c”是根据所述步骤3中获得的单个电平的单片机计时个数；“f_c”是单片机时钟脉冲频率；“p”是极对数设置按键输入的极对数。

可选地，所述步骤4中利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的高低电平个数计算无刷直流电机转速的具体步骤如下：

步骤41B：设置预设单位时间，单片机记录预设单位时间内霍尔传感器输出信号中电平跳变次数；

步骤42B：根据预设单位时间、步骤41B中获取的电平跳变次数以及极对数设置按键输入的极对数计算无刷直流电机转速。

可选地，所述步骤42B中计算无刷直流电机转速的具体公式如下：

其中，“T₀”是预设单位时间；“N”是步骤41B中获取的电平跳变次数；“p”是极对数设置按键输入的极对数。

可选地，所述预设单位时间范围为300ms～500ms。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明在不使用额外转速传感器的情况下，单纯利用单片机采集无刷直流电机中霍尔传感器方波信号，基于方波信号计算转速，提高了转速测试装置测量数据的稳定性和精确度。

2、本发明中基于单片机的无刷直流电机测速装置，使用方便、不需要内部供源。只需要连接三根线到待测无刷直流电机的驱动器，就可以实现无刷直流电机测速装置的供源与测速，满足现成测速的需求。

3、通过单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的大小关系作为计算方法的切换，实现在高速和低速时两种计算方法互相切换，能够提高测量速度的精度。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明具体实施的基于单片机的无刷直流电机测速装置的电路结构示意图；

图2为本发明具体实施的基于单片机的无刷直流电机测速装置使用方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种基于单片机的无刷直流电机测速装置，包括：电源转换模块1、单片机3、显示模块4、设置输入模块5、接口模块；

其中，设置输入模块5包括：启停按键、极对数设置按键；接口模块包括：电源接口单元、信号接口单元J2、光耦隔离单元2；电源接口单元包括正极接口J1、负极接口J3。

电源转换模块1分别与单片机3、设置输入模块5、显示模块4以及光耦隔离单元2连接，电源转换模块1用于给其他模块供电；设置输入模块5与单片机3连接，通过设置输入模块5中的启停按键向单片机3发送启停信号，来实现控制装置启停，通过设置输入模块5中的极对数设置按键在单片机3中设置极对数；光耦隔离单元2的输出端与单片机3连接，正极接口J1与无刷直流电机中的霍尔传感器的正极连接，信号接口单元J2与霍尔传感器的信号输出端以及光耦隔离单元2的输入端相连，负极接口J3与霍尔传感器的负极以及电源转换模块1连接，光耦隔离单元2用于将霍尔传感器的信号的电压调整成适合单片机3使用的电压，并传递给单片机3；单片机3基于光耦隔离单元2传递来的霍尔传感器信号以及设置输入模块5输入的参数计算无刷直流电机转速；显示模块4与单片机3连接，用于显示设置输入模块5输入的参数以及无刷直流电机的转速。

电源转换模块1可采用AMS1117-3.3，将5V电压转换成3.3V；光耦隔离模块2可采用EL813芯片；单片机3可采用STM32F103C8T6单片机；显示模块4可采用0.96寸的OLED显示屏。

如图2所示，本发明提供一种基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，使用方法包括如下步骤：

步骤A1：将无刷直流电机的驱动器中霍尔传感器的正极、负极接入电源接口单元，将霍尔传感器的信号输出端接入信号接口单元；

步骤A2：通过极对数设置按键设置极对数值并通过启停按键启动；

步骤A3：当单片机捕获到霍尔传感器输出信号中的边沿信号时，开始计时；当单片机再次捕获到尔传感器输出信号中的边沿信号时，停止计时，以此单片机以单片机时钟脉冲频率来计时获得的计时个数就记为霍尔传感器输出信号中单个电平的单片机计时个数；

步骤A4：根据步骤A3中获得的单个电平的单片机计时个数和单片机时钟脉冲频率的关系选择计算无刷直流电机转速的方法，具体如下：

当单个电平的单片机计时个数大于单片机时钟脉冲频率的倍时，利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速；

