波形转换电路、转速检测装置和电机系统的制作方法

本发明涉及一种将不同波形类型的信号进行转换的电路，其可用于对模拟信号频率的精准检测。本发明也涉及一种对转动机械进行转速检测的装置。本发明还涉及一种电机系统。

背景技术：

在电机所应用于的装置中，例如具有智能控制功能的水泵装置，需要对电机的转速进行检测，并将检测结果反馈给水泵装置的控制单元，譬如附有芯片等控制电路的PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)。目前的检测方式是在电机轴处安装一个霍尔传感器，利用霍尔传感器检测电机轴的转速，并将信号输出给水泵装置的PCB。

譬如，霍尔传感器工作在5V电压下，当电机转动时，霍尔传感器感应到磁场的不断变化，进而持续产生低电平为0V、高电平为5V的方波信号，即数字信号，输出至水泵的PCB中，PCB上的控制单元根据该方波信号的频率判断出电机的转速。由于霍尔传感器输出的为数字信号，抗干扰能力强，无噪声积累，因此，可以据此计算出准确的转速值。

由于实际生产或者商业操作方面的原因，利用霍尔传感器完成上述检测往往不是最佳选择，因此，有必要寻求替代装置以实现电机转速的检测。一个可能的方案是利用输出信号为模拟信号的转速感应器检测转速，但是，此类转速感应器输出的模拟信号容易受到各种干扰而产生失真，因此控制单元根据该模拟信号计算出的转速往往发生偏差。于是，往往不倾向于利用此类转速感应器在对检测精准度要求较高的场合检测机械的转速。

技术实现要素：

本发明的波形转换电路旨在解决输出信号为模拟信号的转速感应器难以应用于对检测精准度要求较高场合下进行转速检测的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种波形转换电路，包括模拟信号正输入端口、模拟信号负输入端口、恒压输入端口、开关装置和输出端上拉电路，

所述开关装置具有正输入端、负输入端、低电平端和方波信号输出端，所述模拟信号正输入端口与所述开关装置的正输入端连接，所述模拟信号负输入端口与所述开关装置的负输入端连接，

所述输出端上拉电路的输出端与所述方波信号输出端连接，该输出端上拉电路的输入端接所述恒压输入端口；

当所述开关装置导通，所述方波信号输出端与所述开关装置的低电平端连通，该方波信号输出端输出低电平，

当所述开关装置断开，所述方波信号输出端与所述开关装置的低电平端断路，该方波信号输出端输出高电平。

为解决上述技术问题，本发明还提供另一种波形转换电路，包括模拟信号正输入端口、模拟信号负输入端口、恒压输入端口、开关装置和输出端下拉电路，

所述开关装置具有正输入端、负输入端、高电平端和方波信号输出端，所述模拟信号正输入端口与所述开关装置的正输入端连接，所述模拟信号负输入端口与所属开关装置的负输入端连接，所述恒压输入端口分别与所述开关装置的正输入端和高电平端连接，

所述输出端下拉电路的一端与所述方波信号输出端连接，该输出端下拉电路的另一端接地；

当所述开关装置导通，所述方波信号输出端与所述开关装置的高电平端连通，所述方波信号输出端输出高电平，

当所述开关装置断开，所述方波信号输出端与所述开关装置的高电平端断路，所述方波信号输出端输出低电平。

为实现对转动机械的转速进行精确检测，本发明提供一种转速检测装置，包括用于检测转速并输出模拟信号的转速感应器和上述波形转换电路，所述转速感应器接于所述模拟信号正输入端口和所述模拟信号负输入端口之间。

为实现具有对电机转速进行精确检测功能的电机系统，一种电机系统，包括电机和上述转速检测装置，所述转速感应器安装于所述电机的电机轴上用于感应该电机轴的转速。

为实现同样的目的，本发明还提供另一种电机系统，包括电机、用于检测所述电机转速并输出模拟信号的转速感应器、PCB板和上述波形转换电路，所述转速感应器和所述波形转换电路均安装于所述电机上，所述PCB板上附有处理器和 恒压电源，所述转速感应器接于所述模拟信号正输入端口和所述模拟信号负输入端口之间，所述处理器与所述方波信号输出端连接，所述恒压电源与所述恒压输入端连接。

本发明能够实现模拟信号转换为方波信号，且元器件数量少，成本低廉，制造工艺简单。本发明能够起到类似于霍尔传感器的作用，实现对转速的精确检测，从而为通过霍尔传感器实现转速检测之外，又提供一种全新的转速检测方式。

