CN112285374A - 有刷电机速度检测装置及有刷电机速度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有刷电机速度检测装置及有刷电机速度检测方法，有刷电机速度检测装置包括反电动势检测模块和微控制单元，所述反电动势检测模块的输入端与有刷电机的负极连接，所述反电动势检测模块的输出端与所述微控制单元连接，所述反电动势检测模块用于获取有刷电机负极的反电动势电压电信号，所述微控制单元用于获取有刷电机负极的反电动势电压值，并根据所述反电动势电压值和有刷电机的正极电压值处理得到有刷电机转速。通过反电动势检测电路可有效控制有刷电机速度的检测带宽，增加有刷电机速度检测精度。本检测装置设计简单，可靠性强，不受电机尺寸限制，不受电机负载大小影响，准确度高。

Description

有刷电机速度检测装置及有刷电机速度检测方法

技术领域

本发明涉及有刷电机技术领域，更具体地说是指一种有刷电机速度检测装置及有刷电机速度检测方法。

背景技术

传统的有刷电机速度检测，一般有两种方法：一种是基于霍尔传感器安装在电机内部，通过霍尔信号的变化频率检测出电机的转速，该方法设计简单，估算准确，缺点在于需要在电机内部预留安装霍尔器件的位置，对于体积小型的电机并不适用；另外一种方法是基于检测有刷换向器的换相电流脉冲频率估算出电机的转速，该方法设计简单，容易实现，缺点在于面对大负载工况下，换向器的电流脉冲信号会被负载电流覆盖掉，无法准确检测转速信号。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有刷电机速度检测装置及有刷电机速度检测方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种有刷电机速度检测装置，包括反电动势检测模块和微控制单元，所述反电动势检测模块的输入端与有刷电机的负极连接，所述反电动势检测模块的输出端与所述微控制单元连接，所述反电动势检测模块用于获取有刷电机负极的反电动势电压电信号，所述微控制单元用于获取有刷电机负极的反电动势电压值，并根据所述反电动势电压值和有刷电机的正极电压值处理得到有刷电机转速。

其进一步技术方案为：所述反电动势检测模块包括分压电路、运算放大电路和滤波电路，所述分压电路的输入端与有刷电机的负极连接，所述分压电路的输出端与所述运算放大电路的输入端连接，所述运算放大电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端与所述微控制单元连接。

其进一步技术方案为：所述分压电路包括电阻R30、电阻R51、电容C6和电阻R34，所述电阻R30的第一端与有刷电机的负极连接，第二端分别与所述电阻R51和所述电容C6的第一端连接，所述电阻R51和所述电容C6的第二端均与所述电阻R34的第一端连接并接地。

其进一步技术方案为：所述运算放大电路包括放大器U9B、电阻R136和电容C38，所述放大器U9B的正极输入端与所述电阻R30的第二端连接，所述放大器U9B的负极输入端与所述电阻R34的第二端连接，所述放大器U9B的输出端分别与所述电阻R136和所述电容C38的第二端连接，所述电阻R136和所述电容C38的第一端均与所述电阻R34的第二端连接。

其进一步技术方案为：所述滤波电路包括电阻R134、电阻R237、电容C42和电容C43，所述电阻R134的第一端与所述放大器U9B的输出端连接，所述电阻R134的第二端分别与所述电阻R237和所述电容C42的第一端连接，所述电阻R237的第二端分别与所述微控制单元和所述电容C43的第一端连接，所述电容C42和所述电容C43的第二端连接并接地。

其进一步技术方案为：所述微控制单元的型号为STM32F051C4。

一种有刷电机速度检测方法，基于以上所述的有刷电机速度检测装置，包括以下步骤：

启动有刷电机；

通过微控制单元设置采样时间窗口；

在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值；

在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值；

计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值；

根据所述电压差值计算得到有刷电机的转速。

其进一步技术方案为：所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值的步骤，包括：

在采样时间内通过反电动势检测模块获取有刷电机负极的反电动势电压电信号；

通过微控制单元上的数模转换模块将反电动势电压电信号转换得到反电动势电压值。

其进一步技术方案为：所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值的步骤包括：

在采样时间内通过微控制单元上的数模转换模块将正极电压电信号转换得到正极电压值。

其进一步技术方案为：所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值的步骤、所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值的步骤、所述计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值的步骤和所述根据所述电压差值计算得到有刷电机的转速的步骤之后，还包括以下步骤：

进行数字滤波。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明一种有刷电机速度检测装置通过设置反电动势检测模块以准确获得有刷电机的反电动势电压电信号，并通过微控制单元处理运算计算得到有刷电机转速，反电动势检测电路可有效控制有刷电机速度的检测带宽，增加有刷电机速度检测精度。本检测装置设计简单，可靠性强，不受电机尺寸限制，不受电机负载大小影响，准确度高。有刷电机速度检测方法通过获取有刷电机负极的反电动势电压值，此时检测到的电压数据是真实的以地为参考的有刷电机负极的反电动势电压，通过获取有刷电机的正极电压值，此时采集的是同样以地为参考的电机正极电压(母线电压)，计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值即可获得以有刷电机负极电压为参考的反电动势电压幅值，用反电动势电压幅值乘反电动势常数即可获得稳定的电机转速，该方法设计简单，可靠性强，不受电机尺寸限制，不受电机负载大小影响，准确度高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述说明和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，特举较佳实施例，详细说明如下。

