CN211043427U - 直流电机转速检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于直流电机技术领域，尤其涉及一种直流电机转速检测装置，应用于无刷直流水泵，包括电流采样电路、放大器电路、滤波转换电路和主控芯片。本实用新型通过设置所述电流采样电路来采集所述无刷直流水泵的母线电流并将所述母线电流转换为第一电压信号，再通过所述放大器电路将所述第一电压信号放大并输出第一放大信号，进而通过所述滤波转换电路将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号，最后通过所述主控芯片根据所述方波信号得到无刷直流水泵的转速，从而实现对所述无刷直流水泵的测速，无需安装霍尔传感器，降低安装及生产成本，避免了外界干扰，从而保证了测量的准确性以及测量结果的稳定性。
Description
技术领域
本实用新型属于直流电机技术领域，尤其涉及一种直流电机转速检测装置。
背景技术
直流电机包括无刷直流电机和有刷直流电机。其中，无刷直流电机因其具有效率高、噪音低、寿命长、装配结构简单等特点，越来越多的应用到各个行业。
直流电机在使用过程中，需要对其转速进行检测。传统的测速多采用霍尔传感器，利用霍尔传感器感应转子磁场，再换算成电机转速。但是，这种方式需要在电机上增加霍尔传感器，机械结构上也需要预留霍尔的安装位置，增加了装配难度，提高了安装成本。此外，由于需要感应转子磁场，导致霍尔传感器的测速的准确性极易受到影响，且需要特定的安装位置才能够保证转速测量的稳定性和准确性。如此，导致转速测量不准确，给使用带来了极大麻烦，降低了工作效率。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种直流电机转速检测装置，旨在解决现有技术中利用霍尔传感器测速时易受外界干扰、测量成本高，以及因此导致的测量不准确以和测量结果不稳定的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型实施例提供一种直流电机转速检测装置，应用于无刷直流水泵，包括
电流采样电路，所述电流采样电路与所述无刷直流水泵的电源和电机连接，用于采集所述无刷直流水泵的母线电流并将所述母线电流转换为第一电压信号；
放大器电路，所述放大器电路与所述电流采样电路连接，用于将所述第一电压信号放大并输出第一放大信号；
滤波转换电路，所述滤波转换电路与所述放大器电路连接，用于将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号；
主控芯片,所述主控芯片与所述滤波转换电路连接，用于根据所述方波信号得到无刷直流水泵的转速。
可选地，所述电流采样电路包括电流采样电阻，所述电流采样电阻的一端与所述无刷直流水泵的电机的电源负极线连接，所述电流采样电阻的另一端与所述无刷直流水泵的电源的负极供电端连接。
可选地，所述放大器电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端与所述电流采样电阻的一端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与所述电流采样电阻的另一端连接。
可选地，所述第一运算放大器的同相输入端与所述电流采样电阻之间还连接一第八限流电阻，所述第一运算放大器的反相输入端与所述电流采样电阻的另一端还连接一第七限流电阻。
可选地，所述滤波转换电路包括滤波电路和比较器转换电路，所述滤波电路与所述放大器电路连接，所述比较器转换电路与所述滤波电路连接，所述比较器转换电路还与所述主控芯片连接。
可选地，所述滤波电路包括第一滤波电路和第二滤波电路，所述第一滤波电路和所述第二滤波电路均与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一滤波电路和所述第二滤波电路还均与所述比较器转换电路连接。
可选地，所述第一滤波电路包括第二电阻和第二电容,所述第二电阻与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二电容与所述第二电阻连接。
可选地，所述第二滤波电路包括第三电阻和第四电容,所述第三电阻与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第四电容与所述第三电阻连接。
