CN214177197U - 一种串激电机无感测速装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种串激电机无感测速装置，属于电机控制设备的领域，其包括用于串联电机为电机供电的供电回路，供电回路连接有用于检测电机电刷换相时产生的交流信号的电流检测模块；电流检测模块的输出端连接有放大模块对电流检测模块输出的交流信号进行放大；放大模块输出端连接有正交解调模块，正交解调模块用于将交流信号转换为方波脉冲信号并输出；正交解调模块电连接有处理模块，处理模块接收正交解调模块输出的方波脉冲信号并计算电机的转速；处理模块与电机之间设有转速控制模块，转速控制模块对电机转速进行控制调整。本申请具有解决利用霍尔元件测速时电机的装配问题和降低系统成本的效果。

Description

一种串激电机无感测速装置

技术领域

本申请涉及电机控制设备的领域，尤其是涉及一种串激电机无感测速装置。

背景技术

串激式电机通常被应用于家用电器中，例如作为破壁机、绞肉机、和面机、豆浆机以及打蛋器等小家电的动力源。串激式电机受其自身机械特性的影响，电机工作在轻载即搅拌的食材少、软的时候会有较高的转速，而过高的转速对设备使用效果的提升并没有太大的增益，反而会造成噪音过大，搅拌溢出等不良影响，因此串激式电机一般需要在调速控制电路的控制下工作，调速控制电路基于对电机转速的检测结果对电机转速进行调整，使得电机转速稳定在特定所需的范围值内。

目前，市面上电机转速检测的方式多采用霍尔传感器，利用霍尔传感器感应转子磁场变化，再换算成电机转速，如专利公告号为CN210297474U的中国实用新型专利所公开的一种测试效果好的食品加工机，其包括主机、加工腔、设于所述主机内的电机和控制板，设于所述加工腔内的粉碎刀，所述电机包括转子和套设于所述转子外部的定子，所述转子上设有产生变换磁场信号的磁环，所述食品加工机好包括与所述控制板电连接用于感应磁场变化信号的霍尔元件，所述霍尔元件水平平行所述磁环设置。

上述方案中食品加工机通过准确检测电机旋转的的速度从而能够通过控制板调节实现对转速的闭环控制，从而能够避免物料少时转速过快而产生的噪音问题。针对上述中的相关技术，发明人认为通过设置霍尔元件和磁环作为转速检测的元件，需要在电机预留霍尔元件的安装位置，增加了电机的装配难度，提高了安装成本。

实用新型内容

为了解决利用霍尔元件测速时电机的装配问题，本申请提供一种串激电机无感测速装置。

本申请提供的一种串激电机无感测速装置采用如下的技术方案：

一种串激电机无感测速装置，包括用于串联电机为电机供电的供电回路，所述供电回路连接有用于检测电机电刷换相时产生的交流信号的电流检测模块；所述电流检测模块的输出端连接有放大模块对电流检测模块输出的交流信号进行放大；所述放大模块输出端连接有正交解调模块，所述正交解调模块用于将交流信号转换为方波脉冲信号并输出；所述正交解调模块电连接有处理模块，所述处理模块接收正交解调模块输出的方波脉冲信号并计算电机的转速；所述处理模块与电机之间设有转速控制模块，所述转速控制模块对电机转速进行控制调整。

通过采用上述技术方案，电机在工作时，电机的电刷需要不停地换相，电机电刷每次换相过程中都会产生波峰或波谷，利用电流检测模块检测电机在换相瞬间产生的电流变化并进行记录，通过放大模块对电流检测模块输出的电流信号进行放大，正交解调模块将交流信号转换为方波脉冲信号输出，处理模块根据换相信号的变化周期、电机的电刷与换相器的数量计算出电机的转速，实现无需借助霍尔元件即可实现电机转速检测的效果。

