低功耗的设备转速感测系统的制作方法

1.本实用新型涉及设备转速感测领域，更具体而言，本实用新型涉及低功耗的电机转速感测系统。


背景技术：

2.在设备工况尤其是电机运行状态的感测领域中，一个很重要的环节就是电机运行时的转速的实时测量，即利用传感器感测电机，对电机转子转动时的一些参数的周期性变化进行测量以获得电机的实时转速。现有的设备转速感测系统中所涉及的感测技术多使用电涡流接近开关转换器，该电涡流接近开关转换器由电感线圈、电容以及晶体管组成振荡器，并产生一个交变磁场，当有金属物体接近该交变磁场时，就会在金属物体内产生涡电流，从而导致振荡停止。这种变化被后级放大处理后，转换成晶体管开关信号输出，再通过检测脉冲信号从而测量转速。
3.目前，电涡流式接近开关在实际工程安装应用中存在很大的局限性，主要是需要设备停机、安装导体触发块，并且触发距离调整难度大、故障率高等。此外，接近开关必须安装在旋转部件如转轴上等等特定的位置，因此其安装、调试不方便且带来挑战，如安装调试操作不当，则易损坏，甚至会造成事故。另外，电涡流式接近开关传感器通常需要长距离引线，这也是施工难点和故障点。
4.基于以上所述，本实用新型急需改进的超低功耗的无线电机转速的感测系统及感测方法，以减轻或者甚至消除上述技术缺陷以及其它技术缺点，提高感测系统的鲁棒性、设备和方法的可靠性，提高用户使用、操作和维护的友好性以及安全性，提高成本效率，等等。
5.本实用新型说明书的此背景技术部分中所包括的信息，包括本文中所引用的任何参考文献及其任何描述或讨论，仅出于技术参考的目的而被包括在内，并且不被认为是将限制本实用新型范围的主题。


