CN113567701A - 基于模拟量获取电机转速和温度的装置和方法 - Google Patents

基于模拟量获取电机转速和温度的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于模拟量获取电机转速和温度的装置和方法，当电机的测速磁钢经过测速霍尔传感器时，产生霍尔信号。当有测速霍尔信号时，三极管导通，此时输出信号端口S的电压为低电平0V；若无测速霍尔信号时，三极管不导通，此时输出信号端口S的电压为热敏电阻RT和上拉电阻R1的分压，即电机温度。通过低电平和非低电平的持续时间来计算电机转速，根据非低电平时刻的电压输出电机温度。通过上述方法可见，单个输出端口可以同时获得电机转速和电机温度两个电机参数，通过模拟量进行兼容设计，是一种节省单片机端口，适配不同场景需求，可靠并且低成本的电机转速和电机温度获取方法。

Description

基于模拟量获取电机转速和温度的装置和方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种基于模拟量获取电机转速和温度的装置和方法。
背景技术
随着时代和技术的发展，无刷电机信号线越来越标准化，最常见的电机出线方式为9芯线，分别是电源正极和负极，三根电机相线和三根位置霍尔信号线。还有一根线可以作为测速霍尔信号线或者电机温度信号线。但是现有技术若想同时获取电机速度和电机温度两个参数，则需要另外增加信号线，这样会导致出线方式的改变，增加标准化工作的难度，并且匹配不上现有电机产品系统，增加产品成本。因此，需要找到一种匹配标准化并且低成本同时获取电机速度和电机温度两个参数的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于模拟量获取电机转速和温度的装置和方法，基于模拟量的方式并且通过单个端口同时获取电机转速和电机温度，能够匹配标准化的同时，降低成本。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于模拟量获取电机转速和电机温度的装置和方法，所述电机包括定子和转子，所述转子和定子同轴设置，且转子能够相对定子转动，所述获取电机转速和温度的装置包括测速磁钢和测量电路，所述测速磁钢为n个，其中，n为自然数，且n≥1，n个测速磁钢沿周向固定在电机内部的转子上，当测速磁钢为2个及以上时，沿周均匀向固定在电机内部的转子上；所述测量电路包括霍尔传感器Hall、测温电路和输出信号端口S，所述霍尔传感器Hall的内部集成三极管Q1，且霍尔传感器Hall的内部霍尔连接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地GND，所述三极管的集电极连接至输出信号端口S，所述测温电路的输出端连接至输出信号端口S；作为优选，三极管Q1为NPN三极管；
当测速磁钢经过霍尔传感器Hall时，霍尔传感器Hall内部三极管Q1基极为高电平，三极管Q1导通，输出信号端口S接地GND，输出（0V）低电平，当测速磁钢经过霍尔传感器Hall后，即未经过霍尔传感器Hall时，霍尔传感器Hall内部三极管Q1基极为低电平，三极管Q1未导通，此时，输出信号端口S输出测温电路输出端的电平。即输出信号端口S的电压为热敏电阻RT和上拉电阻R1的分压，即可反映电机温度。
具体的，常用的测温方式就是采用热敏电阻，因此，所述测温电路包括上拉电阻R1以及热敏电阻RT，所述上拉电阻R1和热敏电阻RT串联后并联在电源B+和地GND之间，且上拉电阻R1和热敏电阻RT的公共端作为测温电路的输出端连接至输出信号端口S。输出信号端口S的电压为热敏电阻RT和上拉电阻R1的分压，即电机温度。
进一步，所述测量电路还包括电容C1和C2，所述电容C1并联在电源B+和地GND之间；所述电容C2一端连接输出信号端口S，另一端接地GND。其中，电容C1平缓电源电压突变，平滑直流电压输出，滤除高频噪声（电流），并且在电源断电后能够维持一段反应时间；电容C2用于滤除输出信号端口S中干扰信号。
进一步，所述测量电路集成在电路板上，所述电路板固定在电机内部的定子上。固定在定子上的好处为，定子不需要旋转，电路板不会因离心力脱落或松动，安装可靠性，检测信号可靠性都比安装在转子上更高。除此之外，该电路板上还可以集成其他与电机控制有关的器件，如电机的位置霍尔传感器等，提高集成度，减小占用的电机空间。
作为优选，所述测速磁钢的个数n取值为：1≤n≤10。进一步优选，测速磁钢为1个或6个。