当单个电平的单片机计时个数不大于单片机时钟脉冲频率的倍时，利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的电平跳变次数计算无刷直流电机转速；

步骤A5：通过显示模块显示无刷直流电机转速。

步骤A4中利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速的具体如下：

根据步骤A3中获得的单个电平的单片机计时个数、单片机时钟脉冲频率以及极对数设置按键输入的极对数计算无刷直流电机转速，具体如下公式(1)：

公式(1)中，“v”是无刷直流电机转速；“T_c”是步骤A3获得的单个电平的单片机计时个数；“f_c”是单片机时钟脉冲频率；“p”是极对数设置按键输入的极对数。式中，分子系数60，将转速单位从转/秒转化成转/分,即rpm；分母系数2，将采集霍尔信号的半周期电平时长转化成整周期电平时长；

例如，当单个电平的单片机计时个数T_c＝600、单片机时钟脉冲频率f_c＝100×10³和无刷直流电机的极对数p＝4计算转速v具体为：

步骤A4中利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的高低电平个数计算无刷直流电机转速的具体步骤如下：

步骤A41：设置预设单位时间，单片机记录预设单位时间内霍尔传感器输出信号中电平跳变次数；

步骤A42：根据预设单位时间、步骤A41中获取的电平跳变次数以及极对数设置按键输入的极对数计算无刷直流电机转速，具体如下公式(2)：

公式(2)中，“T₀”是预设单位时间；“N”是步骤A41中获取的电平跳变次数；“p”是极对数设置按键输入的极对数。式中，分子系数60，将转速单位从转/秒转化成转/分,即rpm。

例如，当预设单位时间T₀＝500ms＝0.5s、所记录预设单位时间内的电平跳变次数N＝50，无刷直流电机的极对数p＝2计算转速v：

预设单位时间范围为300ms～500ms。预设时间要满足T₀×p不小1，若T₀×p小于1会导致转子计算速度的公式分母过小，影响转速计算精度。

分辨无刷直流电机是处于是否是高转速运行状态，一般通过无刷直流电机的实际的电气转速是否高于15000rpm来进行判断，此时在无刷直流电机的电气转速为15000rpm时，单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的比值为1/500，又因为无刷直流电机的电气转速根据极对数转换至实际转速时不会对单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的比值产生影响，所以可以直接通过单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的比值来判断无刷直流电机转速状况，从而选择适应的计算方法。当无刷直流电机处于高速运转情况时，此时单个电平的单片机计时个数不大于单片机时钟脉冲频率的

倍，所获得单个电平的单片机计时个数较短，如使用公式(1)作为计算转速的方法，由于公式(1)中单个电平的单片机计时个数“T_c”作为公式分母的一个算子，如果该算子过小会导致计算精度，所以在计时“T_c”值稍微波动就会带来转速计算的较大误差，所以高速情况下不利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速；而当无刷直流电机处于低速运转时，一般当实际转速低于额定转速一半时可以看做无刷直流电机处于低速运转，此时单个电平的单片机计时个数大于单片机时钟脉冲频率的

倍，此时单位时间电平跳变次数少，如使用公式(2)作为计算转速的方法，在公式中作为分子的电平跳变次数“N”过小则会影响计算精度，所以低速情况下不利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的高低电平个数计算无刷直流电机转速。

例如：针对额定转速2500rpm、极对数为6的无刷直流电机，单片机时钟脉冲频率f_c＝50×10³的情况时，在无刷直流电机实际转速在1250rpm以内即单个电平的单片机计时个数大于单片机时钟脉冲频率的

倍时，利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速；在无刷直流电机转速大于1250rpm即单个电平的单片机计时个数不大于单片机时钟脉冲频率的

倍，利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的电平跳变次数计算无刷直流电机转速。这样实现了在额定转速的1/2处实现转速计算方法的切换，能获取较高的计算精度，使得转速计算精度能够控制在±5rpm误差以内，得到较高的计算精度。如果在无刷直流电机转速大于1250rpm时，仍然利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速，至少会引起±6rpm转速计算误差，降低了计算精度。