进一步地，所述正交解调模块包括输入端连接于放大模块输出端的比较器、电连接于比较器正向输入端的第一延时电路和电连接于比较器反向输入端的第二延时电路，所述第一延时电路远离比较器的一端与放大模块输出端连接，所述第二延时电路远离比较器的一端与放大模块输出端连接，所述第一延时电路的时间常数与第二延时电路的时间常数不相等。

通过采用上述技术方案，通过在比较器的输入端和放大模块的输出端之间设置第一延时电路和第二延时电路，从而使得比较器两个输入端输入的交流信号相互存在延时和超前的关系，以此形成动态可追踪的方式对波型进行准确采样，从而高效准确的解调出交流信号并转换为方波脉冲信号输出。

进一步地，所述第一延时电路包括串联连接于放大模块输出端和地之间的第一延时电阻和第一延时电容，所述比较器的正向输入端连接于第一延时电阻和第一延时电容之间；所述第二延时电路包括串联连接于放大模块输出端和地之间的第二延时电阻和第二延时电容，所述比较器的反向输入端连接于第二延时电阻和第二延时电容之间。

通过采用上述技术方案，通过第一延时电阻和第一延时电容组成的RC延时电路和第二延时电阻和第二延时电容组成的另一组RC延时电路以实现正交解调模块的延时效果，同时电容和电阻的设置能够更方便对延时时间常数的调整。

进一步地，所述第一延时电路的时间常数大于第二延时电路的时间常数。

通过采用上述技术方案，通过设置第一延时电路和第二延时电路的时间常数比降低外界干扰造成的信号不稳定而影响第一延时电路输出的交流信号与第二延时电路输出的交流信号产生交点的情况发生。

进一步地，所述第二延时电路的时间常数大于第一延时电路的时间常数。

通过采用上述技术方案，通过设置第一延时电路和第二延时电路的时间常数比降低外界干扰造成的信号不稳定而影响第一延时电路输出的交流信号与第二延时电路输出的交流信号产生交点的情况发生。

进一步地，所述电流检测模块包括电流采样器和电连接于电流采样器上的高通滤波电路，所述高通滤波电路包括相互串联设置的第一电阻和第一电容。

通过采用上述技术方案，通过设置电流采样器对电机电流进行检测，通过高通滤波滤除电流信号中的低频成分，实现高频电流与电刷电流脉动同步，从而使得换相的交越电流信号被相对明显地分离出来。

进一步地，所述处理模块包括用于查询间隔时间是否到达的计时单元和用于接收正交解调模块输出的方波脉冲信号的转速计算单元，所述转速计算单元根据方波脉冲信号计算电机的实时转速。

通过采用上述技术方案，以计时单元的定时时间作为参考，转速计算单元计算在定时时间内接受到的方波脉冲信号的上升沿和下降沿的次数从而计算出电机的实时转速。

进一步地，所述转速控制模块包括与处理模块电连接的驱动单元、串联于供电回路和驱动单元之间的开关元件，所述开关元件采用N沟道MOS管，所述开关元件串联于供电回路和电机之间，且MOS管的栅极与驱动单元的输出端连接。

通过采用上述技术方案，通过MOS管接收驱动单元的导通信号，根据MOS管的导通情况从而实现电机转速的调整控制。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过设置电流检测模块对电机电刷换相时产生的换相信号进行检测，通过正交解调模块对交流信号进行解调，方便处理模块对电机转速的计算，从而实现无需借助霍尔元件即可实现电机转速检测的效果，同时降低系统成本；

2.通过设置第一延时电路和第二延时电路使得比较两个输入端输入的交流信号相互存在延时和超前的关系，以此形成动态可追踪的方式对波型进行准确采样，从而高效准确的解调出交流信号并转换为方波脉冲信号输出。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构框图；