进一步，为了判断输出信号端口S的电压的状态，所述输出信号端口S与控制器MCU连接，控制器MCU采集输出信号端口S输出的模拟电压。
一种基于模拟量获取电机转速和温度的方法，包括上述的获取电机转速和温度的装置，还包括以下步骤：
S1：控制器采集输出信号端口S的电压，并判断该电压是否为低电平，例如0V，若为低电平，则记为状态A，若不为低电平，则记为状态B；电机在转动过程中，输出信号端口S的输出在状态A和状态B之间变化；状态A到状态B、状态B到状态，均为一次变化；
S2：确定状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb，并根据状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb确定磁钢周期t，然后再根据磁钢周期t和测速磁钢数n计算电机转1圈的时间T，则T=nt，单位，ms；然后根据电机的转速公式：RPM=60000/T，单位，r/min，计算出电机的转速；其中，磁钢周期t指电机转动时，测速磁钢连续两次经过霍尔传感器的时间间隔，也就是从一个测速磁钢转到下一个测速磁钢所用的时间。
同时，控制器MCU采集状态B时输出信号端口S的电压值，并根据电压值和热敏电阻的温度特性，通过查表法计算出电机的温度。
具体的，步骤S2中根据状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb确定磁钢周期t具体包括以下步骤：当输出信号端口S的输出状态变化时，开始计时，当状态连续变化三次时，停止计时，状态连续变化三次的时间即为磁钢周期t，并且t=ta+tb，每个磁钢周期t内均包括一状态A和一状态B。
进一步，为了便于获取测速磁钢经过测速霍尔的磁钢周期t，步骤S2中还包括以下步骤：输出信号端口S的状态每连续变化三次，对计时器进行清零。对计数器进行清零操作，这样计数器的计时时间即为测速磁钢经过测速霍尔的磁钢周期t。
进一步，步骤S2中还包括判断电机运行状态的步骤：当状态A持续时间ta或状态B持续时间tb超过状态时间阈值tp，则判定电机未运行（即转速为0）或超低转速运行；当状态A持续时间ta或状态B持续时间tb未超过状态时间阈值tp，则判断电机正常运行。
为了防止电机转速突变，而干扰控制器MCU的数据采集，影响判断，因此，通过控制器MCU内部的程序，采用软件算法模拟RC低通滤波器，实现软滤波，滤除干扰信号，提高控制精度。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于模拟量获取电机转速和电机温度的装置和方法，根据端口S的电压，确定状态A和状态B，然后根据状态A和状态B的持续时间和电机的磁钢数得到电机的转速；再根据所述状态B的电压来计算出电机温度，而不需要更改电机的出线方式，能够匹配标准化的同时，降低成本并且可以获取到电机转速和温度两个参数信息。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明获取电机转速和温度的装置与电机的装配结构示意图。
图2是本发明测量电路的电路原理图。
图3是本发明输出信号端口S的波形图。
图中：1、转子，2、定子，3、测速磁钢，4、电路板。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种基于模拟量获取电机转速和温度的装置，所述电机包括定子2和转子1，所述转子1和定子2同轴设置，且转子1能够相对定子2转动，其特征在于：所述获取电机转速和温度的装置包括测速磁钢3和电路板4，所述测速磁钢3为n个，其中，n为自然数，且n≥1，n个测速磁钢3沿周向固定在电机内部的转子1上，测速磁钢3的数量可以根据电机的空间进行设置，本实施例中测速磁钢3的数量n的取值为6，6个测速磁钢3沿周向均匀设置在电机内部的转子1上；电路板4通过螺钉固定在电机内部的定子2绕组上，且电路板4上集成有测量电路。
如图2所示，所述测量电路包括霍尔传感器Hall、测温电路和输出信号端口S，所述霍尔传感器Hall的内部集成三极管Q1，且霍尔传感器Hall的内部霍尔连接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地GND，所述三极管的集电极连接至输出信号端口S，所述测温电路的输出端连接至输出信号端口S；作为优选，三极管Q1为NPN三极管。测温电路包括上拉电阻R1以及热敏电阻RT，所述上拉电阻R1和热敏电阻RT串联后并联在电源B+和地GND之间，且上拉电阻R1和热敏电阻RT的公共端作为测温电路的输出端连接至输出信号端口S，所述输出信号端口S与控制器MCU连接，控制器MCU采集输出信号端口S输出的模拟电压。为了防止转速突变，测量电路还包括电容C1和C2，所述电容C1并联在电源B+和地GND之间；所述电容C2一端连接输出信号端口S，另一端接地GND。