可选地，所述比较器转换电路包括第二运算放大器、第一电容和第一电阻；所述第二运算放大器的同相输入端与所述第四电容连接，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二电容连接。所述第二运算放大器的反相输入端与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第一电阻连接，所述第一电阻还与所述第二运算放大器的输出端连接。
可选地，所述第七限流电阻和所述第八限流电阻之间还并联一第五滤波电容。
本实用新型实施例提供的直流电机转速检测装置中的上述一个或多个技术方案至少具有如下技术效果之一：本实用新型通过设置所述电流采样电路来采集所述无刷直流水泵的母线电流并将所述母线电流转换为第一电压信号，再通过所述放大器电路将所述第一电压信号放大并输出第一放大信号，进而通过所述滤波转换电路将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号，最后通过所述主控芯片根据所述方波信号得到无刷直流水泵的转速，从而实现对所述无刷直流水泵的测速，无需安装霍尔传感器，降低安装及生产成本，避免了外界干扰，从而保证了测量的准确性以及测量结果的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型另一实施例提供的直流电机转速检测装置的结构框图；
图2为本实用新型实施例提供的直流电机转速检测装置的滤波转换电路的电路框图；
图3为本实用新型另一实施例提供的直流电机转速检测装置的电路原理图；
图4为本实用新型实施例提供的所述第一放大信号、第一滤波信号、第二滤波信号和所述方波信号的转换简化示意图；
图5为本实用新型实施例提供的直流电机转速检测方法的流程图；
图6为本实用新型实施例提供的直流电机转速检测方法中的步骤S1003的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述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，旨在用于解释本实用新型的实施例，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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实用新型实施例和简化描述，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实用新型的限制。
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。在本实用新型实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型实施例中，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实用新型实施例中的具体含义。
在本实用新型的一个实施例中，如图1-图2所示，提供一种所述直流电机转速检测装置100，应用于无刷直流水泵，所述直流电机转速检测装置100包括电流采样电路111、放大器电路121、滤波转换电路131和主控芯片141。
本实用新型通过设置所述电流采样电路111来采集所述无刷直流水泵的母线电流并将所述母线电流转换为第一电压信号，再通过所述放大器电路121将所述第一电压信号放大并输出第一放大信号，进而通过所述滤波转换电路131 将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号，最后通过所述主控芯片 141根据所述方波信号得到无刷直流水泵的转速，从而实现对所述无刷直流水泵的测速，无需安装霍尔传感器，降低安装及生产成本，避免了外界干扰，从而保证了测量的准确性以及测量结果的稳定性。
进一步地，无刷直流水泵工作时，母线电流波形会发生周期性变化，无刷直流水泵的换相频率也随之发生变化，母线电流的周期变化频率与无刷直流水泵的换相频率呈固定比例关系。而无刷直流水泵的换相频率又与无刷直流水泵的转速呈固定比例关系，故本实用新型即利用此原理通过获取母线电流，并对母线电流做进一步处理，从而获得直流无刷电机的转速，较之现有技术采用霍尔传感器测量转速，本实用新型所述直流电机转速检测方法在应用于无刷直流水泵时，节省了霍尔传感器的安装结构，降低了水泵结构的复杂程度，通用性更强，极大的提高了测量的准确性和稳定性。
其中，所述电流采样电路111，用于无刷直流水泵的母线电流，并将所述母线电流转化为第一电压信号。