图2是本申请实施例的部分结构电路图，主要显示了电流检测模块的电路结构；

图3是本申请实施例的整体结构电路图；

图4是本申请实施例的部分结构电路图，主要显示了放大模块和正交解调模块的电路结构图；

图5是现有固定电平采样分析下的波型图；

图6是本申请实施例理想状态下，正交解调模块检测到的波型图和输出的波型图；

图7是本申请实施例在实际测试过程中受干扰后产生的波型图；

图8是本申请实施例的部分测试波型图，主要显示了周期丢失状态的波形图；

图9是本申请实施例的部分流程框图；

图10是本申请实施例的部分结构电路图。

附图标记说明：1、供电回路；11、桥式整流单元；12、电容滤波单元；2、电流检测模块；21、电流采样器；22、高通滤波电路；3、放大模块；4、正交解调模块；41、第一延时电路；42、第二延时电路；5、处理模块；6、转速控制模块；61、驱动单元；62、开关单元。

具体实施方式

以下结合附图1-9对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种串激电机无感测速装置。参照图1，无感测速装置包括为电机运转进行供电的供电回路1、用于检测电机换相电流信号VCS的电流检测模块2和电连接于电流检测模块2用于电流处理的放大模块3，放大模块3的输出端连接有正交解调模块4，正交解调模块4用于将交流信号转换为方波脉冲信号，正交解调模块4连接有处理模块5，处理模块5用于接收正交解调模块4输出的方波脉冲信号并根据方波脉冲信号计算电机的转速，处理模块5与电机之间设有转速控制模块6，转速控制模块6用于接收并响应处理模块5的控制信号，对电机的转速进行调整，以保证电机转速稳定在特定所需的范围值内，不会过快而造成噪音过大等问题。

参照图1至图3，供电回路1取电于市电电网，供电回路1包括与电机并联设置的桥式整流单元11和电容滤波单元12，其中电容滤波单元12中所采用的电容可以为无极性电容也可以为电解电容（图中显示为电解电容），市电通过桥式整流单元11整流后以直流电输出，电容滤波单元12对经桥式整流单元11后输出的直流电进行滤波，经过电容滤波单元12滤波整流后的直流电对电机进行供电。电机在工作时，电机的电刷需要不停地换相，在换相瞬间电机电流会产生变化，即交流信号在电刷换相时都会出现波峰或波谷，电流检测模块2对电流的实时变化进行检测并记录，通过放大模块3对电流检测模块2输出的电流信号VCS1进行放大生成新的交流信号VCS2，正交解调模块4将放大后的电流信号VCS2并整形处理生成的以方波输出的换相电流信号，即方波脉冲信号VCS3，处理模块5据换相信号的变化周期、电机的电刷与换相器的数量计算出电机的转速。

参照图2和图3，为防止电刷经过换向器两个磁极时，电刷总是处于与换向器相邻两个磁极重叠状态，而使其产生的换相电流连续，电流检测模块2包括与电机串联设置的电流采样器21和电连接于电流采样器21上的高通滤波电路22；使得电流检测模块2既可以通过电流采样器21对电机电流进行检测，同时也可以通过高通滤波电路22滤除电流信号中的低频成分（交流基波部分），实现高频电流与电刷电流脉动同步，从而使得换相的交越电流信号被相对明显地分离出来。

参照图2和图3，本申请中，为更好的降低电机改进成本，电流采样器21采用分压电阻RF，且高通滤波电路22采用由第一电容C1和第一电阻R1串联设置而成的微分电路，其中第一电容C1为无极性电容，且第一电容C1的一端与分压电阻RF和电机之间的导线电连接，第一电容C1的另一端与第一电阻R1的一端电连接，第一电阻R1远离第一电容C1的一端接地设置；通过第一电容C1对换相电流信号进行耦合生成对应的电压信号。放大模块3的输入端电连接于第一电容C1与第一电阻R1的之间，通过放大模块3对电流检测模块2输出的换相电压信号进行放大。

参照图3和图4，放大模块3包括正向输入端连接于电流检测模块2输出端的运算放大器N1及电连接于运算放大器N1上的第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4以及第二电容C2，其中第二电阻R2串联连接于电源和运算放大器N1正向输入端之间，将输入静态电压偏置到非零的一个初始值电压上，第三电阻R3与第二电容C2串联连接于运算放大器N1反向输入端和地之间，且第二电容C2为非极性电容，第四电阻R4串联连接于运算放大器N1输出端和负极输入端之间。放大模块3为非反转放大器，通过放大模块3对电流检测模块2检测到的微弱的换相电流信号进行放大，增大换相电压信号的波形幅度，同时降低噪声对换相电压信号的干扰。

