一种直流电机转速测控电路的制作方法

本发明涉及电路领域，具体的，涉及一种直流电机转速测控电路。

背景技术：

核用微型离心萃取器是核燃料处理领域重要的萃取设备，核用微型离心萃取器的转鼓转速是其重要的工作参数。由于核用微型离心萃取器设备尺寸小，转鼓在起动、运行、制动过程中都要求转速平稳，起动扭矩力矩要求大，因此转鼓的驱动电机常用微型有刷直流电机。而对于转鼓转速的控制则需要引入额外的测控装置，通过该测控装置测量并控制转鼓驱动电机的转速。

由于核用情形下存在γ放射性辐照，而微型离心萃取器的尺寸较小，不易安装γ屏蔽层，所以要求电机测速装置本身耐辐照，因此一般不能采用半导体元件。核用离心萃取器应用中存在两方面的考虑，希望能降低离心萃取器导线芯数。首先，离心萃取器电连接器如果是2芯的，则可选用耐腐蚀耐辐照的同轴结构电连接器，同轴电连接器可以支持机械手盲插，而其它形式的微型电连接器，机械手都不易实现插拔；其次，热室的电气穿墙件芯数有限，希望能尽量减少离心萃取器的芯数需求。因此在设置测控装置时需要尽可能的减少离心萃取器的芯数。

现有技术中，存在补偿回路电阻或瞬停测动力电机反电动势的二线制测控方法，这两种方法都可以在两个电芯的情况下实现对离心萃取器的测控。补偿回路电阻的原理是假定回路电阻是常数，测回路电流算出补偿电压。但是，有刷电机本身固有的电刷接触电阻不稳定，在回路电阻无法保证确定的情况下，此方法的可靠性较差，特别是核用离心萃取器要求具有很高的可靠性，所以补偿回路电阻的方法不适用。瞬停测动力电机反电动势的方法原理是瞬间将动力电机供电停止，动力电机由于机械惯性会继续转动，但电惯性时间较机械惯性时间短的多，因此会有一段时间是电路转变成发电电路，此电动势与动力电机的转速成正比，可以计算出动力电机的转速。此方法的缺点在于动力电机运行不平稳，且不能实时获得转速，只能隔一段时间瞬停一次，与离心萃取器平稳运行的要求冲突。

因此，需要开发一种能在二线制测控情况中实时获得转速，不改变动力电机运行状态，可以应用于强辐照、强腐蚀的热室环境中的测控电路。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述技术问题而做出的，其目的是提供一种直流电机转速测控电路，能够准确地测量直流电机的转速并且调控该直流电机按照设定的转速平稳运转。

为了实现上述目的，本发明提供了一种直流电机转速测控电路，包括电源和直流电机组成的闭合回路，所述电源为程控电源，在所述直流电机与所述程控电源之间串联设置有电流取样电阻；在所述直流电机的两端并联设置有测速电路，所述测速电路包含串联设置的测速电机和限流电阻，所述测速电机与所述直流电机同轴联结；在所述电流取样电阻的两端并联设置有隔离运放，所述隔离运放的输出端与mcu测控系统相连；所述mcu测控系统与所述程控电源通信连接。

进一步的，所述测速电机为三相直流无刷电机。

进一步的，所述测速电机的外形尺寸小于或等于所述直流电机的外形尺寸。

进一步的，所述直流电机为有刷直流电机。

根据上面的描述和实践可知，本发明所述的直流电机转速测控电路，在被测的直流电机两端并联设置一个测速电路，该测速电路包括串联设置的测速电机和限流电阻，其中测速电机与被测的直流电机同轴联结，在被测的直流电机运转时，会带动测速电机运转，之后利用隔离运放和mcu测控系统并根据测速电机产生的电流信号来计算被测的直流电机的转速，该测控电路能够实时测量出被测的直流电机的转速，之后将测量值与设定值进行比对，若二者不同，则通过mcu测控系统反馈至程控电源，调节程控电源的输出电压从而调节被测的直流电机的转速至设定值，最终能够使被测的直流电机在设定的转速下平稳运行。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中所述直流电机转速测控电路的示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为本发明的一个实施例中所述直流电机转速测控电路的示意图。该测控电路用于测控直流电机m1的转速，该测控电路包含有程控电源和直流电机m1组成的闭合回路。在程控电源和直流电机m1之间串联设置一个电流采样电阻rt。在直流电机m1的两端并联设置一测速电路，该测速电路由串联设置的测速电机m2和限流电阻r2组成；其中测速电机m2和直流电机m1同轴联结，测速电机m2为三相直流无刷电机，其三个电极中的任意两个电极接入测速电路之中。在电流采样电阻rt的两端并联设置一隔离运放，并且在该隔离运放的输出端连接一mcu测控系统，该mcu测控系统还与所述程控电源通信相连。

