CN111948422A - 可调节电机转速测量装置及其测量方法 - Google Patents

可调节电机转速测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了可调节电机转速测量装置及其测量方法，包括信号采集部分、控制芯片、按键输入部分和显示输出部分，信号采集部分选用编码器，该编码器的信号采集测采用6N137光耦芯片实现电气隔离，并且其输入端串联接入滑动变阻器以增加输入信号的电压范围。本发明的可调节电机转速测量装置及其测量方法，通过增设的按键输入模块可以根据实际中编码器的线数来进行实时调整，可以很好的适用于大多数场合的要求，本发明在电机高速和低速时分别使用了不同的算法以适应对电机转速控制精度的要求，转速精度可以达到0.01r/min，本发明操作简单，总体设计较为廉价，对降低使用成本，不同的复杂场合都可以达到很好的要求。

Description

可调节电机转速测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及电机测量技术领域，尤其涉及可调节电机转速测量装置及其测量方法。
背景技术
如今电机已经是我们生活中经常接触的仪器，无论是宇宙飞船还是深潜海底几万米的潜艇都需要电机来执行设备中需要运动的部分，所以对电机控制技术的要求是十分重要的，很多场所我们需要对电机的转速进行精准的闭环控制，进而实现我们对目标移动或者跟踪目标的要求，这需要我们对电机的实时转速进行相应的反馈，除此之外在开环控制中，也同样需要得知转速的数值，通过人为的改变给定频率或者电压的方法进行粗略的转速控制。目前市场上有很多转速测量仪器，部分测速产品，对编码器需要进行配套设置，内部转速的计算方法较为单一，没有考虑高低速时，采样所表现不同的特性，这使得普遍存在着准确性不高，而设定规定线数的测速仪器，无法应对不同环境要求，导致适用性不广，有些产品过于笨重，难于在一些复杂的场合下进行安装，而高性能的测量仪器需要高于常规十几倍或者几十倍的价格，这使得用户需要额外承担经济负担。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出可调节电机转速测量装置，针对于300-2000线数的旋转编码器可以通过设置，进行准确测量，同时使用元器件较少，成本较为低廉。
本发明提出可调节电机转速测量装置，包括信号采集部分、控制芯片、按键输入部分和显示输出部分，信号采集部分选用编码器，该编码器的信号采集测采用6N137光耦芯片实现电气隔离，并且其输入端串联接入滑动变阻器以增加输入信号的电压范围，采用6N137高速光耦对编码器的信号进行光电隔离，保护了控制电路的安全。
优选的，按键输入部分为由六个按钮组成的按键输入模块，通过按键输入模块更新编码器内部的线数，实际在用户使用过程中可能会因为设备的升级或原装的编码器的损害又缺少相同型号的编码器材，以至于不得不用其他品牌的编码器作为替代，为此可能编码器的线数会有所改变，这导致原先的测速计算方法将不再准确，因此，本发明通过按键输入模块可以对编码器的线数进行相关的设置，芯片内部会利用最新更新的线数进行计算转速，从而达到准确测量。
优选的，按键输入部分的六个按钮分别为K1-设置按钮，K2-数值增加1000 按钮，K3-数值加100按钮，K4-数值加10按钮，K5-数值加1按钮，K6-设置完成按钮；其中K1-设置按钮还带有自动复位功能。
优选的，显示输出部分采用四个共阴极数码管来进行显示转速，所述数码管采用74HC595驱动芯片以并行输出的方式所驱动，74HC595驱动芯片能够减少使用芯片引脚，驱动芯片以并行输出的方式则可以达到减少数码管闪烁感，增强了显示效果。
优选的，显示输出部分根据电机的转速分为三种显示方式，分别为小于 100r/min时显示精度为0.01r/min，大于100r/min且小于1000r/min显示精度为0.1r/min，大于1000r/min显示精度为1r/min，三种不同的显示方式可以适应对电机转速控制精度的要求。
