摘要: 基于單片機的直流電機測速裝置采用了對直流電機的中樞供電回路串聯(lián)取樣電阻的方式實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確實時測量。系統(tǒng)由濾波電路、信號放大電路、單片機控制電路以及穩(wěn)壓電源等功能模塊電路構(gòu)成。工作過程中高頻磁環(huán)作為載體，利用電磁感應(yīng)的基本原理對直流電機轉(zhuǎn)動時所產(chǎn)生的磁漏進行檢測，最后通過調(diào)理電路對電信號進行檢測，最終由單片機進行處理，實現(xiàn)對直流電機轉(zhuǎn)速的精確測量。結(jié)論表明，該系統(tǒng)測速穩(wěn)定、精確，具有重要的理論意義與實踐應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞: 直流電機; 單片機; 測速; 裝置; 裝置

1 設(shè)計方案選擇

1． 1 測速方案

對于電機的測速主要有以下兩個方案，第一個就是采用一個固定的圓盤與電機實現(xiàn)機械連接，圓盤按照測速的精度均勻設(shè)置有多個通光槽，在圓盤的前后位置分別設(shè)置發(fā)光原件與受光原件，通過光電轉(zhuǎn)換裝置，可以一定周期時間的脈沖數(shù)目進行轉(zhuǎn)速的測量; 第二個方案就是通過電機高速運行時，通過電機中樞與內(nèi)部電刷接觸產(chǎn)生的磁漏進行測量，通過電磁感應(yīng)可以實現(xiàn)電磁信號的轉(zhuǎn)換，通過信號調(diào)理電路送給單片機進行脈沖檢測，最終實現(xiàn)測速。因為電磁感應(yīng)的測速受外界干擾較小，同時具有較高的靈敏度，在測速方面具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，所以采取了第二種測速方案。

1． 2 電機調(diào)速方案

電機的調(diào)速方案可以采用PWM 實現(xiàn)，同時也可以采用電壓反饋控制的方式進行。采用PWM 方案需要在設(shè)計中采用專用的PWM 芯片以及驅(qū)動電路，這樣的方式會增加測速電路的復(fù)雜度，同時也會增加設(shè)計成本，第二種方案采用LM2596 放大器的反饋輸出對電流電機的電壓進行控制從而實現(xiàn)對電機進行調(diào)速，本方案簡單可行，可靠性強，設(shè)計中選用方案二。在系統(tǒng)選擇方案的過程中，要從系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)的成本進行綜合考慮。PWM 是目前廣泛采用的一種方式，具有測量精度高、測速較快等方面的顯著優(yōu)勢，但是在高速測速領(lǐng)域PWM 的誤差會引起整體測速的系統(tǒng)誤差，因此在本系統(tǒng)中選擇了電壓測量的方案，電壓測量方案的線性度較為良好，能夠有效解決高速測速領(lǐng)域測量精度等方面的問題。同時采用的放大器能夠?qū)⑿盘柗糯?#xff0c;有效提升測量的精確度。

2 系統(tǒng)設(shè)計與工作原理分析

2． 1 總體設(shè)計方案

基于單片機的直流電機測速系統(tǒng)主要包含單片機控制模塊、電源模塊、顯示單元、測速模塊以及信號調(diào)理模塊等。信號調(diào)理模塊主要是對測量的電磁信號進行濾波放大等處理，保證單片機能夠?qū)崿F(xiàn)有效檢測?；趩纹瑱C的電機測速系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

2． 2 工作原理分析

1) 信號處理電路。信號處理電路又稱為調(diào)理電路，主要是對取樣電阻上的電壓信號進行處理，以滿足單片機的輸入要求。信號處理電路主要有濾波電路以及放大電路，濾波電路采用了巴特沃斯二階低通濾波器對電壓信號高頻雜波進行濾除，同時采用基于運放的LM324 對信號實現(xiàn)放大。信號調(diào)理電路屬于電路中中間環(huán)節(jié)，同時也對電路的工作效果起到了重要的作用。