当测速磁钢3经过霍尔传感器Hall时，霍尔传感器Hall内部三极管Q1基极为高电平，三极管Q1导通，输出信号端口S接地GND，输出（0V）低电平，当测速磁钢3经过霍尔传感器Hall后，即无测速磁钢3经过霍尔传感器Hall时，霍尔传感器Hall内部三极管Q1基极为低电平，三极管Q1未导通，此时，输出信号端口S输出测温电路输出端的电平。即输出信号端口S的电压为热敏电阻RT和上拉电阻R1的分压，即可反映电机温度。
输出信号端口S的波形如图3所示，输出信号端口S输出低电平时，记为状态A，输出信号端口S输出非低电平时，记为状态B，电平发生变化的时刻分别记为时刻
Figure 320922DEST_PATH_IMAGE001
、时刻
Figure 637634DEST_PATH_IMAGE002
、时刻
Figure 31706DEST_PATH_IMAGE003
，当电平发生第一次变化时，开始计时，即时刻
Figure 990435DEST_PATH_IMAGE001
开始计时，当电平状态变化三次，也就是时刻
Figure 504461DEST_PATH_IMAGE003
时停止计时。时刻
Figure 257654DEST_PATH_IMAGE001
到时刻
Figure 139022DEST_PATH_IMAGE003
之间的时间为一个磁钢周期t，电机测速磁钢3为n时，电机转动一个磁钢周期t也就时电机转动了1/n圈，因此，根据公式T=nt，单位，ms，可以计算出电机转一圈所用的时间T，然后根据转速公式RPM=60000/T，单位，r/min，可以计算出电机的转速。时刻
Figure 635863DEST_PATH_IMAGE001
到时刻
Figure 83024DEST_PATH_IMAGE002
之间的时间即为状态A持续时间ta，时刻
Figure 993736DEST_PATH_IMAGE002
到时刻
Figure 362401DEST_PATH_IMAGE003
之间的时间即为状态B持续时间tb，可见，磁钢周期t=状态A持续时间ta+状态B持续时间tb。
根据上述分析，本发明的一种基于模拟量获取电机转速和温度的方法，包括上述的获取电机转速和温度的装置，还包括以下步骤：
S1：控制器MCU采集输出信号端口S的电压，并判断该电压是否为低电平，若为低电平，则记为状态A，若不为低电平，则记为状态B；电机在转动过程中，输出信号端口S的输出在状态A和状态B之间变化；状态A到状态B、状态B到状态，均为一次变化；本实施例中由于三极管Q1导通后输出信号端口S直接接地GND，因此，本实施例中的低电平为0V。
S2：确定状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb，当状态A持续时间ta或状态B持续时间tb超过状态时间阈值tp，也就是输出信号端口S的输出状态长时间未发生变化，则判定电机未运行或超低转速运行；当状态A持续时间ta或状态B持续时间tb未超过状态时间阈值tp，则判断电机正常运行，设置状态时间阈值tp就是为了判断电机是否正常工作，作为优选，状态时间阈值tp一般设置在2s以上；当电机正常运行时，根据状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb确定磁钢周期t，然后再根据磁钢周期t和测速磁钢3数n计算电机转1圈的时间T，则T=nt；然后根据电机的转速公式计算出电机的转速；本实施例中根据状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb确定磁钢周期t具体包括以下步骤：当输出信号端口S的输出状态变化时，开始计时，当状态连续变化三次时，停止计时，状态连续变化三次的时间即为磁钢周期t，并且t=ta+tb。由于热敏电阻在不同温度下阻值不同的特性，可以通过热敏电阻的分压来反映此时的电机温度。因此，在进行转速测量的同时，控制器MCU采集状态B时输出信号端口S的电压值，并根据电压值和热敏电阻RT的温度特性，通过查表法计算出电机的温度。
由于三次变化为一个磁钢周期t，因此，为了简化计算，输出信号端口S的状态每连续变化三次，也就是一个脉冲周期，计算一次转速，并且把计时清零。这样计数器记录的输出信号端口S三次变化的计时时间即为磁钢周期t。
