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摘要：本设计为2017年全国大学生电子设计竞赛题目《直流电动机测速装置》本设计以 STM32F103ZET6 作为系统的主控芯片，采用串阻测速和漏磁测速方式，实现了对直流电动机转速的测量。该装置通过 INA199 芯片、LM358 运放及74LS14 触发器构成采集电路，将系统中电流信号通过多级放大。经过带通滤波器，利用施密特触发器转化成和脉冲整形电路得到方波，通过钳位电路将最大电压不超过 3.3V 输入给单片机，单片机采用测周法（T）法对方波进行周期采样，计算出电动机的转速。基于此，装置大部分功能完全符合题目要求，同时具备友好的人机交互界面。
关键词：直流电动机；测速；单片机；运算放大器
1.系统方案
1.1系统总方案
本系统由电动机、测速装置、单片机、按键模块、显示模块以及语音播报模块构成。其中显示模块由串口液晶屏构成，语音播报模块通过软件程序设计实现，与此同时，本系统采用独立按键来方便界面操作。本系统结构图如图 1 所示：
2.理论分析与计算
2.1测速方法分析
（1）串阻工作原理：直流电机工作时，电机转子经历接近磁极和远离磁极过程，电枢铁芯通过的磁通量为正弦变化，电枢稳态电流存在一个与之对应的正弦分量，通过对该正弦分量的测量处理，就可测出电机转速。
正弦分量频率与电机转速的关系为
如图 2 所示，在电动机串上一个 250mR 的检流电阻，利用差分放大器IC INA199A1 将电流采集进来并放大 50 倍。将该波形通过带通电路并有 LM358 构成的放大电路放大 100 倍，放大后的波形经过高通后，再利用施密特触发器整形给单片机，将采集的频率通过计算显示电机的转速。
（2）壳外电磁检测的分析及电路
图 3 壳外电磁检测电路
如图 3 所示，通过线圈将电机外的电枢漏磁转为电信号并差分放大芯片INA199A1 采集线圈上的信号闭放大 50 倍在通过带通电路将直流部分隔开，但由于波形不明显，所以利用 LM358 构成一个放大电路将波形放大至 100 倍再次通过带通滤波器，并利用施密特触发器将波形转为数字脉冲，将该脉冲输给单片机，将采集的频率通过计算显示电机的转速。
图 7 系统流程图
3.2程序设计
如图 7 所示本系统采用初始化成功后，通过独立键盘进行对题目的选择与测量；如需要，可通过按键选择语音播报当前的转速和显示并存储近 20 次的采集数据。
4.测试方案与测试结果
测试环境
（1）场地条件：室温（25℃）、室内测试场地
（2）测试仪器：如表 1 所示。
测试方案及结果
测试方法
（1）根据题意搭建直流电机测速实验平台。利用该平台 NKP-DC-S10Y 永磁有刷直流电机进行速度测量，将电机分为两种情况进行测速，并用频闪速度仪进行速度同步检测比对，为了增强测试结果严谨性，特多次测量并记录数据。
（2）在漏磁中除了有转子电流引起的磁通外，还有占很大部分的是电源工频信号引起的磁通，所以在检测转子电流频率过程中，必需依靠滤波器抑制电源工频信号。感应头结构简单，可利用普通铁芯线圈，线直径为 0.05mm 漆包线，线圈匝数在 1000 匝左右。铁芯线圈放置在电机轴向端便可测量并测试数据。
测试结果
（1）以电动机电枢供电回串接采样电阻的方式所测量的转速结果如表 2 所示。
以上三组数据结果均符合题目要求。
测试结果分析
通过以上三组不同情况下的转速测量，对数据和题目要求进行对比，实验测得的数据完全符合题目测量误差的要求以及采样电阻对转速的影响的要求。经过各项测试，该设计达到了题目要求的设计指标。
5.总结
经过比赛前期紧张的方案设计、方案验证，直至最终完成整个比赛，我们实现了包括串阻转速测量，电阻影响测试以及漏磁转速测量，基本上实现了题目所要求的功能，并且在某些功能上有更大突破。
参考文献：
[1]康华光.电子技术基础模拟部分.5 版 [M].高等教育出版社，2013.
[2]王松武.电子创新设计与实践 [M].国防工业出版社，2010.
[3]周泽魁.控制仪表与计算机控制装置 [M].化学工业出版社，2002.
论文作者:徐观生,陈禹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
标签：转速论文; 测量论文; 测试论文; 电路论文; 测速论文; 电枢论文; 施密特论文; 《电力设备》2018年第34期论文;