2) 電源電路。由于本電路對于電源的穩(wěn)定性要求較高，所以系統(tǒng)采用了DC － DC 穩(wěn)壓芯片進行電源供給，保證電路能夠在精確穩(wěn)定的電源支持下穩(wěn)定工作。與傳統(tǒng)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源相比，DC － DC 穩(wěn)壓單元電路輸出紋波系數(shù)小，THD 符合系統(tǒng)的工作要求。
3) 電機調(diào)速模塊。在電路中通過取樣電阻以及LM2596反饋電壓進行電機電壓的調(diào)整，最終可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的精確有效調(diào)整，LM2596 反饋引腳的輸出電壓為1． 25 V，因此可以通過電位器實現(xiàn)對輸出電壓的改變。
4) 單片機測量與顯示電路。單片機是整個系統(tǒng)的微控制單元，能夠?qū)φ{(diào)理電路的信號進行處理以及計算，最后通過液晶顯示，顯示電路的工作效果。系統(tǒng)中采用了STC12C5A60S2單片機能夠適應(yīng)高頻信號的輸入要求，本系統(tǒng)處理效率高，同時能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作場所。在顯示中本系統(tǒng)采用了LCD12864 模塊對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行實時顯示。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3． 1 調(diào)試要求

由于電磁感應(yīng)出的電信號具有復(fù)雜的高頻干擾成分，所以在設(shè)計中低通濾波器的性能就顯得尤為重要，低通濾波器采用選頻特性良好的巴特沃斯低通濾波器，通過對電容電阻值的選擇進行上限與下限截止頻率的選擇。對于放大電路要采用兩級放大的方案，保證能夠?qū)ξ⑷跣盘枌崿F(xiàn)有效放大，同時也不能因為放大倍數(shù)過大，尤其是前級放大器的放大倍數(shù)要控制在3 倍以內(nèi)，高頻感應(yīng)線圈的穩(wěn)定度要通過示波器多次觀察進行選擇確定。在調(diào)試過程中要求測速電路的測試精確度能夠達到0． 5%，在控制系統(tǒng)中要選擇高速單片機，系統(tǒng)中的單片機選型為STC12C5A60S2，通過高速脈沖讀取實現(xiàn)對高頻脈沖信號的實時測量。

3． 2 調(diào)試結(jié)果

首先使用專業(yè)的測速表( 計量專業(yè)部門提供) 對電機的轉(zhuǎn)速進行測量，電機轉(zhuǎn)速由600 轉(zhuǎn)/min 逐漸提升為6 400 轉(zhuǎn)/min，對其中的幾個典型轉(zhuǎn)速進行測量，并實現(xiàn)本測量方案與專業(yè)測速的對比，通過誤差分析對本系統(tǒng)的性能進行分析。測試結(jié)果如表1 所示。

本系統(tǒng)之所以產(chǎn)生誤差主要有以下幾個方面的原因，首先就是取樣電阻對于電機的運行產(chǎn)生了一定的影響。取樣電阻的值過大對對電機的轉(zhuǎn)速具有影響，電機會出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過低或者抖動等情況，但是電阻值過小則會引起采樣電壓較低，難以實現(xiàn)有效測量; 其次就是電磁轉(zhuǎn)換的精度也對測量效果具有顯著影響，線圈的匝數(shù)以及線圈的線徑等都會對測量精度產(chǎn)生不利的影響; 最后就是信號處理電路中的噪聲也會對測量產(chǎn)生影響。

4 結(jié)語

基于單片機的直流電機測試系統(tǒng)基于高速單片機進行設(shè)計，采用了對漏磁進行檢測的方案對直流電機的轉(zhuǎn)速進行測試。從測試結(jié)果分析，基于單片機的直流電機測速系統(tǒng)具有良好的工作性能，能夠滿足正常情況下對于電機進行測速的應(yīng)用領(lǐng)域。系統(tǒng)測試精確度高，誤差較小，同時產(chǎn)品的性價比較高，具有一定的工程推廣價值。