阅读说明：本技术 无刷直流电机转速测量装置及其使用方法 (Brushless direct current motor rotating speed measuring device and using method thereof ) 是由 王浩陈 刘圣亚 魏海峰 张懿 李垣江 刘维亭 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无刷直流电机转速测量装置,包括：接口模块、频率电压转换模块、电压显示模块、转换比例控制模块,接口模块与频率电压转换模块相连,接口模块用于接入无刷直流电机的霍尔传感器信号；频率电压转换模块与电压显示模块相连,频率电压转换模块用将无刷直流电机的霍尔传感器信号转化成线性的电压信号；电压显示模块,基于频率电压转换模块输出的电压信号显示电压值；转换比例控制模块和频率电压转换模块,用于根据无刷直流电机的极对数控制频率电压转换比例。本发明直接利用无刷直流电机中的霍尔传感器带有的转速信息,实现对无刷直流电机转速的实时显示,有效判断无刷直流电机的运行状态。(The invention discloses a brushless DC motor rotating speed measuring device, comprising: the device comprises an interface module, a frequency-voltage conversion module, a voltage display module and a conversion proportion control module, wherein the interface module is connected with the frequency-voltage conversion module and is used for accessing Hall sensor signals of the brushless direct current motor; the frequency-voltage conversion module is connected with the voltage display module and is used for converting a Hall sensor signal of the brushless direct current motor into a linear voltage signal; the voltage display module displays a voltage value based on the voltage signal output by the frequency-voltage conversion module; and the conversion ratio control module and the frequency-voltage conversion module are used for controlling the frequency-voltage conversion ratio according to the pole pair number of the brushless direct current motor. The invention directly utilizes the rotating speed information of the Hall sensor in the brushless DC motor to realize the real-time display of the rotating speed of the brushless DC motor and effectively judge the running state of the brushless DC motor.)

无刷直流电机转速测量装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机转速测量装置。更具体地讲，涉及一种将无刷直流电机的转速信息线性地转换成电压信号的无刷直流电机转速测量装置。

背景技术

无刷直流电机是一种永磁同步电机，具有效率高，响应快，噪音小等优点。因此，无刷直流电机已经在越来越多的行业广泛应用。

目前市面上无刷直流电机的驱动器大都不带转速指示转置，这使得无刷直流电机安装之后无法直观地测量到实时转速，进而无法判断无刷直流电机的工作状态。为了解决这一个问题，现有的做法是在无刷直流电机的转轴上增加传感器实现测速或者在转轴上贴反光纸再用光电测速仪测量，但是前者增加不必要的硬件成本和施工难度，后者会带来较大的转速测量误差。而无刷直流电机中的霍尔传感器带有转速信息，基于此，可以利用频率电压转换芯片，设计一个结构简易、方便使用的无刷直流电机转速测量装置。

发明内容

本发明提供了一种无刷直流电机的转速测量装置及使用方法，以解决现有生产中无刷直流电机安装之后测速难的问题。

本发明提供了一种无刷直流电机转速测量装置，包括接口模块、频率电压转换模块、电压显示模块、转换比例控制模块，其中：

所述接口模块与所述频率电压转换模块相连，所述接口模块用于接入无刷直流电机的霍尔传感器信号；

所述频率电压转换模块与所述电压显示模块相连，所述频率电压转换模块用将无刷直流电机的霍尔传感器信号转化成线性的电压信号；

所述电压显示模块，基于所述频率电压转换模块输出的电压信号显示电压值；

转换比例控制模块和所述频率电压转换模块，用于根据无刷直流电机的极对数控制频率电压转换比例。

可选地，所述接口模块包括接线端子J1以及接线端子J2；所述频率电压转换模块包括频率电压转换芯片U1、直流电源VDC1、电阻R1、电阻R2、电阻 R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、可调电阻Rt、电容C1、电容C2以及电容 C3；所述电压显示模块为电压表，其中：