Claims (9)

1.一种基于单片机的无刷直流电机测速装置，其特征在于，包括：电源转换模块、单片机、设置输入模块、显示模块、接口模块；

所述电源转换模块分别与所述单片机、设置输入模块、显示模块、接口模块连接，所述电源转换模块用于给其他模块供电；所述设置输入模块与所述单片机连接，用于向所述单片机输入设置的参数；所述接口模块的输出端与所述单片机连接，所述接口模块的输入端分别与无刷直流电机中的霍尔传感器的正极、霍尔传感器的信号输出端、霍尔传感器的负极连接，所述接口模块用于将霍尔传感器的信号传递给所述单片机；所述单片机基于所述接口模块传递来的霍尔传感器信号以及所述设置输入模块输入的参数计算无刷直流电机转速；所述显示模块与所述单片机连接，用于显示所述设置输入模块输入的参数以及无刷直流电机的转速。

2.如权利要求1所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置，其特征在于，所述设置输入模块包括：启停按键、极对数设置按键；所述启停按键用于启动和停止装置运行；所述极对数设置按键用于设置无刷直流电机的极对数。

3.如权利要求1或2所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置，其特征在于，所述接口模块包括：电源接口单元、信号接口单元、光耦隔离单元；所述电源接口单元与所述电源转换模块连接，从霍尔传感器电源的正极、负极接入；所述信号接口单元的输出端与所述光耦隔离单元输入端连接，输入端供霍尔传感器的信号输出端接入；所述光耦隔离单元的输出端与所述单片机连接，用于对霍尔传感器的信号进行隔离处理。

4.一种基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将无刷直流电机的驱动器中霍尔传感器的正极、负极接入电源接口单元，将霍尔传感器的信号输出端接入信号接口单元；

步骤2：通过极对数设置按键设置极对数值并通过启停按键启动；

步骤3：单片机获取霍尔传感器输出信号中单个电平的单片机计时个数；

步骤4：根据步骤3中获得的单个电平的单片机计时个数和单片机时钟脉冲频率的关系选择计算无刷直流电机转速的方法，具体如下：

当单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的比值大于

时，利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速；

当单个电平的单片机计时个数与单片机时钟脉冲频率的比值不大于

时，利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的高低电平个数计算无刷直流电机转速；

步骤5：通过显示模块显示无刷直流电机转速。

5.如权利要求4所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，其特征在于，所述步骤4中利用霍尔传感器输出信号的高低电平变化时间计算无刷直流电机转速的具体如下：

根据所述步骤3中获得的单个电平的单片机计时个数、单片机时钟脉冲频率以及极对数设置按键输入的极对数计算无刷直流电机转速。

6.如权利要求5所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，其特征在于，计算无刷直流电机转速的具体公式如下：

其中，“v”是无刷直流电机转速；“T_c”是根据所述步骤3中获得的单个电平的单片机计时个数；“f_c”是单片机时钟脉冲频率；“p”是极对数设置按键输入的极对数。

7.如权利要求4所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，其特征在于，所述步骤4中利用预设单位时间内的霍尔传感器输出信号的高低电平个数计算无刷直流电机转速的具体步骤如下：

步骤41B：设置预设单位时间，单片机记录预设单位时间内霍尔传感器输出信号中电平跳变次数；

步骤42B：根据预设单位时间、步骤41B中获取的电平跳变次数以及极对数设置按键输入的极对数计算无刷直流电机转速。

8.如权利要求7所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，其特征在于，所述步骤42B中计算无刷直流电机转速的具体公式如下：

其中，“T₀”是预设单位时间；“N”是步骤41B中获取的电平跳变次数；“p”是极对数设置按键输入的极对数。

9.如权利要求7或8所述的基于单片机的无刷直流电机测速装置的使用方法，其特征在于，所述预设单位时间范围为300ms～500ms。

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