由此可见，本发明仅需要使用一根信号线，基于模拟量的方式可以同时获取电机转速和电机温度两个参数，采用上述方法，使得电机出线方式标准化，不需要额外增加信号线，完美匹配现有产品系统，明显降低物料成本和标准化成本。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于模拟量获取电机转速和温度的装置，所述电机包括定子和转子，所述转子和定子同轴设置，且转子能够相对定子转动，其特征在于：所述获取电机转速和温度的装置包括测速磁钢和测量电路，所述测速磁钢为n个，其中，n为自然数，且n≥1，n个测速磁钢沿周向固定在电机内部的转子上，所述测量电路包括霍尔传感器Hall、测温电路和输出信号端口S，所述霍尔传感器Hall的内部集成三极管Q1，且霍尔传感器Hall的内部霍尔连接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地GND，所述三极管的集电极连接至输出信号端口S，所述测温电路的输出端连接至输出信号端口S；
当测速磁钢经过霍尔传感器Hall时，三极管Q1导通，输出信号端口S输出低电平，当测速磁钢经过霍尔传感器Hall后，三极管Q1未导通，输出信号端口S输出测温电路输出端的电平。
2.如权利要求1所述的基于模拟量获取电机转速和温度的装置，其特征在于：所述测温电路包括上拉电阻R1以及热敏电阻RT，所述上拉电阻R1和热敏电阻RT串联后并联在电源B+和地GND之间，且上拉电阻R1和热敏电阻RT的公共端作为测温电路的输出端连接至输出信号端口S。
3.如权利要求1所述的基于模拟量获取电机转速和温度的装置，其特征在于：所述测量电路还包括电容C1和C2，所述电容C1并联在电源B+和地GND之间；所述电容C2一端连接输出信号端口S，另一端接地GND。
4.如权利要求1所述的基于模拟量获取电机转速和温度的装置，其特征在于：所述测量电路集成在电路板上，所述电路板固定在电机内部的定子上。
5.如权利要求1所述的基于模拟量获取电机转速和温度的装置，其特征在于：所述测速磁钢的个数n取值为：2≤n≤10。
6.如权利要求1所述的基于模拟量获取电机转速和温度的装置，其特征在于：所述输出信号端口S与控制器MCU连接，控制器MCU采集输出信号端口S输出的模拟电压。
7.一种基于模拟量获取电机转速和温度的方法，其特征在于：包括如权利要求1-6任一项所述的获取电机转速和温度的装置，还包括以下步骤：
S1：控制器MCU采集输出信号端口S的电压，并判断该电压是否为低电平，若为低电平，则记为状态A，若不为低电平，则记为状态B；电机在转动过程中，输出信号端口S的输出在状态A和状态B之间变化；
S2：确定状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb，并根据状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb确定磁钢周期t，然后再根据磁钢周期t和测速磁钢数n计算电机转1圈的时间T，则T=nt，单位，ms；然后根据电机的转速公式：RPM=60000/T，单位，r/min，计算出电机的转速；
同时，控制器MCU采集状态B时输出信号端口S的电压值，并根据电压值和热敏电阻的温度特性，通过查表法计算出电机的温度。
8.如权利要求7所述的基于模拟量获取电机转速和温度的方法，其特征在于：步骤S2中根据状态A的持续时间ta和状态B的持续时间tb确定磁钢周期t具体包括以下步骤：
当输出信号端口S的输出状态变化时，开始计时，当状态连续变化三次时，停止计时，状态连续变化三次的时间即为磁钢周期t，并且t=ta+tb。
9.如权利要求8所述的基于模拟量获取电机转速和温度的方法，其特征在于：步骤S2中还包括以下步骤：输出信号端口S的状态每连续变化三次，对计时器进行清零。
10.如权利要求7所述的基于模拟量获取电机转速和温度的方法，其特征在于：步骤S2中还包括判断电机运行状态的步骤：当状态A持续时间ta或状态B持续时间tb超过状态时间阈值tp，则判定电机未运行或超低转速运行；当状态A持续时间ta或状态B持续时间tb未超过状态时间阈值tp，则判断电机正常运行。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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