所述频率电压转换芯片U1包括8个引脚，所述频率电压转换芯片U1的1 号引脚，用于电流输出，分别和所述电阻R1的一端以及所述电容C1的一端相连；所述频率电压转换芯片U1的2号引脚，用来输入基准电流，与所述电阻 R2的一端相连；所述电阻R2的另一端和所述可调电阻Rt接入端的1号引脚相连；所述频率电压转换芯片U1的5号引脚，用于接入RC定时电路，分别和所述电阻R3的一端以及所述电容C2的一端相连；所述频率电压转换芯片U1的6 号引脚，用来输入电压阈值，分别和所述电阻R4的一端以及所述电容C3的一端相连；所述频率电压转换芯片U1的7号引脚，用来控制比较输入，分别和所述电阻R5的一端以及所述电阻R6的一端相连；所述直流电源VDC1的正极分别和所述电阻R3的另一端、所述电阻R4的另一端、所述电阻R5的另一端以及所述频率电压转换芯片U1的8号引脚相连，所述频率电压转换芯片U1的8 号引脚用来供源；所述直流电源VDC1的负极分别和所述电阻R1的另一端、所述电阻R6的另一端、所述可调电阻Rt接入端的2号引脚、所述电容C1的另一端以及所述频率电压转换芯片U1的3、4号引脚相连，所述频率电压转换芯片 U1的3号引脚用来频率输出，所述频率电压转换芯片U1的4号引脚用来接地；所述接线端子J1和所述电容C3的另一端相连，所述接线端子J2和所述直流电源VDC1的负极相连；所述电压表跨接在所述频率电压转换芯片U1的1号引脚和直流电源VDC1的负极之间；可调电阻Rt调节端的3号引脚与所述转换比例控制模块连接。

可选地，所述电阻R1和所述电容C1的选值满足如下公式：

其中，r1为电阻R1的阻值，单位为：Ω；c1为电容C1的容值，单位为： F。

可选地，所述频率电压转换芯片U1的型号为LM331，所述可调电阻Rt的型号为MAX5407。

本发明提供了一种无刷直流电机转速测量装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：通过转换比例控制模块调节频率电压转换模块的电压转换比例；

步骤二：将待测无刷直流电机的霍尔传感器信号通过接口模块接入无刷直流电机转速测量装置；

步骤三：通过电压显示模块获取无刷直流电机转速。

可选地，所述步骤一具体方法为：转换比例控制模块根据设置的无刷直流电机的极对数，调节频率电压转换模块中的可调电阻Rt的阻值，通过改变可调电阻Rt的阻值调节频率电压转换模块的电压转换比例。

可选地，所述步骤三中通过电压显示模块获取无刷直流电机转速的具体公式如下：

其中，ω为刷直流电机转速；r₁为电阻R1的阻值；r₂为电阻R2的阻值；r₃为电阻R3的阻值；r_t为可调电阻Rt的阻值；c₂为电容C2的容值；p为无刷直流电机的极对数；V_out为电压表的数值。

可选地，可调电阻Rt的阻值r_t、无刷直流电机的极对数p和电阻R2的阻值 r₂满足如下公式：

r_t＝7×10³×p-r₂

其中，r_t为可调电阻Rt的阻值；p为无刷直流电机的极对数；r₂为电阻R2 的阻值；“7×103”为无刷直流电机的极对数和可调电阻Rt的阻值转化的比例。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明在不使用额外转速传感器的情况下，利用采集无刷直流电机中霍尔传感器的信号来获取转速信息，大大提高了转速测试装置测量数据的稳定性和精确度。

2、本发明采用的无刷直流电机测速装置，具有成本低且安装调试方便等特点，尤其适用于测量空间有限或传感器不便安装等状况。

3、本发明通过转换比例控制模块和可调电阻实现对电压转换比例的调节，实现了对不同极对数的无刷直流电机的测试，而且电压与转速的对应关系不受极对数的影响，可以通过电压值直观的看出不同极对数的无刷直流电机的转速情况，装置适应性强、操作简便。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明具体实施中一种无刷直流电机转速测量装置的电路示意图；

图2为本发明具体实施中一种无刷直流电机转速测量装置的电容充放电输出波形图；

图3为本发明具体实施中一种无刷直流电机转速测量装置的电压转速指示示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种无刷直流电机转速测量装置，包括接口模块、频率电压转换模块、电压显示模块、转换比例控制模块，其中：