附图说明

图1为转速检测装置一个实施例的结构示意图，其中采用了第一实施例的波形转换电路，且属于波形转换电路中选用NPN型三极管作为开关管的情形；

图2为转速检测装置一个实施例的结构示意图，其中采用了第一实施例的波形转换电路，且属于波形转换电路中选用N-MOSFET作为开关管的情形；

图3为转速检测装置一个实施例的结构示意图，其中采用了第二实施例的波形转换电路，且属于波形转换电路中选用PNP型三极管作为开关管的情形；

图4为转速检测装置一个实施例的结构示意图，其中采用了第二实施例的波形转换电路，且属于波形转换电路中选用P-MOSFET作为开关管的情形；

图5为本发明第一实施例的电机系统结构示意图(部分结构)；

图6为图5所示结构的部分结构的结构示意图。

具体实施方式

作为本发明波形转换电路的第一实施例，如图1、2所示，该波形转换电路99包括模拟信号正输入端口11a、模拟信号负输入端口11b、恒压输入端口12、开关装置13和输出端上拉电路14，开关装置13具有正输入端131a、负输入端131b、低电平端132和方波信号输出端133，模拟信号正输入端口11a与开关装置13的正输入端131a连接，模拟信号负输入端口11b与开关装置13的负输入端131b连接，输出端上拉电路14的输出端与方波信号输出端133连接，该输出端上拉电路14的输入端接恒压输入端口12；当开关装置13导通，方波信号输出端133与开关装置13的低电平端132连通，该方波信号输出端133输出低电平，当开关装置13断开，方波信号输出端133与开关装置13的低电平端132断路，该方波信号输出端133输出高电平。

其中，开关装置13包括保护电路13a、偏置电路13b和开关管，保护电路13a接于开关装置13的正输入端131a与开关管之间，偏置电路13b接于开关装置 13的负输入端131b与开关管之间。开关管可选用双极性晶体管、场效应管等三极性开关元件。譬如，如图1所示，开关管选用NPN型三极管，NPN型三极管的发射极接开关装置13的低电平端132，其集电极接方波信号输出端133，其基极分别接保护电路13a的一端和偏置电路13b的一端，保护电路13a的另一端接开关装置13的正输入端131a，偏置电路13b的另一端接开关装置13的负输入端131b；NPN型三极管工作于截止区和饱和区。又譬如，如图2所示，开关管选用N-MOSFET，N-MOSFET的源极接开关装置13的低电平端132，其漏极接方波信号输出端133，其栅极分别接保护电路13a的一端和偏置电路13b的一端，保护电路13a的另一端接开关装置13的正输入端131a，偏置电路13b的另一端接开关装置13的负输入端131b；N-MOSFET工作于截止区和变阻区。

优选的，如图1、2所示，保护电路13a主要包括接于开关装置13的正输入端131a和开关管之间的电阻R₁，偏置电路13b主要包括接于开关装置13的负输入端131b和开关管之间的电阻R₂.电阻R₁与NPN型三极管搭配，起到防止NPN型三极管基极电流过大的作用；电阻R₁与N-MOSFET搭配，起到防止N-MOSFET删、源极电压过高的作用；另外，电阻R₁与R₂配合，为NPN型三极管或N-MOSFET提供偏置电压。输出端上拉电路14可以采用熟知的电路结构，在本实施例中，为使电路更为简化，采用电阻R₃作为输出端上拉电路14，接于恒压输入端口12和方波信号输出端133之间，如图1、2所示。

优选的，如图1、2所示，本实施例的波形转换电路99还包括接于模拟信号正输入端口11a和开关装置13的正输入端131a之间的滤波装置15；开关装置13的低电平端132接地。滤波装置15可选用滤波二极管D₁，滤除无关信号，减少干扰，譬如通过滤波二极管滤除模拟输入电压信号负半周的信号。