该测控电路在实际工作过程中，直流电机m1在程控电源输出的电压下正常工作，并带动测速电机m2转动，测速电机m2在转动过程中产生正弦变化的交流电流，并将该交流电流加载至测控电路之中，通过mcu测控系统和隔离运放能够检测出该交流电流的正弦信号的周期，之后可以计算出该正弦信号的角速度ω。对于给定直流三相无刷电机，其反电动势的正弦信号的角速度ω与转速φ成正比，比值是与电机磁极对数等有关的结构常数，该结构常数在电机结构确定的情况下为固定值，最后由角速度ω乘以该结构常数即可计算出测速电机m2的转速φ，即为被测的直流电机m1的转速。之后mcu测控系统根据测量的转速值φ与设定值进行比较，使用pid负反馈方法输出控制信号，经程控电源调制成动力电压，控制微型有刷直流电机m1的转速，使其转速与设定值相同。具体的，如果测量的转速值φ小于设定值，则根据二者的差值，相应地增加程控电源输出的电压，使被测的直流电机m1的转速提高至设定值；如果测量的转速值φ大于设定值，则根据二者的差值，相应地降低程控电源输出的电压，使被测的直流电机m1的转速降低至设定值。上述mcu测控系统能够实时监测所述被测的直流电机m1的转速，并通过调控程控电源的输出电压使被测的直流电机m1的转速始终稳定在设定值。

mcu测控系统和隔离运放在检测所述交流电流的正弦信号的周期时，首先获取该交流电流的波形信息，之后用数字方法计量每个固定时间段中局部极值出现的个数，即可计算出该正弦信号的周期。

具体地说，在该实施例中所述直流电机转速测控电路用于测控核用微型离心萃取器的转鼓转速，请参考图1，该测控电路中直流电机m1和测速电机m2以及限流电阻r2位于热室内，为热室内电路，其两端通过热室的电气穿墙件与热室外电路部分相连。热室外电路包括程控电源、电流采样电阻rt、隔离运放和mcu测控系统。由于测速电机m2和限流电阻r2组成的测速电路并联在直流电机m1的两端，本测控电路属于二线制测控电路，无需额外在热室的隔断墙上增设穿墙件，降低了布线难度；同时离心萃取器可以选用2芯的，从而适用耐辐照耐腐蚀的2芯同轴电连接器，以实现机械手盲插。另外，本测控电路中位于热室内的部分无需设置半导体元件，能够适应热室内强辐照，强腐蚀的环境。

直流电机m1和测速电机m2的转速都是φ；m1的电动势常数是kv1，内阻是r1，流经电流是i1，扭矩是t1,转矩常数是kt1；m2的电动势常数是kv2，内阻是r2，流经电流是i2，扭矩是t2，转矩常数是kt2，串联的限流电阻的电阻值为r2；程控电源输出电压是e，回路总电流是i。则有：

e＝i1r1+φ/kv1(1)

e＝i2(r2+r2)+(φ/kv2)*sin(ωt+θ)(2)

i＝i1+i2(3)

t1＝kt1i1(4)

t2＝kt2i2(5)

其中i2为正弦信号，i1是主要是直流的噪声，i是可以直接由mcu测控系统采集到的原始值,mcu测控系统对i进行数字分析，可以解析出i2和i1，t为时刻值，ω是与φ成正比的角速度，其比例值与电机结构参数相关,θ为0时刻测速电机m1的初始角。

δi2为i2变化幅值，根据公式(2)则：

δi2＝2φ/kv2(6)

由于δi2代表的是信号幅值，为提高信号采集质量，应提高(δi2)/i1的数值；根据公式(1)和公式(6)可以计算出：

为减少测速电机m2对直流电机m1的影响，测速电机m2的外形尺寸应小于或等于直流电机m1的外形尺寸，另外测速电机m2运行时的扭矩差应显著小于直流电机m1的扭矩，即(δt2)/t1<<1。