接口模块与频率电压转换模块相连，接口模块用于接入无刷直流电机的霍尔传感器信号；

频率电压转换模块与电压显示模块相连，频率电压转换模块用将无刷直流电机的霍尔传感器信号转化成线性的电压信号并在电压显示模块作转速指示；

转换比例控制模块和频率电压转换模块，用于根据无刷直流电机的极对数控制频率电压转换比例。

如图1所示，接口模块包括接线端子J1以及接线端子J2；频率电压转换模块包括频率电压转换芯片U1、直流电源VDC1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、可调电阻Rt、电容C1、电容C2以及电容C3；电压显示模块为电压表；转换比例控制模块包括控制器、按键，其中：

频率电压转换芯片U1优选型号为LM331，包括8个引脚；可调电阻Rt优选型号为MAX5407，包括3个引脚，可调电阻Rt的1脚、2脚为接入端引脚， 3脚为阻值调节端引脚；频率电压转换芯片U1的1号引脚，用于电流输出，分别和电阻R1的一端以及电容C1的一端相连；频率电压转换芯片U1的2号引脚，用来输入基准电流，与电阻R2的一端相连；电阻R2的另一端和可调电阻 Rt的1号引脚相连；频率电压转换芯片U1的5号引脚，用于接入RC定时电路，分别和电阻R3的一端以及电容C2的一端相连；频率电压转换芯片U1的6号引脚，用来输入电压阈值，分别和电阻R4的一端以及电容C3的一端相连；频率电压转换芯片U1的7号引脚，用来控制比较输入，分别和电阻R5的一端以及电阻R6的一端相连；直流电源VDC1的正极分别和电阻R3的另一端、电阻 R4的另一端、电阻R5的另一端以及频率电压转换芯片U1的8号引脚相连，频率电压转换芯片U1的8号引脚用来供源；直流电源VDC1的负极分别和电阻 R1的另一端、电阻R6的另一端、可调电阻Rt的2号引脚、电容C1的另一端以及频率电压转换芯片U1的3、4号引脚相连，频率电压转换芯片U1的3号引脚用来频率输出，频率电压转换芯片U1的4号引脚用来接地；接线端子J1 和电容C3的另一端相连，接线端子J2和直流电源VDC1的负极相连；电压表跨接在频率电压转换芯片U1的1号引脚和直流电源VDC1的负极之间；可调电阻Rt的3号引脚与转换比例控制模块连接。

如图1所示的无刷直流电机转速测量装置的使用方法，还包括如下步骤：

步骤A1：通过按键将无刷直流电机的极对数输入进控制器，控制器基于输入的极对数对可调电阻Rt的阻值进行调节，通过改变可调电阻Rt的阻值调节频率电压转换模块的电压转换比例；

步骤A2：将接线端子J1和待测无刷直流电机的某一相霍尔传感器信号输出线相连，将接线端子J2和待测无刷直流电机的霍尔传感器的供源线的负极相连；

步骤A3：读取电压表的数值，通过电压表数值获取转速。

步骤A2中将接线端子J2和待测无刷直流电机的霍尔传感器的供源线的负极相连，是为了无刷直流电机转速测量装置的地信号与无刷直流电机的霍尔传感器的地信号相同，使得测量装置能够获取到霍尔传感器中电平幅值准确的方波信号。将接线端子J1和待测无刷直流电机的某一相霍尔传感器信号输出线相连，接线端子J1接收到的霍尔传感器的信号频率f_hall经过电阻R4，电容C3组成的微分电路加到频率电压转换芯片U1的6号引脚，其中，电容C3为滤波电容，提高转换电容的抗干扰能力。

图2为本发明中一种无刷直流电机转速测量装置的电容充放电输出波形图， V_C1曲线为电容C1上电压变化曲线，V_C2曲线为电容C2上电压变化曲线。当霍尔传感器的信号频率f_hall的下降沿到来时经过微分电路将在频率电压转换芯片 U1的6号引脚产生负向尖峰脉冲。直流电源VDC1的电压为V_DC1，当负向尖峰脉冲大于V_DC1/3时频率电压转换芯片U1的内部触发器将置位，其内部的电流源对电容C1充电，同时直流电源VDC1通过R3对电容C2充电。当电容C1上的电压大于2V_DC1/3时，频率电压转换芯片U1内部的触发器复位，电容C1通过电阻R1放电，同时定时电容C2迅速放电，完成一次充放电过程。此后，每经过一次充放电过程电路重复上面的工作过程，由此实现频率/电压的转换。t₁段表示电容C1、电容C2的充电过程，t₂段表示电容C1、电容C2的放电过程。