具体地，所述电流采样电路111包括电流采样电阻R9。所述直流无刷水泵包括其电机，该电机为无刷直流电机。并且，所述无刷直流水泵由一电源为其电机供电，所述电源的正极供电端与无刷直流电机的电源正极线连接，所述无刷直流电机的电源负极线与所述电流采样电阻R9的一端S+连接，所述电流采样电阻R9的另一端S-与所述电源的负极供电端连接。
工作时，所述电源的电流依次经过所述无刷直流电机和所述电流采样电阻 R9，从而使所述电流采样电阻R9采集到所述无刷直流电机的母线电流，并由所述电流采样电阻R9将母线电流转换为所述第一电压信号。
其中，所述放大器电路121，用于将所述第一电压信号进行放大处理得到第一放大信号I。所述放大器电路121与所述电流采样电路111连接。
具体地，所述放大器电路121包括第一运算放大器U1，所述第一运算放大器U1的同相输入端与所述电流采样电阻R9的一端S+连接，所述第一运算放大器U1的反相输入端与所述电流采样电阻R9的另一端S-连接。
为了防止电流过大损坏所述第一运算放大器U1，所述第一运算放大器U1的同相输入端还与一第八限流电阻R8的一端连接，所述第八限流电阻R8的另一端还与所述电流采样电阻R9的一端S+连接，所述第一运算放大器U1的反相输入端还与一第七限流电阻R7的一端连接，所述第七限流电阻R7的另一端还与所述电流采样电阻R9的另一端S-连接。所述第八限流电阻R8和所述第七限流电阻R7之间还并联一第五电容C5，所述第五电容C5起滤波作用。
所述第一运算放大器U1的反相输入端还与一第五电阻R5连接，所述第五电阻R5的另一端与所述第一运算放大器U1的输出端连接。所述第一运算放大器U1的同相输入端还与一第六电阻R6的一端连接，所述第六电阻R6的另一端接地。
如图1-图4所示，所述第一电压信号经所述第一运算放大器U1放大后，变成所述第一放大信号I，从所述第一运算放大器U1的输出端输出至所述滤波转换电路。
其中，所述滤波转换电路131，用于将所述第一放大信号I进行滤波转换处理得到方波信号I_O。所述滤波转换电路与所述放大器电路121连接。
具体地，所述滤波转换电路131包括滤波电路1311和比较器转换电路1312。其中，所述滤波电路1311包括第一滤波电路1313和第二滤波电路1314，所述第一滤波电路1313和所述第二滤波电路1314均与所述第一运算放大器U1的输出端连接。
所述第一滤波电路1313包括第二电阻R2和第二电容C2,所述第二电阻R2 与所述第一运算放大器U1的输出端连接，所述第二电容C2与所述第二电阻R2 连接。
所述第二滤波电路1314包括第三电阻R3和第四电容C4,所述第三电阻R3 与所述第一运算放大器U1的输出端连接，所述第四电容C4与所述第三电阻R3 连接。
所述第一放大信号I同时经过所述第一滤波电路1313和所述第二滤波电路 1314滤波后，从所述第一滤波电路1313输出所述第一滤波信号I_N，从所述第二滤波电路输出所述第二滤波信号I_P。
其中，比较器转换电路1312与所述第一滤波电路1313和所述第二滤波电路1314均连接。
具体地，所述比较器转换电路1312包括第二运算放大器U2、第一电容C1 和第一电阻R1。所述第二运算放大器U2的同相输入端与所述第四电容C4连接，所述第二运算放大器U2的反相输入端与所述第二电容C2连接。所述第二运算放大器U2的反相输入端与所述第一电容C1的一端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第一电阻R1连接，所述第一电阻R1还与所述第二运算放大器U2的输出端连接。
所述第一滤波信号I_N和所述第二滤波信号I_P分别经所述第二运算放大器U2的反相输入端和同相输入端输入，并由所述第二运算放大器U2转换为所述方波信号I_O并经所述第二运算放大器U2的输出端输出至所述计算模块141。
其中，所述主控芯片141，用于根据所述方波信号I_O计算所述直流电机的转速值。具体地，所述计算模块可以采用8位单片机即可实现所需功能。如80C51 单片机。
进一步地，所述主控芯片141根据所述方波信号计算所述直流电机的转速值的计算公式为：
其中，n为直流电机的转速值；i为不同直流电机转动一圈时，母线电流的波动周期数；T为所述方波信号的周期。
具体地，本实用新型所述的直流电机转速测量方法可以适用于不同的电机。如，当对三相两对极的无刷直流水泵进行测速时，每转动一圈，母线电流的波动周期数为12次，故i取值为12，则测得的实际转速计算公式应为：
当对两相两对极的无刷直流水泵进行测速时，每转动一圈，母线电流的波动周期数为4次，故i取值为4，则测得的实际转速计算公式应为：