根据公式(4)、公式(5)、公式(7)可计算出：

其中ktv1＝kt1/kv1，ktv2＝kt2/kv2，在给定的电机中，它们都是与电机结构有关的常数。

在选定直流电机m1以及设定转速φ的情况下，kv1、kt1和r1是定值，e是由mcu测控系统实时调整的动力电压，在电机运行平稳时，是一个过程常数。为了使公式(7)的数值更大，应使测量电机m2的内阻r2和限流电阻r2的电阻值以及测量电机m2电动势常数kv2的值尽可能的小；而为了使公式(8)的数值更小，应使测量电机m2的内阻r2和限流电阻r2的电阻值尽可能的大。

比较公式(7)和公式(8)的要求可以发现，对于r2和r2要求是矛盾的。公式(7)反映的是信号采集的要求，公式(8)反映的是信号采集对被控对象扰动的情况，所以实际选用时应根据实验选择一个折中的r2值。

而公式(7)要求kv2的数值小，公式(8)对kv2没要求，所以选用测速电机m2时应尽量选用电动势常数的值较小的电机。即在测速电机m2的外形尺寸确定后，应选用相同外形尺寸中电动势常数最小的一个。

具体的，在该实施例中，直流电机m1为核用微型离心萃取器转鼓的驱动电机，所述驱动电机选用微型有刷直流电机，其具体型号为maxon-339152永磁有刷空心杯电机，其内阻为r1。测速电机m2的具体型号为xxd2212直流三相无刷电机，其内阻为r2。限流电阻r2的具体型号为5kω-1/4w金属膜电阻。电流采样电阻rt的具体型号为1ω-0.01％-3w高精密线绕采样电阻。隔离运放采用iso-124p，mcu测控系统采用正点原子阿波罗stm32f767开发板，程控电源采用普源dp832a。程控电源与mcu测控系统之间采用rs-485通讯；隔离运放与mcu测控系统之间采用rs-485通讯。

下面对该实施例中的直流电机转速测控电路的性能进行测试，以验证其实际效果。

准确性测试：

将上述实施例中所述规格的直流电机m1、测速电机m2和限流电阻r2，按照上述的电路连接方式安装于微型离心萃取器中。之后将离心萃取器转鼓拔出，并置于空中。使用激光测速仪希玛ar926测量直流电机m1的转速，并与该实施例中的测控电路所测出的直流电机m1的转速进行对比，以验证该直流电机转速测控电路的准确性。测试时，在300-6500rpm范围内，每隔100rpm改变一次mcu测控系统的设定转速。最终实验结果表明，mcu测控系统显示的转速测量值与激光测速仪测定的测量值最大相对偏差小于2％，平均相对偏差小于1％，证明该直流电机转速测控电路的测速准确性满足实际需求。

稳定性测试：

首先进行稳态测试，测量该直流电机转速测控电路能否长时间平稳运行。将上述实施例中所述规格的直流电机m1、测速电机m2和限流电阻r2，按照上述的电路连接方式安装于微型离心萃取器中。将离心萃取器安装到台架中，并在转动后通入有机相和水相，做稳态测试。在设定转速5500rpm情况下，连续运行48小时，实验结果表明，按时间采样的mcu测控系统显示的测量值与设定值最大相对偏差小于2％，平均相对偏差小于1％，证明该直流电机转速测控电路的稳定性满足实际需求。

其次进行动态测试，测量直流电机转速测控电路能否在直流电机的负载突变时尽快调整其转速至设定值。将上述实施例中所述规格的直流电机m1、测速电机m2和限流电阻r2，按照上述的电路连接方式安装于微型离心萃取器中。将离心萃取器安装到台架中，并在转动后通入有机相和水相，做动态测试。在设定转速5500rpm情况下，通过加入粘稠的甘油的方法突然改变离心萃取器的负载。实验结果表明，mcu测控系统显示的测量值可以在受扰后2秒内无超调恢复到设定值。证明该直流电机转速测控电路的稳定性满足实际需求。

通过本发明所述的直流电机转速测控电路，能够实时检测被测的直流电机的转速，并通过程控电源调节输出电压，使被测的直流电机按照设定的转速平稳运转。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。