要保证输入的信号频率f_hall经微分后有足够的幅度来触发频率电压转换芯片U1的内部触发器，电容C3的选择不宜太小，但电容C3选择小一些有利于提高转换电路的抗干扰能力。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，电容C1选择大一些，有利于降低输出电压V_out的纹波，电容C1选择小一些，可以在输入脉冲频率变化时，提高输出响应的反应速度。

电阻R1和电容C1的选型满足：

以保证输出电压Vout有较小的波纹和较高效应速度。其中，r1为电阻R1 的阻值，单位为：Ω；c1为电容C1的容值，单位为：F。

本实施例中所采用的电阻R1的阻值r₁＝140kΩ，电阻R2的阻值r₂＝10kΩ，电阻R3的阻值r₃＝12kΩ，电阻R4的阻值r₄＝1kΩ，电阻R5的阻值r₅＝1kΩ，电阻R6的阻值r₆＝1kΩ，电容C1的容值c₁＝0.01uF，电容C2的容值c₂＝0.01uF，电容C3的容值c₃＝0.01uF；频率电压芯片U1选择频率电压转换芯片LM331或频率电压转换器MURC415；所采用的电机参数如下：额定电压为24V，额定电流为7A，额定功率为120W；选用量程为0～5V量程的电压表。

例1：无刷直流电机的极对数p＝3，无刷直流电机实际转速为3000r/m。当需要检测无刷直流电机转速时，开关型霍尔传感器的输出频率f_hall＝150Hz；通过极对数p＝3调节可调电阻Rt阻值，公式如下：

r_t＝7×10³×p-r₂＝7×10³×3-10×10³＝11×10³(Ω)

此时就可以通过霍尔传感器的信号频率f_hall与电压表的数值V_out关系获知电压表的数值V_out，具体公式如下：

再通过电压表的数值V_out与无刷直流电机的转速ω之间的关系反推无刷直流电机实际转速，具体公式如下：

例2：无刷直流电机的极对数p＝4，无刷直流电机实际转速为3000r/m。当需要检测无刷直流电机转速时，开关型霍尔传感器的输出频率f_hall＝200Hz；通过极对数p＝4调节可调电阻Rt阻值，公式如下：

r_t＝7×10³×p-r₂＝7×10³×4-10×10³＝18×10³(Ω)

此时就可以通过霍尔传感器的信号频率f_hall与电压表的数值V_out关系获知电压表的数值V_out，具体公式如下：

再通过电压表的数值V_out与无刷直流电机的转速ω之间的关系反推无刷直流电机实际转速，具体公式如下：

如图3所示是上述两个例子中电压表的指示示意，两个例子的计算公式中， r₁为电阻R1的阻值，单位为：Ω；r₂为电阻R2的阻值，单位为：Ω；r₃为电阻 R3的阻值，单位为：Ω；r_t为可变电阻Rt的阻值，单位为：Ω；c₂为电容C2的容值，单位为：F；“2.09”为频率电压转化的系数。

例1、例2中霍尔传感器输出的频率信号通过本发明装置的处理后，显示的电压值是相同的，也就是当无刷直流电机极对数发生变化时，本发明装置可以通过调节可变电阻Rt的阻值，使电压表的数值V_out(V)和接线端子J1所连接的无刷直流电机的一相霍尔传感器的信号频率f_hall(Hz)之间的关系发生相应变化，即通过公式可以看出在通过信号频率计算电压值时，通过极对数以及根据极对数调整的可变电阻Rt的阻值改变了转化系数，使得电压表的数值和无刷直流电机的转速一直保持固定的关系，不受无刷直流电机极对数的影响。

显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。尽管本发明/发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。