附图说明

图1为有刷电机速度检测装置的电路图；

图2为有刷电机速度检测方法的流程框图；

图3为有刷电机速度检测方法子流程的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

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”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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不应理解为必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

如图1至图3所示，一种有刷电机速度检测装置，包括反电动势检测模块1和微控制单元2，反电动势检测模块1的输入端与有刷电机3的负极连接，反电动势检测模块1的输出端与微控制单元2连接，反电动势检测模块1用于获取有刷电机3负极的反电动势电压电信号，微控制单元2用于获取有刷电机3负极的反电动势电压值，并根据反电动势电压值和有刷电机3的正极电压值处理得到有刷电机3转速。通过设置反电动势检测模块1以准确获得有刷电机3的反电动势电压电信号，并通过微控制单元2处理运算计算得到有刷电机3转速，反电动势检测电路可有效控制有刷电机3速度的检测带宽，增加有刷电机3速度检测精度。本检测装置设计简单，可靠性强，不受电机尺寸限制，不受电机负载大小影响，准确度高。

具体地，如图1所示，反电动势检测模块1包括分压电路11、运算放大电路12和滤波电路13，分压电路11的输入端与有刷电机3的负极连接，分压电路11的输出端与运算放大电路12的输入端连接，运算放大电路12的输出端与滤波电路13的输入端连接，滤波电路13的输出端与微控制单元2连接。通过搭建反分压电路11，运算放大电路12，滤波电路13，将运行时有刷电机3的反电动势电压提取出来，可有效控制有刷电机3速度的检测带宽，增加有刷电机3速度检测精度。

具体地，如图1所示，分压电路11包括电阻R30、电阻R51、电容C6和电阻R34，电阻R30的第一端与有刷电机3的负极连接，第二端分别与电阻R51和电容C6的第一端连接，电阻R51和电容C6的第二端均与电阻R34的第一端连接并接地，通过本分压电路11实现分压。

具体地，如图1所示，运算放大电路12包括放大器U9B、电阻R136和电容C38，放大器U9B的正极输入端与电阻R30的第二端连接，放大器U9B的负极输入端与电阻R34的第二端连接，放大器U9B的输出端分别与电阻R136和电容C38的第二端连接，电阻R136和电容C38的第一端均与电阻R34的第二端连接。通过R136与R34电阻比例组成放大倍数，通过放大器U9B的供电上限，强制使高于供电上限的反电动势电压值钳位于放大器U9B的供电电压幅值，以实现控制速度检测带宽功能。

具体地，如图1所示，滤波电路13包括电阻R134、电阻R237、电容C42和电容C43，电阻R134的第一端与放大器U9B的输出端连接，电阻R134的第二端分别与电阻R237和电容C42的第一端连接，电阻R237的第二端分别与微控制单元2和电容C43的第一端连接，电容C42和电容C43的第二端连接并接地。R134与C42组成第一阶RC滤波器，R237与C43组成第二阶RC滤波器。

具体地，微控制单元2的型号为STM32F051C4。

如图2所示，一种有刷电机速度检测方法，基于如图1所示的有刷电机速度检测装置，包括以下步骤：

S10、启动有刷电机。

S20、通过微控制单元设置采样时间窗口。

S30、在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值。

S40、在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值。

S50、计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值。

S60、根据电压差值计算得到有刷电机的转速。

本检测方法通过微控制单元2获取有刷电机3负极的反电动势电压值，此时检测到的电压数据是真实的以地为参考的有刷电机3负极的反电动势电压，通过微控制单元2获取有刷电机3的正极电压值，此时采集的是同样以地为参考的电机正极电压(母线电压)，计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值即可获得以有刷电机3负极电压为参考的反电动势电压幅值，由于有刷电机3的转速与反电动势电压幅值成正比，该正比的系数我们称为反电动势常数Speed_Const，用减法后的反电动势电压幅值乘反电动势常数Speed_Const，即可获得稳定的电机转速。该方法设计简单，可靠性强，不受电机尺寸限制，不受电机负载大小影响，准确度高。

具体地，如图3所示，在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值的步骤，包括：

S31、在采样时间内通过反电动势检测模块获取有刷电机负极的反电动势电压电信号。

S32、通过微控制单元上的数模转换模块将反电动势电压电信号转换得到反电动势电压值。

通过反电动势检测模块1可有效控制电机速度的检测带宽，增加电机速度检测精度。通过数模转换模块将反电动势电压电信号转换为反电动势电压数字信号，即得到反电动势电压值。

具体地，在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值的步骤包括：

在采样时间内通过微控制单元上的数模转换模块将正极电压电信号转换得到正极电压值。通过数模转换模块将正极电压电信号转换为正极电压数字信号，即得到正极电压值。

具体地，在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值的步骤、在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值的步骤、计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值的步骤和根据电压差值计算得到有刷电机的转速的步骤之后，还包括以下步骤：

