CN202854161U

CN202854161U - 异步电动机转速测量装置

Info

Publication number: CN202854161U
Application number: CN 201220525748
Authority: CN
Inventors: 赵小丽; 高淑婷; 孙晓亮
Original assignee: 赵小丽
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2022-10-15

Abstract

本实用新型涉及一种基于转差信号检测的异步电动机转速测量装置。包括传感器，放大电路，整形电路，电源频率测量电路，单片机，所述电源频率测量电路的信号输出端连接单片机的一个数据输入端，所述传感器采用漏磁传感器，放大电路采用低通滤波器，漏磁传感器采用漏磁检测线圈检测电动机产生的漏磁信号，并输出信号到低通滤波器，低通滤波器过滤掉各种杂波、干扰信号，然后对信号进行放大后输送到整形电路，通过整形电路产生一个标准方波信号送给单片机，经计算后通过转速输出电路输出转速信号。本实用新型实现了一种非接触、高精度的电动机转速测量方案，当需要对一台电动机测量转速时，只要把盒子放置在靠近转轴的外壳上即可。安装使用方便，简单，适用范围广。

Description

异步电动机转速测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种异步电动机转速测量装置，特别是涉及一种基于转差信号检测的异步电动机转速测量装置。

背景技术

转速是电动机非常重要的一项参数，常规测量方法有频率法、周期法。频率法主要用于较高转速的测量，通过测量传感器输出信号的频率来计算电动机的转速。周期法一般用于较低转速的测量，通过测量传感器输出信号的周期来计算电动机的转速。测量信号大多由安装在电动机内部或转轴上的传感器提供，一般为脉冲信号。这些测量方法往往受到各种各样的限制，如完全封闭的电动机无法测量（如潜水泵），必须在电动机上安装传感器，传感器信号线较长会引起干扰，测量误差较大等。

发明内容

本实用新型针对现有技术不足，提出一种异步电动机转速测量装置，适用于所有异步电动机转速的测量。

本实用新型所采用的技术方案：

一种异步电动机转速测量装置，包括传感器，放大电路，整形电路，电源频率测量电路，单片机，所述电源频率测量电路的信号输出端连接单片机的一个数据输入端，所述传感器采用漏磁传感器，放大电路采用低通滤波器，漏磁传感器采用漏磁检测线圈检测电动机产生的漏磁信号，并输出信号到低通滤波器，低通滤波器过滤掉各种杂波、干扰信号，然后对信号进行放大后输送到整形电路，通过整形电路产生一个标准方波信号送给单片机，经计算后输出转速信号。

所述的异步电动机转速测量装置，低通滤波器由三个单元组成，每个单元使用一个运算放大器，第一级和第三级均采用Bessel结构的标准低通滤波单元，每个单元都是2阶滤波，低通滤波器的第二级采用双T带阻电路。

所述的异步电动机转速测量装置，整形电路由一个运算放大器和一个斯密特反相器组成；运算放大器提供一定的电压增益，达到反相器的输入要求；斯密特反相器对信号进行整形，消除干扰噪声，输出方波信号。

所述的异步电动机转速测量装置，单片机选用Microchip公司的PIC12F683，该芯片只有8个管脚，2个管脚连接+5V电源和地，2个管脚连接振荡器，1个管脚输入漏磁传感器检测到的转差信号，1个管脚输入交流电源信号，1个管脚输出计算出的转速值，1个管脚接LED，显示转差信号的状态；输出转速的管脚直接驱动一个光耦，实现输出的隔离。

所述的异步电动机转速测量装置，电源频率测量电路使用一个100K～10M欧姆的电阻作为电源频率取样电路，所述电阻的一端与9V交流电源直接相连，另一端与单片机的管脚直接相连。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型异步电动机转速测量装置，实现了一种非接触、高精度、基于转差信号的电动机转速测量方案，在线路板上内置传感器，所有元件封装在一个很小的盒子里，只有4根线与外部连接：2条线用于连接电源，另外2条线输出信号。当需要对一台电动机测量转速时，只要把盒子放置在靠近转轴的外壳上即可。安装使用方便，简单。

2、本实用新型异步电动机转速测量装置，体积小，精度高，使用方便，适用范围广。不仅适用于50Hz交流电动机的转速测量，60Hz或者电源频率不稳时也完全适用。转速测量精度达到0.1%, 能满足绝大部分应用的需求。

附图说明

图1：本实用新型异步电动机转速测量装置电原理图；

图2：本实用新型异步电动机转速测量装置的低通滤波器原理图。

具体实施方式

实施例一：参见图1，本实用新型异步电动机转速测量装置，包括传感器，放大电路，整形电路，电源频率测量电路，单片机，所述电源频率测量电路的信号输出端连接单片机的一个数据输入端，所述传感器采用漏磁传感器，放大电路采用低通滤波器，漏磁传感器采用漏磁检测线圈检测电动机产生的漏磁信号，并输出信号到低通滤波器，低通滤波器过滤掉各种杂波、干扰信号，然后对信号进行放大后输送到整形电路，通过整形电路产生一个标准方波信号送给单片机，经计算后输出转速信号。