优选的，所述控制芯片采用STM32F103，相比普通单片机芯片，它具有更高的运算性能，STM32F103共有19个引脚，其中PB10、PB11为外部通讯引脚，PA13、 PC10为信号输入引脚，PB5-PB9与PB12按钮输入引脚、PA10、PA11为电机方向指示灯引脚，PA1、PA2、PC7为驱动输出引脚，PA3、PA4、PC6、PC9为数码管的位选输出引脚。
本发明还提出一种利用上述装置对电机进行测速的方法，方法步骤如下：
S1、开启芯片的定时器和外部中断，其中外部中断捕获外部输入的上升沿信号并进入中断子程序；
S2、数据寄存器对脉冲数目进行计算，并通过LED1和LED2两个发光二极管判断电机旋转方向；
S3、先采用定时计数法计算转速；
S4、判断电机转速是否大于100r/min，若电机转速大于100r/min，则采用定时计数法进行测速，否则采用定数计时法进行测速；
S5、计算得出的转速通过数码管显示，并且根据转速显示方式具体的显示出其精度。
本发明的有益效果是：本发明采用较高性能的单片机实现了宽范围显示，可以满足市场上绝大多数的旋转编码器的信号，其次，本发明添加了按钮输入模式可以对编码器的线数进行相关的设置，并且能针对300-2000线数的旋转编码器进行设置，芯片内部会利用最新更新的线数进行计算转速，可在0.01-7000r/min 中保持较强的准确度；而光耦实现了电气的隔离有力的保护了控制电路的安全，此外可以外接控制芯片的接口进行数据进行传输达到闭环控制的效果，降低了成本，增加了灵活性；最后，本发明在电机高速和低速时分别使用了不同的算法以适应对电机转速控制精度的要求，转速精度可以达到0.01r/min，本发明操作简单，总体设计较为廉价，对降低使用成本，不同的复杂场合都可以达到很好的要求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提出的可调节电机转速测量装置的系统框图；
图2为本发明提出的可调节电机转速测量装置测量电机转速的工作流程示意图；
图3为本发明提出的可调节电机转速测量装置中数码管的电路图；
图4为本发明提出的可调节电机转速测量装置中数码管的驱动电路图；
图5为本发明提出的可调节电机转速测量装置中光耦按键连接图；
图6为本发明提出的可调节电机转速测量装置转速计算模式图；
图7为本发明提出的可调节电机转速测量线数设置模式结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图来进一步的描述本发明实施例的可调节电机转速测量装置及其测量方法。
本发明提出可调节电机转速测量装置，如图1所示，其包括编码器、控制芯片、数码管、数码管驱动和按键输入，编码器输入部分采用6N137高速光耦芯片，输入端接入2KΩ的滑动变阻器，其主要作用是为了达到调节阻值给光耦输入部分进行限流，这样可以增加输入信号的电压范围，输出侧6脚和8脚并联1KΩ电阻，5脚和8脚紧邻侧并联一个100μF的电容，脚和6脚并联为30pF电容。本发明输入信号范围为2至30V，如图5所示，6N137光耦芯片的2、3为输入端，其内部就是连接一个发光二极管，查阅6N137光耦芯片的资料可以得知发光二极管导通压降在1.2-1.7V，正向电流为6.5-15mA，变阻器的电阻为2000Ω时，正常工作下，变阻器最大压降为30v(2000*0.015)，设二极管最小导通压降为1.2v，根据KCL(基尔霍夫电压定理)可以得出输入电压为31.2v，这个电压就是最大的输入电压。最小的输入电压只要比二极管压降电压大一些即可，本发明选2v，只要调节滑动变阻器，所输入范围可以达到2-30v，这是一个非常宽范围的电压，可以满足市场上绝大多数的旋转编码器的信号，在测量转速时，需要将编码器输出的A相接第一个输入端，将B相接入第二个输入端，即可同时需要调节滑动变阻器的阻值，输入最高电压与电阻的比值为0.022左右，地线与旋转编码器地线需要连接在一起，6N137光耦芯片的输出侧6脚和8脚需要加上上拉电阻，光耦输出端是三极管集电极开漏输出，加上上拉电阻后，输出信号根据输入端的信号输出相反的信号，这是因为芯片的引脚电压为3.3V，大于3.3V的电压会损害单片机的引脚，导致损害控制芯片。显示输出部分采用如图3所示的四位共阴极数码管，考虑到数码管会有闪烁，所以采用74HC595驱动芯片，进行驱动数码管，具体的驱动电路如图4所示，74HC595芯片是并行数据输出可以达到去除闪烁效果；按键输入则设置为按键设置程序，通过六个按钮实现，其中按键K1为设置按钮，当需要对编码器中的线数进行调整时，按下它时进入设置模式，如图7 所示，当再次按下时会启动设置清零，会把之前数值进行清除回归到初始值300，按键K2为数值加1000按钮，每按一次数值就会增加1000，按键K3为数值加100 按钮，按键K4为数值加10按钮，按键K5为数值加1，通过K2-K5达到快速设置数值的目的，按键K6是设置完成按钮，当按下时，表明设置已经完成，单片机可以通过新的线数进行计算电机的转速。