技术实现要素：

6.鉴于以上所述以及其他更多的构思，而提出了本实用新型。
7.根据本实用新型的一方面的构思，采用电机漏磁磁感应原理，可以非接触的放置在非特定的位置安装，能够有效降低安装难度，并且故障率较低，维护成本较少。相比之下，接近开关必须安装在在旋转部件如转轴等特定的位置。
8.更具体而言，根据本实用新型另一方面的构思，提供了一种低功耗的设备转速感测系统，所述设备转速感测系统包括处于通讯连接的转速传感单元和信号处理及无线传输单元，其中，所述转速传感单元配置成感应所述设备的漏磁场的磁信号并将其转换成模拟电信号，并将所述模拟电信号传输至所述信号处理及无线传输单元；其中，所述信号处理及无线传输单元包括整形电路、微控制器单元mcu和无线传输模块；其中，所述整形电路配置成将来自所述转速传感单元的所述模拟电信号整形为方波信号；和其中，所述微控制器单元mcu配置成处于常休眠状态，并且在检测到所述方波的上升沿或下降沿时被触发唤醒以
记录数据，随后休眠，直到检测到下一个所述方波的上升沿或下降沿时被再次触发唤醒。
9.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述微控制器单元mcu配置成仅在检测到所述方波的上升沿或下降沿时才被触发唤醒以记录数据，随后立即休眠，直到检测到下一个所述方波的上升沿或下降沿时才被再次触发唤醒。
10.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述转速传感单元通过短线缆就近与所述信号处理及无线传输单元处于通讯连接。
11.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述转速传感单元和信号处理及无线传输单元定位在能够有效感应到所述设备的漏磁场的位置。
12.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述设备是电机，并且所述转速传感单元是磁敏传感器。
13.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述转速传感单元设有磁场传感芯片和滤波放大电路，其中，所述磁场传感芯片配置成用于感应所述设备的漏磁场，并将感应到的磁场信号转换成模拟电信号并输出至所述滤波放大电路；并且其中，所述滤波放大电路用于对所述模拟电信号进行滤波和放大，所述转速传感单元将经过所述滤波和放大的模拟电信号输出至所述信号处理及无线传输单元。
14.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述mcu配置成记录所述方波的上升沿或下降沿的实时时钟rtc值并计算相邻两次上升沿或下降沿的rtc值的差值，由此进一步计算得到所述设备的转速值。
15.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述无线传输模块是配置成发送所述转速相关的数据或指令的无线通讯模块。
16.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述滤波放大电路包括依次电连接的高通滤波器、低通滤波器、非线性放大器和积分放大器，其中，所述高通滤波器接收来自所述磁场传感芯片的模拟电信号，所述整形电路接收来自所述积分放大器的放大的模拟信号并将其整形为方波信号，所述微控制器单元接收来自所述方波整形电路的方波信号输入。
17.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述无线传输模块选自zigbee模块、wifi模块、蓝牙模块、lora传输模块，nb 传输模块、proprietary传输模块、thread传输模块、wi-sun传输模块、z-wave传输模块和红外通讯模块中的至少一者。
18.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述无线通讯模块配置成由所述微控制器单元mcu控制定时启动以进行数据交互，其中，所述定时被设定为使所述无线通讯模块实现低功耗。
19.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述转速传感单元与所述信号处理及无线传输单元为一体式的配置。
20.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述低功耗的设备转速感测系统自带电池作为工作电源。
21.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述转速传感单元和/或所述信号处理及无线传输单元自带工作电源。
22.根据所述低功耗的设备转速感测系统的一实施例，所述磁场传感芯片配置成与所述滤波放大电路通讯连接，所述滤波放大电路配置成与所述整形电路通讯连接，所述整形
电路配置成与所述mcu通讯连接，所述mcu配置成与所述无线传输模块通讯连接。
23.根据另一方面的构思，还公开了一种利用设备转速感测系统以低功耗的方式执行设备转速感测的方法，所述设备转速感测系统包括处于通讯连接的转速传感单元和信号处理及无线传输单元，其中，所述信号处理及无线传输单元包括整形电路、微控制器单元mcu和无线传输模块；所述方法包括以下步骤：通过所述转速传感单元感应所述设备的漏磁场的磁信号并将其转换成模拟电信号，并将所述模拟电信号传输至所述信号处理及无线传输单元；通过所述整形电路将来自所述转速传感单元的所述模拟电信号整形为方波信号；和在检测到所述方波的上升沿或下降沿时触发唤醒所述微控制器单元mcu记录数据，并且随后令所述微控制器单元mcu立即休眠，直到检测到下一个所述方波的上升沿或下降沿时才再次触发唤醒所述微控制器单元mcu；其中，所述微控制器单元mcu配置成处于常休眠状态，并且在检测到所述方波的上升沿或下降沿时被触发唤醒以记录数据。