工作时，待转换的模拟信号自模拟信号正输入端口11a和模拟信号负输入端口11b输入波形转换电路99，直接或经滤波装置15滤波后送达开关装置13，当该模拟信号施加到开关装置13电压高于该开关装置13的导通阈值电压时，开关装置13导通，开关装置13的方波信号输出端133和其低电平端132接通，方波信号输出端133的电平被拉低，其对外输出低电平；当该模拟信号施加到开关装置13电压不高于该开关装置13的导通阈值电压时，开关装置13断开，开关装置13的方波信号输出端133和其低电平端132断路，方波信号输出端133的电平被输出端上拉电路14的输出电平拉高，其对外输出高电平。这样，波形转换装置99就将输入的模拟信号转换为方波信号输出，通过选用合适的元器件，能保证两者具备基本相同的频率。具体的，譬如当开关装置13选用NPN型三极管时，开关装置13的导通阈值电压即为该三极管的偏置导通电压，由于三极管偏置导通门槛电压的存在，波形转换电路输出的方波跳转边沿会存在一定的倾斜，但这可以通过选择灵敏度更 高的三极管来使该倾斜度更小边沿更加陡峭，从而使方波信号输出端133的输出信号更接近于理想方波。

作为本发明波形转换电路的第二实施例，如图3、4所示，该波形转换电路99包括模拟信号正输入端口21a、模拟信号负输入端口21b、恒压输入端口22、开关装置23和输出端下拉电路24，开关装置23具有正输入端231a、负输入端231b、高电平端232和方波信号输出端233，模拟信号正输入端口21a与开关装置23的正输入端231a连接，模拟信号负输入端口21b与开关装置的负输入端231b连接，恒压输入端口22分别与开关装置23的正输入端231a和高电平端232连接，输出端下拉电路24的一端与方波信号输出端233连接，该输出端下拉电路24的另一端接地；当开关装置23导通，方波信号输出端233与开关装置23的高电平端232连通，方波信号输出端233输出高电平；当开关装置23断路，方波信号输出端233与开关装置23的高电平端232断接，方波信号输出端233输出低电平。

其中，开关装置23包括偏置电路23a、保护电路23b和开关管，偏置电路23a接于开关装置23的正输入端231a与开关管之间，保护电路23b接于开关装置23的负输入端231b和开关管之间。开关管可选用双极性晶体管、场效应管等三极性开关元件。譬如，如图3所示，开关管选用PNP型三极管，PNP型三极管的发射极接开关装置23的高电平端232，其集电极接方波信号输出端233，其基极分别接偏置电路23a的一端和保护电路23b的一端，偏置电路23a的另一端接开关装置23的正输入端231a，保护电路23b的另一端接开关装置23的负输入端231b；PNP型三极管工作于截止区和饱和区。又譬如，如图4所示，开关管选用P-MOSFET，P-MOSFET的源极接开关装置23的高电平端232，其漏极接方波信号输出端233，其栅极分别接偏置电路23a的一端和保护电路23b的一端，偏置电路23a的另一端接开关装置23的正输入端231a，保护电路23b的另一端接开关装置23的负输入端231b；P-MOSFET工作于截止区和变阻区。

优选的，如图3、4所示，偏置电路23a主要包括接于开关装置23的正输入端231a和开关管之间的电阻R₄，保护电路23b主要包括接于开关装置23的负输入端231b和开关管之间的电阻R₅.电阻R₅与PNP型三极管搭配，起到防止PNP型三极管基极电流过大的作用；电阻R₅与P-MOSFET搭配，起到防止P-MOSFET删、源极电压过高的作用；另外，电阻R₅与R₄配合，为PNP型三极管或P-MOSFET提供偏置电压。输出端下拉电路24可以采用熟知的电路结构，在本实施例中，为使电路更为简化，采用电阻R₆作为输出端下拉电路24，接于恒压输入端口22和方波信号输出端233之间，如图3、4所示。

优选的，如图3、4所示，本实施例的波形转换电路还包括接于模拟信号正输入端口21a和开关装置23的正输入端231a之间的滤波装置25。滤波装置25可选 用滤波二极管D₂，滤除无关信号，减少干扰，譬如通过滤波二极管滤除模拟输入电压信号负半周的信号。

工作时，待转换的模拟信号自模拟信号正输入端口21a和模拟信号负输入端口21b输入波形转换电路99，直接或经滤波装置25滤波后送达开关装置23，当该模拟信号施加到开关装置23上的电压高于该开关装置23的导通阈值电压时，开关装置23导通，开关装置23的方波信号输出端233和其高电平端232接通，方波信号输出端233的电平被拉高，其对外输出高电平；当该模拟信号施加到开关装置23上的电压不高于该开关装置23的导通阈值电压时，开关装置23断开，开关装置23的方波信号输出端233和其高电平端232断路，方波信号输出端233的电平被输出端下拉电路24拉低，其对外输出低电平。这样，波形转换装置99就将输入的模拟信号转换为方波信号输出。