如图2所示，本发明提出一种利用可调节电机转速测量装置测量电机转速的测试方法，首先需要开启芯片的定时器和外部中断，当外部中断捕获外部输入的上升沿信号，进入中断子程序此时数据寄存器对脉冲数目进行加1，同时判断电机的旋转反向，此时测速的方法为为定时计数法，也被称为M法，就是通过计算在固定时间内脉冲的多少，来实现计算电机转速大小，但是M法在电机速度较高时效果很好，精确度很高，但是在低速时就会存在很大的误差，为此为了解决这个问题，在低速时才定数计时法，也称为T法，T法是计算在固定的脉冲下通过计算时间的多少来得到，转速的数值，但是T法缺点和M法相反，高速时效果较差，所以本发明先通过M法计算转速，如果转速大于100r/min时切换为T法计算转速，最后把T法得到结果进行输出。
如图6所示，利用测速装置对电机转速进行测量后，系统先进行判断是否进行转速显示，如果判读进入转速显示，有三种转速显示形式小于100r/min、大于100r/min至1000r/min、大于1000r/min，小于100r/min时显示是进度为 0.01r/min，大于100r/min至1000r/min时显示的精度为0.1r/min，当大于1000r/min是显示的精度为1r/min。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.可调节电机转速测量装置，包括信号采集部分、控制芯片、按键输入部分和显示输出部分，其特征在于：信号采集部分选用编码器，该编码器的信号采集测采用6N137光耦芯片实现电气隔离，并且其输入端串联接入滑动变阻器以增加输入信号的电压范围。
2.根据权利要求1所述的可调节电机转速测量装置，其特征在于：按键输入部分为由六个按钮组成的按键输入模块，通过按键输入模块更新编码器内部的线数。
3.根据权利要求2所述的可调节电机转速测量装置，其特征在于：按键输入部分的六个按钮分别为K1-设置按钮，K2-数值增加1000按钮，K3-数值加100按钮，K4-数值加10按钮，K5-数值加1按钮，K6-设置完成按钮；其中K1-设置按钮还带有自动复位功能。
4.根据权利要求1所述的可调节电机转速测量装置，其特征在于：显示输出部分采用四个共阴极数码管来进行显示转速，所述数码管采用74HC595驱动芯片以并行输出的方式所驱动。
5.根据权利要求4所述的可调节电机转速测量装置，其特征在于：显示输出部分根据电机的转速分为三种显示方式，分别为小于100r/min时显示精度为0.01r/min，大于100r/min且小于1000r/min显示精度为0.1r/min，大于1000r/min显示精度为1r/min。
6.根据权利要求1所述的可调节电机转速测量装置，其特征在于：所述控制芯片采用STM32F103，共19个引脚，其中PB10、PB11为外部通讯引脚，PA13、PC10为信号输入引脚，PB5-PB9与PB12按钮输入引脚、PA10、PA11为电机方向指示灯引脚，PA1、PA2、PC7为驱动输出引脚，PA3、PA4、PC6、PC9为数码管的位选输出引脚。
7.一种利用权利要求1-6任一所述的可调节电机转速测量装置测量电机转速的方法，其特征在于，测量方法步骤如下：
S1、开启芯片的定时器和外部中断；
S2、计算脉冲并判断电机旋转方向；
S3、先采用定时计数法计算转速；
S4、判断电机转速是否大于100r/min，若电机转速大于100r/min，则采用定时计数法进行测速，否则采用定数计时法进行测速；
S5、计算得出的转速通过数码管显示。
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