多通道电机转速测量方法研究

付立悦 尚晓龙

（青岛理工大学费县校区，山东 费县 273400）

多通道电机转速测量方法研究

付立悦 尚晓龙

（青岛理工大学费县校区，山东 费县 273400）

文章给出了电机转速测量的一般检测方法，并针对测速系统的实时性和测速精度间的矛盾，提出了一种可行的电机转速测量方法——多通道转速检测，并给出了系统的软、硬件设计。

霍尔元件；多通道；单片机；计数器

1 引言

转速是电动机极为重要的一个状态参数，大多数电动机调速系统都需要一个速度反馈环节，即根据所检测到的电动机转子角位移信号，计算得到电动机当前转动速度，然后和速度参考值比较，得到速度误差信号，去控制电动机的电流或转矩，从而得到较高的动、静态特性。而速度传感器测量的实际转速将影响着整个系统的调速精度和调速性能。随着科学技术的发展，电动机转速测量方法也在不断地更新和完善。电机转动速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理，根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列，测量转速和判别其转动方向。本文以8031和霍尔传感器构成的检测系统为例来分析转速测量方法，并对转速的计算方法和精度进行了分析，同时开辟了一种可行的精度更高的转速测量方法——多通道转速检测。

2 检测方法

2.1 转速的一般检测方法

在进行测速试验时，被检测的转速为小车模型的车轮转速。转速传感器由永磁体、集成霍尔电路及电平转换电路组成。在车轮端面的圆周边缘等距离地布置若干高磁能积、高矫顽力的钕铁硼永磁片，集成霍尔元件固定在距磁片端面1～2mm 处。

将小车倒置，启动电源开关，车轮开始转动，车轮转动时带动磁片转动，使磁片与霍尔元件的相对位置发生变化。当磁片靠近霍尔元件时，穿过霍尔元件的磁感应强度 B 增大，从而产生较强的霍尔电势，经差动放大器放大后，最后由输出级输出高电平。当磁片离开霍尔元件时，磁感应强度B减弱，输出级输出为低电平。这样，车轮在转动过程中，霍尔传感器输出为连续的脉冲信号，其频率与转速成正比关系。此脉冲信号经过放大处理、整形后送入8051单片机进行轮速计算等数据处理工作。

设小车车轮上固定有n个永磁体，则每采样时间t（单位：s）内霍尔元件输出的脉冲信号个数为

由上式可见，该方法测量转速时分辨率的大小由转盘上的小磁体的数目决定。要得到较高的测速精度，一是增加小磁体的数目，二是延长采样时间。增加小磁体数目，会使脉冲频率提高，从而受到传感器中光电器件最高工作频率的限制。而延长采样时间，会使系统的实时性受到很大影响。怎样既能保证足够高的测速精度，又不需要增加小磁体的数目、延长采样时间，文中提出了一种转速检测的可行方法——多通道转速检测。

2.2 多通道转速检测

多通道转速检测的基本思路是在系统内置多个计数器，但多个计数器不是同时启动，而是根据采样速率的要求，顺次启动，每个计数器仍然计满能保证测速精度的时间，但从整体来看，采样速率提高了，精度并不下降。此即为多通道转速检测原理。

3 检测系统的硬件设计

整个检测系统的硬件部分包括霍尔传感器、信号处理电路、单片机（8051）和显示电路等。通过霍尔传感器对数据进行采集，采集到的信号经过信号处理电路的放大等处理送入单片机，通过合理的转速计算方法得到转速值，并进行存储、显示等。

实现多通道计数可以采用5个硬件计数器，计数脉冲分别送入单片机，由单片机每隔 0.2s顺次计算各通道的转速值。

图2所示为基于霍尔元件的转速测量电路，霍尔元件检测的脉冲信号经 UO向外输出。

图1 基于霍尔元件的转速测量电路

图2 显示电路原理图

图1中的输出脉冲信号经过放大整形后送入8051的T0引脚，通过单片机内部的定时/计数器T0进行计数，并通过定时/计数器T1定时0.2s。由于T0和T1工作时不消耗CPU的时间，CPU可以尽管处理其它事情，大大节省了CPU 的时间。

MC14495是一种常用的硬件译码显示芯片，它将要显示数字的BCD码直接转换为LED的显示段选码，这样，不仅可以节省计算机的时间，而且相比软件译码来讲程序设计更加简单。一般旋转式机械的最高转速为几千转，故采用4个 LED数码管显示转速。

4 检测系统的软件设计

转速脉冲送入计数器T0，由定时器T1控制定时中断，每次计 0.2s 的转速脉冲，存入缓冲区，并始终保存最后 5次计数，计算最后5次计数的脉冲总数，即1 s内的脉冲总数，就是转速。这样每隔0.2s计算一次，即可连续输出转速值，采样速率是5次/s。计算完毕送LED显示。程序流程如图3所示。

图3 程序流程图

5 结束语

利用多个硬件计数器对霍尔元件的输出脉冲进行计数，即多通道转速检测，可以在不增加小磁体数目和不延长采样时间的情况下获得较高的采样速率和测速精度，是一种较为可行的提高电机转速测量精度的方法。

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[2] 于炳亮.电机转速测量方法研究[J].山东科学,2005,18(5):41-42.

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TM30

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1008-1151(2011)07-0169-02

2011-04-21

付立悦（1985—），女，山东费县人，青岛理工大学费县校区机电工程系硕士研究生，研究方向为智能信息处理；尚晓龙（1984—），男，山东费县人，青岛理工大学费县校区机电工程系硕士研究生，研究方向为软件开发。