当然，本实用新型所述的直流电机转速测量方法不仅限于对上述三相两对极和两相两对极的无刷直流水泵进行测速，还可以对其他类型的水泵进行测速，对此本实用新型不一一列举。
在本实用新型的另一个实施例中，如图5-图6所示，还提供一种直流电机转速检测方法，包括：
S1001：获取直流电机的母线电流，并将所述母线电流转化为第一电压信号；
具体地，以无刷直流水泵为例，当需要检测无刷直流水泵的转速时，先获取无刷直流水泵的母线电流，再将所述母线电流转换为所述第一电压信号。
S1002：将所述第一电压信号进行放大处理得到第一放大信号；
本步骤中，通过将所述第一电压信号放大为第一放大信号后，以便对所述第一放大信号做进一步处理。
S1003：将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号；
本步骤中，通过将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号，便于获得所述方波信号的周期，从而便于准确计算所述无刷直流水泵的转速。
S1004：根据所述方波信号计算所述直流电机的转速值。
如此，首先获取直流电机的母线电流，并将所述母线电流转化为第一电压信号，再将所述第一电压信号进行放大处理得到第一放大信号，然后将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号，最后根据所述方波信号计算所述直流电机的转速值，从而避免了因采用霍尔传感器测量转速时易受外界干扰的问题，保证了转速测量的准确性及稳定性。
可选地，所述将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号的步骤包括：
S2001：将所述第一放大信号同时进行第一滤波处理和第二滤波处理，分别得到第一滤波信号和第二滤波信号；
经本步骤中所述第一滤波处理和所述第二滤波处理后，得到所述第一滤波信号和所述第二滤波信号，一方面对所述第一放大信号做了滤波，滤除毛刺，使信号更平滑，另一方面得到所述第一滤波信号和所述第二滤波信号，以便进一步得到方波信号。其中，所述第一滤波信号和所述第二滤波信号的周期均与所述母线电流的周期相同。
S2002：对所述第一滤波信号和所述第二滤波信号进行比较处理得到所述方波信号。
本步骤中，通过比较处理得到所述方波信号，所述方波信号的周期与所述第一滤波信号和所述第二滤波信号的周期相同。
可选地，所述第一滤波处理为：
通过预设的第一滤波电路对所述第一放大信号滤波，得到所述第一滤波信号，其中所述第一滤波电路具有预设的第一滤波系数。其中，所述第一滤波系数根据实际需求来设置，通过设置所述第一滤波电路中的各元器件的参数即可设置所述第一滤波系数。通过预先设置所述第一滤波系数，从而对所述第一放大信号进行滤波处理，以使所述第一放大信号产生相位偏移，并改变所述第一放大信号的幅值，进而得到所述第一滤波信号。所述第一滤波系数越小，所述第一放大信号的相位偏移越小，幅值改变越小。
可选地，所述第二滤波处理为：
通过预设的第二滤波电路对所述第一放大信号滤波，得到所述第二滤波信号，其中所述第二滤波电路具有预设的第二滤波系数。其中，所述第二滤波系数根据实际需求来设置，通过设置所述第二滤波电路中的各元器件的参数即可设置所述第二滤波系数。通过预先设置所述第二滤波系数，从而对所述第一放大信号进行滤波处理，以使所述第一放大信号产生相位偏移，并改变所述第一放大信号的幅值，进而得到所述第二滤波信号。
可选地，所述第一滤波系数小于所述第二滤波系数，或所述第二滤波系数小于所述第一滤波系数。具体地，当所述第一滤波系数小于所述第二滤波系数时，所述第一滤波信号的相位偏移小于所述第二滤波系数的相位偏移，所述第一滤波信号的幅值变化小于所述第二滤波系数的幅值变化。当所述第一滤波系数大于所述第二滤波系数时，所述第一滤波信号的相位偏移大于所述第二滤波系数的相位偏移，所述第一滤波信号的幅值变化大于所述第二滤波系数的幅值变化。
可选地，对所述第一滤波信号和所述第二滤波信号进行比较处理得到所述方波信号的步骤为：
通过比较器将所述第一滤波信号和所述第二滤波信号转换为所述方波信号；其中，
所述第一滤波信号经所述放大器的反相输入端输入，所述第二滤波信号经所述放大器的同相输入端输入。如此，通过所述比较器从而对所述第一滤波信号和所述第二滤波信号进行比较，以得到所述方波信号。较之所述第一滤波信号和所述第二滤波信号，根据所述方波信号，更易得到所述方波信号的周期，以便进一步算出所述无刷直流电机的转速。
或者，也可以将所述第一滤波信号经所述放大器的同相输入端输入，将所述第二滤波信号经所述放大器的反相输入端输入。