本实用新型异步电动机转速测量装置，可以把传感器、滤波器、单片机等所有元件都封装在一个很小的防水盒中，组成一个完整的测量模块。该模块只有4个引脚，其中2个引脚输入9V交流电源，另外2个引脚输出转速值，输出管脚与输入管脚是完全隔离的，隔离耐压可以达到3000V，如图1所示。

本实用新型异步电动机转速测量装置的转速测量原理是：

异步电动机由定子和转子组成，假设定子的旋转磁场以转速n0旋转，转子以转速n1旋转，则二者的转差为n=n0-n1。

如果能直接测量转速n1，就可以直接获得转子的转速，常规的测量方法就是直接测量电动机转轴的n1。但很多电动机无法直接测量其转速，因此只能把精力转移到测量转差n上。

我们可以认为转差信号是定子绕组的旋转磁场以n0-n1的转速切割转子绕组，则转子绕组感应的电动势频率为：f = f0 - f1

上式中，f0：定子旋转磁场的频率，f1：转子的旋转频率

如果能测出f，则转子的转速n1 =（f0-f）* 60 。

为了更具通用性, 本实用新型通过检测电动机转子漏磁的方法来测量f：在电动机外部放置一个漏磁传感器，检测电动机产生的漏磁，然后经过滤波、放大、整形，测出转差频率f。同时，对电源频率进行高精度测量求出f0，最后计算出转子转速n1。

漏磁传感器是一个匝数很多的线圈，线圈中安装一个高导磁率的磁芯。这两种措施的目的是为了更灵敏地检测微弱的漏磁信号。漏磁传感器通常安装于电动机的轴端一侧，以捡拾尽量多的转子泄露的磁场。由于电动机外围的漏磁和干扰较多，漏磁传感器输出的信号包含非常多的噪声，因此，必须对漏磁传感器的输出信号进行适当的滤波和放大。

漏磁传感器除了能检测转子的漏磁，还能检测到定子的漏磁。滤波电路必须滤掉定子的漏磁信号，放大转子的漏磁信号。

定子的漏磁信号频率等于电源的频率，如果使用50Hz的电源，则定子的漏磁信号频率也是50Hz。转子的漏磁信号频率一般为0～20Hz。为了过滤掉定子的漏磁信号，只要设计一个20Hz的低通滤波器即可。

实施例二：参见图1、图2，本实施例的异步电动机转速测量装置，与实施例一不同的是：低通滤波器由三个单元组成，每个单元使用一个运算放大器，第一级和第三级均采用Bessel结构的标准低通滤波单元，每个单元都是2阶滤波，低通滤波器的第二级采用双T带阻电路。运算放大器除了滤波以外，还兼有放大的作用。如图2所示，低通滤波器的第一级和第三级都是标准低通滤波单元，采用Bessel结构，每个单元都是2阶滤波。第一级的截止频率设为22Hz，第三级的截止频率设为20Hz。低通滤波器的第二级采用双T带阻电路，这样搭配可以有效提高Q值，使得截止频率附近的衰减非常快。该电路的中心频率设为25Hz，阻带为21Hz～29Hz。整个滤波电路的截止频率为20Hz，增益约为70db。

为了准确测量电动机的转速，测量模块必须由高精度的信号检测电路做基础，也就是说，漏磁检测线圈必须能检测到非常微弱的漏磁信号，后面配合一个性能良好的低通滤波电路，把各种杂波、干扰尽可能地滤掉。然后进行放大、整形，产生一个标准方波信号送给单片机。

高精度的信号检测电路只能保证模块的输入精度，要保证输出精度，还必须由一个高精度的电源频率检测电路和高精度的单片机测量程序、计算程序和输出程序。在我们的设计中，单片机的计时精度为200ns，计算精度为0.01%，输出时间精度为800ns。

值得一提的是，为了降低模块成本，单片机的外围电路很少，输入信号由整形电路直接送给单片机，单片机的输出信号直接驱动光电耦合器。复杂的、高精度的检测和计算都由单片机完成。为了做到这一点，我们设计了一个中断服务程序，用来检测转差信号、检测电源信号和输出信号，并用汇编程序实现。计算任务很简单，用C语言实现。

为了准确测量转差信号的频率，必须对滤波器输出的信号进行适当的整形。整形电路由一个运算放大器和一个斯密特反相器组成。运算放大器提供一定的电压增益，达到反相器的输入要求。斯密特反相器对信号进行整形，消除干扰噪声，输出适当的方波信号。之所以使用斯密特反相器，是因为运算放大器或比较器会在临界点产生很多毛刺，这些毛刺会严重影响单片机的软件运行。

实施例三：参见图1、图2。本实施例的异步电动机转速测量装置，单片机选用Microchip公司的PIC12F683，该芯片只有8个管脚。管脚的分配是这样的：2个管脚连接+5V电源和地，2个管脚连接振荡器，1个管脚输入漏磁传感器检测到的转差信号，1个管脚输入交流电源信号，1个管脚输出计算出的转速值，1个管脚接LED，显示转差信号的状态。

