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基于STM32单片机的直流电动机在线测速

装置设计

作者：李海赵浚坚周志毅潘广川

来源：《机电信息》2020年第20期

摘要：首先對直流电动机在线测速装置总体设计方案进行了阐述，随后对系统的硬件和软

件设计要点进行了详细分析，最后通过系统指标测试结果，验证了直流电动机在线测速装置的

可靠性。

关键词：直流电动机;在线测速;传感器;单片机

引言0

目前国内外对电动机的测速方法有很多，按照不同的理论，可以将其分为拟测速法（如采

用离心式转速表或通过电机转矩或电动机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如采用机械式

或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时

计数法。传统的电动机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也有采用电磁式传

感器（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式传感器（对高频振荡现象进行幅

值调制或频率调制）等检测电动机转速。采用光电传感器的电动机转速测量系统具备测量准确

度高、采样速度快、测量范围宽以及测量精度与被测转速无关等优点，具有广阔的应用前景。

总体方1案设计

电流频率测速法通过电流取样，提取其中的直流成分，经放大送入A/D转换电路，最后

由单片机处理换算成转速。有刷电动机每转动一周，其电流将会突变N次，根据电动机的不

同情况，其中N有可能是6次或者8次，电流频率测速法正是通过测量电动机电流的突变频

率，换算成电动机转速，此测量方法属于数字测量方法，误差较小，精度较高，更加容易满足

设计要求。

本系统中根据设计方案要求，电流频率测速法，由低阻值取样电阻提取电动机回路的电流

脉冲信号，由于取样电阻两端叠加有直流和交流信号，因此需要滤除直流成分，提取与电动机

转速有关的交流成分，并进行放大、比较处理，送入单片机系统进行转速换算，并由液晶屏显

示电动机转速;有刷直流电动机测速装置的系统组成框图如图1所示。

硬件2设计

本系统由STM32模块、信号处理模块、电流取样测速模块、控制系统模块、OLED显示

模块组成，其中单片机采用了STM32F103单片机作为主控芯片，可以满足本次直流电动机在

线测速装置的设计要求。

信号处2.1理模块

LM393是高增益、宽频带器件，能将输入过来的信号转换成标准的脉冲方波波形，且

LM393是专业的电压比较器，切换速度快，延迟时间短。本设计利用了频率测速法，采用采

样电阻电路和电感检测电路对数据进行采集，通过放大电路、增益电路、电压比较电路将脉冲

信号传送给STM32单片机。为了LM339能正常工作，此次设计在输出端选择串联了一个3.3

kΩ的电阻，同时为了能获得更好的波形，在信号进入LM339前，通过电容和电阻串联了一个

RC电路，使波形更加平滑。

电2.2流取样测速模块

根据设计要求，采用串联取样电阻方式实现测量电动机转速的功能，为了尽可能减少串联

电阻对电动机转速的影响，本文选取50mΩ的取样电阻。在交流电流提取与脉冲变换电路

中，R1为电动机支路的取样电阻，通过取样电阻将脉冲电流转换为脉冲电压信号。在此次设

计中，通过运用LM358将电动机交流电流提取后的信号进行放大，使用波形变化幅度更大，

更容易捕捉。LM358可以实现两级放大，在每级放大器的输出端都串联一个电容，可以使得

电容两端的电压不会突变，同时不会滤除电动机产生的交流电压。

控制系统模块2.3

STM32系列是一款基于Cortex-M3内核的中低端的32位ARM微控制器，最高工作频率

可达72MHz，内部带有丰富的高速、高精度的定时器，将其时钟源配置为外部时钟，就可以

对外部脉冲信号进行脉冲计数，还带有单周期乘法器和硬件除法器。在处理速度、定时器采样

速度和精度方面，单片机Mega2560都远低于STM32控制器，为了保证系统的测量精度和设

计成本，决定选用STM32F103单片机。

2.4OLED显示模块

在显示方面，本系统选择了96寸的自发光的OLED显示屏。以目前的技术来说，OLED

的尺寸还难以实现大型化，但是分辨率很高。系统通过PCtoLCD2002软件快速编译出汉字

码，再发送到函数中便可以输出汉字等。

软件3设计

系统3.1总体工作流程

系统软件部分主要分成用户交互设计以