利用上述任一实施例的波形转换电路99，与用于检测转动机构的转速并输出模拟信号的转速感应器3结合，还可以用来准确检测转动机构的转速，呈现近似于数字传感器的检测结果，实现近似于数字传感器(例如霍尔传感器)的功能。

如图1-4所示，本发明实施例的转速检测装置包括转速感应器3和上述任一种实施例的波形转换电路99，转速感应器3接于模拟信号正输入端口11a、21a和模拟信号负输入端口11b、21b之间。其中，转速感应器3选用转速计。

本实施例的转速检测装置还包括处理器22，处理器22的信号输入端与方波信号输出端133或233连接，其根据波形转换电路99输出的方波信号的频率判断转速感应器3的输出信号的频率，进而判断转速感应器3所检测对象的转速。

上述实施例的转速检测装置，可以应用于电机上，以检测电机的转速。如图5所示，作为本发明电机系统的第一实施例，其包括电机5(图中只示出电机5的部分结构)和上述实施例的转速检测装置，转速感应器3(图5中选用的是转速计)安装于电机5的电机轴51上，用于感应该电机轴51的转速并输出模拟检测信号。

具体的，转速计套设于电机轴51上。转速计可直接安装于电机5中原来安装霍尔传感器的位置，这样对电机结构的改动极小，电机形状也无明显改变，不会对电机周围的其他机构的安装或结构产生影响。

也可为转速计设置专门的安装机构。

譬如，如图5、6所示，提供一个内壁具有安装槽52a的安装罩52，转速计嵌入安装槽52a内，安装罩52具有多个安装脚52b，安装罩52通过安装脚52b固定在电机5的壳体(图5、6中未示出)上。安装罩52安装固定后，电机轴51穿过 转速计中心通孔31。还可同时将波形转换电路99固定安装在安装罩52内壁、转速计的径向外侧。安装罩52上设置一个连通内外壁的电路接口52c，电路接口52c具有若干个接线端子，开关装置13、23的低电平端132或高电平端232、方波信号输出端123、233、恒压输入端口12、22、转速计的接地端中的一个或多个可连接至电路接口52c中对应的接线端子，并通过其与其他电路模块连接。

如图6所示，安装槽52a由多个设于转速计径向外侧的、相互间隔的档块围成，每两相邻档块之间形成开口523，这些档块组成的档块群围成环形，转速计被全部或部分档块卡紧而形成过盈配合。

如图6所示，优选的，部分档块相较另一部分档块在转速计圆周切向上的宽度更宽，若干宽档块521与若干窄档块522交错间隔设置，转速计被围成环形的各宽档块521卡紧，宽档块521外壁固设有若干一端固定在安装罩52内壁的加强肋524。由于宽档块521切向宽度较宽，又有加强肋524的限制，所以宽档块521难以发生松动，并通过宽档块521与转速计的过盈配合，稳固地固定住转速计。更优选的，宽档块521内壁若干位置处沿转速计径向向内方向凸起形成凸筋521a，起到卡紧转速计径向外侧面的作用。

如图5、6所示，优选的，部分或全部窄档块522沿转速计轴向方向的顶部设有沿转速计径向向内方向突出的凸台525，凸台525轴向朝向安装槽52a底部的台面延伸至转速计轴向外侧面的上方，且该台面离安装槽52a底部的高度与转速计的轴向高度相同或者该台面与转速计轴向外侧面形成过盈配合，起到防止转速计沿轴向脱离和松动的作用；凸台525沿转速计轴向方向背向安装槽52a底部的台面在转速计径向向内方向上逐渐趋近于安装槽52a底部，便于将转速计穿过各凸台525的该台面围成的楔形空间并最终嵌入安装槽52a内。

作为本发明电机系统的第二实施例，其包括电机5、转速感应器3、PCB板和上述任一实施例的波形转换电路99，转速感应器3用于检测电机5的转速并输出模拟信号，转速感应器3和波形转换电路99均安装于电机5上，PCB板上附有处理器4和恒压电源6，转速感应器3接于模拟信号正输入端口11a、21a和模拟信号负输入端口11b、21b，处理器4与方波信号输出端133、233连接，恒压电源6(譬如5V恒压电源)与恒压输入端12、22连接。此外，波形转换电路99中的输出端上拉电路14或输出端下拉电路24也可附于PCB板上。

如上所述仅为便于对本发明的理解而提供的示例性的具体实施方式，并非对本发明的限定，依照本发明的原理和内涵，本领域技术人员还可作出其他变型实施例，但仍为本发明请求的专利保护范围所涵盖。