可选地，所述将所述母线电流转化为第一电压信号的步骤为：
通过电流采样电阻将所述母线电流转化为所述第一电压信号。具体地，通过采用所述电流采样电阻来将所述母线电流转化为所述第一电压信号，极大的降低了生产成本。硬件成本上，仅需要设置一个电流采样电阻即可，方便快捷，且稳定性高。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直流电机转速检测装置，应用于无刷直流水泵，其特征在于，包括
电流采样电路，所述电流采样电路与所述无刷直流水泵的电源和电机连接，用于采集所述无刷直流水泵的母线电流并将所述母线电流转换为第一电压信号；
放大器电路，所述放大器电路与所述电流采样电路连接，用于将所述第一电压信号放大并输出第一放大信号；
滤波转换电路，所述滤波转换电路与所述放大器电路连接，用于将所述第一放大信号进行滤波转换处理得到方波信号；
主控芯片,所述主控芯片与所述滤波转换电路连接，用于根据所述方波信号得到无刷直流水泵的转速。
2.根据权利要求1所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述电流采样电路包括电流采样电阻，所述电流采样电阻的一端与所述无刷直流水泵的电机的电源负极线连接，所述电流采样电阻的另一端与所述无刷直流水泵的电源的负极供电端连接。
3.根据权利要求2所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述放大器电路包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的同相输入端与所述电流采样电阻的一端连接，所述第一运算放大器的反相输入端与所述电流采样电阻的另一端连接。
4.根据权利要求3所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述第一运算放大器的同相输入端与所述电流采样电阻之间还连接一第八限流电阻，所述第一运算放大器的反相输入端与所述电流采样电阻的另一端还连接一第七限流电阻。
5.根据权利要求3或4所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述滤波转换电路包括滤波电路和比较器转换电路，所述滤波电路与所述放大器电路连接，所述比较器转换电路与所述滤波电路连接，所述比较器转换电路还与所述主控芯片连接。
6.根据权利要求5所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述滤波电路包括第一滤波电路和第二滤波电路，所述第一滤波电路和所述第二滤波电路均与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第一滤波电路和所述第二滤波电路还均与所述比较器转换电路连接。
7.根据权利要求6所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述第一滤波电路包括第二电阻和第二电容,所述第二电阻与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第二电容与所述第二电阻连接。
8.根据权利要求7所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述第二滤波电路包括第三电阻和第四电容,所述第三电阻与所述第一运算放大器的输出端连接，所述第四电容与所述第三电阻连接。
9.根据权利要求8所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述比较器转换电路包括第二运算放大器、第一电容和第一电阻；所述第二运算放大器的同相输入端与所述第四电容连接，所述第二运算放大器的反相输入端与所述第二电容连接；所述第二运算放大器的反相输入端与所述第一电容的一端连接，所述第一电容的另一端与所述第一电阻连接，所述第一电阻还与所述第二运算放大器的输出端连接。
10.根据权利要求4所述的直流电机转速检测装置，其特征在于，所述第七限流电阻和所述第八限流电阻之间还并联一第五滤波电容。
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2019
- 2019-12-19 CN CN201922301564.XU patent/CN211043427U/zh active Active
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