参照图4和图5，由于家用电器在使用过程中容易出现摆放不稳定以及负荷不均匀等情况，从而造成交流信号VCS2突变，本申请中采用正交解调模块4，用正交采样方式来取代固定电平采样分析的方式，以解决固定电平采样分析时比较参考电压的值是固定的，容易在交流信VCS2号突变时造成源信号相对参考电压上偏或者下偏，使得突变的交流信号VCS2在波型解调过程中容易出现丢失的问题。正交解调模块4包括输入端连接于预算放大器输出端的比较器N2、电连接于比较器N2正向输入端的第一延时电路41和电连接于比较器N2反向输入端的第二延时电路42，第一延时电路41远离比较器N2的一端与运算放大器N1的输出端串联，第二延时电路42远离比较器N2的一端与运算放大器N1的输出端串联，第一延时电路41和第二延时电路42的时间常数不同。通过第一延时电路41和第二延时电路42将输入信号分成两个相互延迟与超前的电流信号输入到比较器N2中，以此形成动态可追踪的方式对波型进行准确采样，从而高效准确的解调出交流信号VCS2并转换为方波脉冲信号VCS3输出。

参照图4、图6和图7，当放大模块3输出交流信号VCS2后，交流电信号分别经过第一延时电路41和第二延时电路42输入到比较器N2中，由于第一延时电路41和第二延时电路42的延长时间不同，使得第一延时电路41和第二延时电路42上下互为延迟与超前关系，放大模块3输出的交流电信号VCS2存在波峰波谷交替的过程中，因此第一延时电路41输出的交流信号VCS2’与第二延时电路42输出的交流信号VCS2’’在输入电流信号VCS2出现波峰波谷交替时会存在交点，例如当第一延时电路41的延时时间大于第二延时电路42的延时时间时，当输入的交流信号又波峰转变为波谷时，第二延时电路42输出的交流信号VCS2’’会优先于第一延时电路41输出的交流信号发生变化，即此时第一延时电路41输出的交流信号VCS2’还处于升高至波峰的状态中，第二延时电路42输出的交流信号VCS2’’处于波峰向波谷下降的状态中，第一延时电路41输出的交流信号VCS2’与第二延时电路42输出的交流信号VCS2’’会发生相交的情况，比较器N2在其接收到第一延时电路41输出的交流信号与第二延时电路42输出的交流信号相等时发生跳变，从而使得比较器N2输出方波脉冲信号VCS3。

参照图4、图6和图7，第一延时电路41包括第一延时电阻YR1和第一延时电容YC1，以此构成RC电路，第一延时电阻YR1的一端与第五电阻串联，第一延时电路41的另一端与比较器N2正向输入端连接，第一延时电容YC1的一端串联连接于第一延时电阻YR1和比较器N2输入端之间，第一延时电容YC1的另一端接地设置。第二延时电路42包括第二延时电阻YR2和第二延时电容YC2，以此构成另一RC电路，第二延时电阻YR2的一端串联连接于第一延时电阻YR1和第五电阻之间，第二延时电阻YR2的另一端连接于比较器N2的反向输入端，第二延时电容YC2的一端串联连接于第二延时电阻YR2和比较器N2输入端之间，第二延时电容YC2的另一端接地设置。本申请中通过设置第一延时电阻YR1和第二延时电阻YR2的阻值不同、第一延时电容YC1和第二延时电容YC2的电容量不同来使得第一延时电路41和第二延时电路42的时间常数不同；为保证第一延时电路41和第二延时电路42在输入交流信号VCS2的波峰波谷发生变化时均能出现相交点，第一延时电路41的时间常数大于第二延时电路42的时间常数，反之第二延时电路42的时间常数大于第一延时电路41的时间常数亦可，本申请中第一延时电路41的时间常数和第二延时电路42的时间常数之比为1:1.2（或1.2:1）且两者的时间常数均大于100ns。