进行数字滤波。进行数字滤波的作用是为了过滤杂波。

具体地，通过该方法得出的有刷电机3转速与实际有刷电机转速误差范围为2％～5％，完全能满足有刷电机的应用场合。

与现有技术相比，本发明一种有刷电机速度检测装置通过设置反电动势检测模块以准确获得有刷电机的反电动势电压电信号，并通过微控制单元处理运算计算得到有刷电机转速，反电动势检测电路可有效控制有刷电机速度的检测带宽，增加有刷电机速度检测精度。本检测装置设计简单，可靠性强，不受电机尺寸限制，不受电机负载大小影响，准确度高。有刷电机速度检测方法通过获取有刷电机负极的反电动势电压值，此时检测到的电压数据是真实的以地为参考的有刷电机负极的反电动势电压，通过获取有刷电机的正极电压值，此时采集的是同样以地为参考的电机正极电压(母线电压)，计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值即可获得以有刷电机负极电压为参考的反电动势电压幅值，用反电动势电压幅值乘反电动势常数即可获得稳定的电机转速，该方法设计简单，可靠性强，不受电机尺寸限制，不受电机负载大小影响，准确度高。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种有刷电机速度检测装置，其特征在于，包括反电动势检测模块和微控制单元，所述反电动势检测模块的输入端与有刷电机的负极连接，所述反电动势检测模块的输出端与所述微控制单元连接，所述反电动势检测模块用于获取有刷电机负极的反电动势电压电信号，所述微控制单元用于获取有刷电机负极的反电动势电压值，并根据所述反电动势电压值和有刷电机的正极电压值处理得到有刷电机转速。

2.根据权利要求1所述的有刷电机速度检测装置，其特征在于，所述反电动势检测模块包括分压电路、运算放大电路和滤波电路，所述分压电路的输入端与有刷电机的负极连接，所述分压电路的输出端与所述运算放大电路的输入端连接，所述运算放大电路的输出端与所述滤波电路的输入端连接，所述滤波电路的输出端与所述微控制单元连接。

3.根据权利要求2所述的有刷电机速度检测装置，其特征在于，所述分压电路包括电阻R30、电阻R51、电容C6和电阻R34，所述电阻R30的第一端与有刷电机的负极连接，第二端分别与所述电阻R51和所述电容C6的第一端连接，所述电阻R51和所述电容C6的第二端均与所述电阻R34的第一端连接并接地。

4.根据权利要求3所述的有刷电机速度检测装置，其特征在于，所述运算放大电路包括放大器U9B、电阻R136和电容C38，所述放大器U9B的正极输入端与所述电阻R30的第二端连接，所述放大器U9B的负极输入端与所述电阻R34的第二端连接，所述放大器U9B的输出端分别与所述电阻R136和所述电容C38的第二端连接，所述电阻R136和所述电容C38的第一端均与所述电阻R34的第二端连接。

5.根据权利要求4所述的有刷电机速度检测装置，其特征在于，所述滤波电路包括电阻R134、电阻R237、电容C42和电容C43，所述电阻R134的第一端与所述放大器U9B的输出端连接，所述电阻R134的第二端分别与所述电阻R237和所述电容C42的第一端连接，所述电阻R237的第二端分别与所述微控制单元和所述电容C43的第一端连接，所述电容C42和所述电容C43的第二端连接并接地。

6.根据权利要求1所述的有刷电机速度检测装置，其特征在于，所述微控制单元的型号为STM32F051C4。

7.一种有刷电机速度检测方法，基于权利要求1至6任意一项所述的有刷电机速度检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

启动有刷电机；

通过微控制单元设置采样时间窗口；

在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值；

在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值；

计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值；

根据所述电压差值计算得到有刷电机的转速。

8.根据权利要求7所述的有刷电机速度检测方法，其特征在于，所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值的步骤，包括：

在采样时间内通过反电动势检测模块获取有刷电机负极的反电动势电压电信号；

通过微控制单元上的数模转换模块将反电动势电压电信号转换得到反电动势电压值。

9.根据权利要求7所述的有刷电机速度检测方法，其特征在于，所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值的步骤包括：

在采样时间内通过微控制单元上的数模转换模块将正极电压电信号转换得到正极电压值。

10.根据权利要求7所述的有刷电机速度检测方法，其特征在于，所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机负极的反电动势电压值的步骤、所述在采样时间内通过微控制单元获取有刷电机的正极电压值的步骤、所述计算正极电压值与反电动势电压值之间的电压差值的步骤和所述根据所述电压差值计算得到有刷电机的转速的步骤之后，还包括以下步骤：

进行数字滤波。

Images