转速输出电路采用光电隔离，由单片机输出转速的管脚直接驱动一个光耦，实现输入输出的隔离。从用户角度看，该模块的输出管脚是OC输出，增加少量元件也可以实现TTL电平、CMOS电平、电流环、RS232电平，I²C等。输出的数据格式有多种选择，如RS232数据格式，频率信号等。

如果假定电源频率为50Hz，可以简化测量装置的成本，但不具有通用性。因为有些地区的电源频率不稳定，况且有些国家使用60Hz电源。为了提高通用性，该测速装置使用了一个高阻值的电阻作为电源频率取样电路。使用一个100K～10M欧姆的电阻作为电源频率取样电路，所述电阻的一端与9V的交流电源直接相连，另一端与单片机的管脚直接相连。因为单片机的管脚内部有上下拉二极管，所以不会影响单片机的运行，更不会损坏单片机。

对单片机来说，50Hz的电源频率实在是太低了，为了提高测量精度，单片机检测的是电源信号的周期，并取最后32个周期的平均值作为电源的频率。

本实用新型异步电动机转速测量装置，单片机软件由以下几部分组成：转速信号周期测量程序，电源周期测量程序，转速输出程序，浮点运算程序。其中前面3部分都由中断驱动完成，因为浮点运算要消耗太多时间，只能放在主程序中实现。为了使整个系统的测量精度达到0.1%，单片机使用20MHz晶振，一条指令只消耗200ns，测量程序的计时单位也是200ns。中断服务程序必须尽量短，能放到主程序的功能一定要放到主程序实现。如果可以的话，要尽量使用汇编语言写中断服务程序。

为了避免数字乱跳现象，对所有测量的周期数值和最后计算出的转速都进行了平滑处理，这样输出的转速既达到了0.1%的精度也非常稳定。

为了提高测量的精度，单片机内部有一个高精度定时器T0，计时单位为200ns（每200ns计时器加1），计时长度为4字节。该计时器作为测量转差信号周期和电源周期的基准。

中断服务程序的执行顺序如下：

a：如果定时器T0中断，计时器加1；

b：如果电源信号中断，且电源信号边沿计数器等于0或7，把计时器的值存入Tac；（一次测量4个电源周期，将提高测量精度）

c：如果转差信号中断，且转差信号边沿计数器等于0或2，把计时器的值存入Ts；

d：点亮或熄灭LED；

e：转速输出控制

f：1ms定时器中断服务

从这里可以看出，中断服务程序只做了很少但非常关键的工作，其他所有工作都由主程序完成。这样处理的目的主要是为了提高电源周期和转差信号周期的测量精度。

主程序的执行顺序如下：

a：初始化；

b：清除看门狗；

c：如果Tac被存入，把该电源周期存入数组X（该数组保存10个数据）；

d：去掉数组X中的最大值和最小值，然后求平均数Ta；

e：如果Ts被存入，把该转差信号周期存入数组Y（该数组保存4个数据）；

f：求Y数组的平均值Tb；

g：如果Ta和Tb都有效，计算转速n=60/Ta-60/Tb；

h：如果n有效，计算输出参数。

Claims

1.一种异步电动机转速测量装置，包括传感器，放大电路，整形电路，电源频率测量电路，单片机，所述电源频率测量电路的信号输出端连接单片机的一个数据输入端，其特征是：所述传感器采用漏磁传感器，放大电路采用低通滤波器，漏磁传感器采用漏磁检测线圈检测电动机产生的漏磁信号，并输出信号到低通滤波器，低通滤波器过滤掉各种杂波、干扰信号，然后对信号进行放大后输送到整形电路，通过整形电路产生一个标准方波信号送给单片机，单片机经计算后输出转速信号。

2.根据权利要求1所述的异步电动机转速测量装置，其特征是：低通滤波器由三个单元组成，每个单元使用一个运算放大器，第一级和第三级均采用Bessel结构的标准低通滤波单元，每个单元都是2阶滤波，低通滤波器的第二级采用双T带阻电路。

3.根据权利要求1或2所述的异步电动机转速测量装置，其特征是：整形电路由一个运算放大器和一个斯密特反相器组成；运算放大器提供一定的电压增益，达到反相器的输入要求；斯密特反相器对信号进行整形，消除干扰噪声，输出方波信号。

4.根据权利要求3所述的异步电动机转速测量装置，其特征是：单片机选用Microchip公司的PIC12F683，该芯片有8个管脚，其中2个管脚连接+5V电源和地，2个管脚连接振荡器，1个管脚输入漏磁传感器检测到的转差信号，1个管脚输入交流电源信号，1个管脚输出计算出的转速值，1个管脚接LED，显示转差信号的状态；输出转速的管脚直接驱动一个光耦，实现输出的隔离。

5.根据权利要求4所述的异步电动机转速测量装置，其特征是：电源频率测量电路使用一个100K～10M欧姆的电阻作为电源频率取样电路，所述电阻的一端与9V交流电源直接相连，另一端与单片机的管脚直接相连。