参照图4和图9，处理模块5包括计时单元和转速计算单元，计时单元用于查询间隔时间是否达到，以保证每两次执行的间隔时间是相等的，转速计算单元用于接收正交解调模块4输出的方波脉冲信号VCS3并根据方波脉冲信号VCS3计算电机的实时转速。为防止外界干扰造成电流信号存在啊幅度不足而导致正交解调模块4输出的方波脉冲信号VCS3存在周期丢失的现象，处理模块5根据周期丢失的规律对正交解调模块4输出的电平信号进行插入补偿，以保证检测结果周期的完整性。

电机转速的计算主要包括以下步骤：

步骤S1、给电机上电，处理模块5初始化；

步骤S2、判断计时单元的定时时间是否到达；若否，则重新检测，若是，则进行下一步骤；

步骤S3、高、低电平连续累加；计时单元的定时时间内，分别累加高电平次数和低电平次数，并在每次上升沿时，对高电平次数和低电平次数进行求和，得出周期T；

步骤S4、判断脉冲是否连续；若否，则以自加的方式刷新速度变量，刷新速度变量后再进行下一步骤，若是，则直接进行下一步骤；

步骤S5、判断高、低电平时间比是否在阈值内；若是，则采用移动平均法刷新当前速度变量，若否，则采用插值法以上次的速度变量代替本次的速度变量并刷新；

步骤S6、速度PID运算set-time；

步骤S7、脉冲输出控制；根据set-time的值对脉冲进行控制，使得电机的转速进行相应调整，处理模块5,重新开始速度计算。

具体地，给电机上电后，处理模块5开始初始化，初始化内容包括MCU系统初始化、IO脚电平初始化、软件UART初始化以及PID函数初始化。初始化成功后，计时单元判断其定时时间是否到达，若否，则返回就重新检测定时间是否到达；若是，则对高、低电平次数进行累加，在计时单元的定时时间内，分别累计高电平次数和低电平次数，并在每次上升沿时对高电平和低电平次数进行求和，得出周期T。接着检测脉冲是否连续，即周期T是否无限增大，若检测到脉冲不连续，则表示存在周期丢失现象，则需要处理模块5对周期进行插入补偿，即以自加的方式刷新速度变量，再进行下一步骤；若检测到的脉冲是连续的，则直接进行下一步骤。下一步骤为判断高、低电平时间比是否在阈值内，正常情况下高低电平时间比在1.5内，即阈值为1.5，如果高低电平时间相差过大，即高、低电平时间比不在阈值内，则本次检测结果丢弃，采用插值法将上次的检测结果插入到本次检测结果中；如果高低电平时间比在阈值内，则以本次的检测结果刷新当前的速度变量。速度检测完成后，通过速度PID运算set-time，处理模块54根据set-time的值进行占空比控制，从而控制脉冲输出。

参照图10，处理模块5连接有用于电机转速调整的转速控制模块6，转速控制模块6的输入端与处理模块5的输出端电连接，用于接收处理模块5输出的控制信号。转速控制模块6包括与处理模块5电连接的驱动单元61和串联于电机供电回路1和驱动单元61之间的开关单元62，驱动单元61可以采用光耦元件也可以采用图腾柱等驱动器件，本申请中驱动单元61为包括光发射器和光接收器的光耦元件，图中显示光发射器为发光二极管LED，光接收器为光敏三极管Q，其中光发射器串联于处理模块5输出端和地之间，光接收器串联于电源和供电回路1之间，且光接收器的光感端朝向光发射器用于接收光发射器发出的光线。本申请中开关单元62为增强型N沟道MOS管，且MOS管的栅极与光接收器的输出端连通，MOS管的漏极与桥式整流单元11连接，MOS管的源极与电机连接。当处理模块5检测分析出电机转速过大时，处理模块5输出控制信号使得驱动单元61导通，此时MOS管的栅极得电处于高电平，MOS管的源极和栅极导通，电机的供电电压降低，电机的转速减慢。

本申请实施例一种串激电机无感测速装置的实施原理为：在电机的电刷和换向器的关系确定的情况下，电机旋转一周中，电刷旋转过程中换向生成的换相电流的变化次数是固定，通过获取换相电流的变化周期，从而得到电机的转速。通过电刷测量电机的转速，利用处理模块5对测量过程中的干扰信号进行处理替换，以保证电机转速的测量不受干扰信号的影响。通过处理模块5对电机转速进行分析计算，当处理模块5测得电机转速过大时，通过调整PWM的占空比，输出控制信号，使得控制单元接收对应的控制信号对电机的转速进行调整。本申请中各模块可采用分立式电器连接结构也可以采用集成式电路连接结构。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种串激电机无感测速装置，包括用于串联电机为电机供电的供电回路(1)，其特征在于：所述供电回路(1)连接有用于检测电机电刷换相时产生的交流信号的电流检测模块(2)；所述电流检测模块(2)的输出端连接有放大模块(3)对电流检测模块(2)输出的交流信号进行放大；所述放大模块(3)输出端连接有正交解调模块(4)，所述正交解调模块(4)用于将交流信号转换为方波脉冲信号并输出；所述正交解调模块(4)电连接有处理模块(5)，所述处理模块(5)接收正交解调模块(4)输出的方波脉冲信号并计算电机的转速；所述处理模块(5)与电机之间设有转速控制模块(6)，所述转速控制模块(6)对电机转速进行控制调整。

2.根据权利要求1所述的一种串激电机无感测速装置，其特征在于：所述正交解调模块(4)包括输入端连接于放大模块(3)输出端的比较器、电连接于比较器正向输入端的第一延时电路(41)和电连接于比较器反向输入端的第二延时电路(42)，所述第一延时电路(41)远离比较器的一端与放大模块(3)输出端连接，所述第二延时电路(42)远离比较器的一端与放大模块(3)输出端连接，所述第一延时电路(41)的时间常数与第二延时电路(42)的时间常数不相等。

3.根据权利要求2所述的一种串激电机无感测速装置，其特征在于：所述第一延时电路(41)包括串联连接于放大模块(3)输出端和地之间的第一延时电阻和第一延时电容，所述比较器的正向输入端连接于第一延时电阻和第一延时电容之间；所述第二延时电路(42)包括串联连接于放大模块(3)输出端和地之间的第二延时电阻和第二延时电容，所述比较器的反向输入端连接于第二延时电阻和第二延时电容之间。

4.根据权利要求2所述的一种串激电机无感测速装置，其特征在于：所述第一延时电路(41)的时间常数大于第二延时电路(42)的时间常数。

5.根据权利要求2所述的一种串激电机无感测速装置，其特征在于：所述第二延时电路(42)的时间常数大于第一延时电路(41)的时间常数。

6.根据权利要求1所述的一种串激电机无感测速装置，其特征在于：所述电流检测模块(2)包括电流采样器(21)和电连接于电流采样器(21)上的高通滤波电路(22)，所述高通滤波电路(22)包括相互串联设置的第一电阻和第一电容。

7.根据权利要求1所述的一种串激电机无感测速装置，其特征在于：所述处理模块(5)包括用于查询间隔时间是否到达的计时单元和用于接收正交解调模块(4)输出的方波脉冲信号的转速计算单元，所述转速计算单元根据方波脉冲信号计算电机的实时转速。

8.根据权利要求1所述的一种串激电机无感测速装置，其特征在于：所述转速控制模块(6)包括与处理模块(5)电连接的驱动单元(61)、串联于供电回路(1)和驱动单元(61)之间的开关元件，所述开关元件采用N沟道MOS管，所述开关元件串联于供电回路(1)和电机之间，且MOS管的栅极与驱动单元(61)的输出端连接。

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