24.根据上述执行设备转速感测的方法的一实施例，由所述微控制器单元mcu控制定时启动所述无线传输模块以进行所述信号处理及无线传输单元处理与上位机的数据交互，并且在所述数据交互结束后由所述微控制器单元mcu控制切断电源，直到下一次数据交互。
25.根据上述执行设备转速感测的方法的一实施例，所述无线传输模块是无线通讯模块，并且所述定时的时间间隔被设定为使所述无线通讯模块向所述上位机发送数据时的低功耗。
26.根据上述执行设备转速感测的方法的一实施例，将所述转速传感单元和信号处理及无线传输单元定位在所述设备上可感应到漏磁场的位置。
27.根据上述执行设备转速感测的方法的一实施例，所述设备是电机，并且所述转速传感单元是磁敏传感器。
28.根据上述执行设备转速感测的方法的一实施例，所述转速传感单元设有磁场传感芯片和滤波放大电路，其中，所述磁场传感芯片配置成用于感应所述设备的漏磁场，并将感应到的磁场信号转换成模拟电信号并输出至所述滤波放大电路；并且其中，通过所述滤波放大电路对所述模拟电信号进行滤波和放大，并通过所述转速传感单元将所述滤波和放大的模拟电信号输出至所述信号处理及无线传输单元。
29.根据上述执行设备转速感测的方法的一实施例，由所述mcu记录所述方波的上升沿或下降沿的实时时钟rtc值并计算相邻两次上升沿或下降沿的rtc值的差值，由此进一步计算得到所述设备的转速值。
30.本实用新型的更多实施例还能够实现其他未一一列出的有利技术效果，这些其他的技术效果在下文中可能有部分描述，并且对于本领域的技术人员而言在阅读了本实用新型后是可以预期和理解的。
附图说明
31.为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述一些说明性方面，这些方面阐释了可以实施所公开的原理的各种方式，并且所有这些方面及其等同方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。
32.通过参考下文的描述连同附图，这些实施例的上述特征和优点及其他特征和优点以及实现它们的方式将更显而易见，并且可以更好地理解本实用新型的实施例。
33.图1是根据本技术一实施例的低功耗的设备转速感测系统的系统流程图。
34.图2是根据本技术一实施例的微控制器单元mcu在方波的上升沿或下降沿被触发唤醒的示意图。
35.图3是根据本技术一实施例的转速传感单元的传感器探头通过线缆与信号处理及无线传输单元通讯连接的示意图。
36.图4是示出了根据本技术一实施例的信号处理及无线传输单元的具体结构的模块示意图。
37.图5a-5b为根据本技术一实施例的mcu的休眠设定与退出休眠的操作流程图，其中图5a显示了其主程序流程图，图5b显示了其退出休眠的程序流程。
具体实施方式
38.在以下对附图和具体实施方式的描述中，将阐述本实用新型的一个或多个实施例的细节。从这些描述、附图以及权利要求中，可以清楚本实用新型的其他特征、目的和优点。
39.应当理解，所图示和描述的实施例在应用中不限于在以下描述中阐明或在附图中图示的构件的构造和布置的细节。所图示的实施例可以是其他的实施例，并且能够以各种方式来实施或执行。各示例通过对所公开的实施例进行解释而非限制的方式来提供。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本实用新型公开的范围或实质的情况下，可以对本实用新型的各实施例作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分而图示或描述的特征，可以与另一实施例一起使用，以仍然产生另外的实施例。因此，本实用新型公开涵盖属于所附权利要求及其等同要素范围内的这样的修改和变型。
40.同样，可以理解，本文中所使用的词组和用语是出于描述的目的，而不应当被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用，旨在开放式地包括其后列出的项及其等同项以及附加的项。
41.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。
42.根据本技术的一个或多个实施例，本实用新型的低功耗的设备转速感测系统及感测方法，可采用漏磁测速法，其可有利地适用于感测电机等旋转设备的转速。电机等旋转设备含有磁性元件，磁性元件可随旋转设备转动，旋转磁场会随之旋转而发生变化。电机等旋转设备内部的旋转磁场会泄漏，形成漏磁场。漏磁场的旋转频率与机械转频相关，由此，可采用漏磁测速法来测量转速。
43.利用此类低功耗的设备转速感测系统进行非接触式测量，采用感应式测量原理，解决了电机旋转部件不外露、转速无法进行测量的难题。而且，传感单元和信号处理及无线传输单元可以定位在固定部位，并且没有与机械转轴一同旋转的部件，这样，对于其维护、更换、诊断和运行可靠性等等诸多方面，都提供了优势。
44.本实用新型的低功耗的电机运行状态感测系统可包括转速传感单元，该转速传感单元能够感应例如直流电机、同步电机、异步电机等旋转机械的设备的旋转磁场的漏磁的磁信号并将其转换成模拟电信号。
45.图1是根据本技术一实施例的低功耗的设备转速感测系统的系统流程图。根据本
申请一实施例的低功耗的设备转速感测系统主要包括转速传感单元和信号处理及无线传输单元。其中，转速传感单元包括磁场传感敏感芯片和滤波放大电路，磁场传感芯片可用于感应设备的漏磁场，并可将感应到的磁场信号转换成模拟电信号并输出至滤波放大电路；滤波放大电路可用于对模拟电信号进行滤波和放大。信号处理及无线传输单元可可包括整形电路、微控制器单元(mcu)和无线传输模块。整形电路配置成可将来自磁敏传感器的模拟电信号整形为方波信号。微控制器单元mcu可配置成处于常休眠状态，并且仅在检测到方波的上升沿或下降沿时才被触发唤醒以记录数据，随后立即休眠，直到检测到下一个方波的上升沿或下降沿时才被再次触发唤醒。微控制器单元mcu还可使用算法，将其被触发唤醒而记录的数据换算为机械转速。通过这样的配置和设计，可以尽可能降低转速感测系统的功率消耗。
46.无线传输模块配置成可发送转速相关的数据或指令，并且可以是无线通讯模块。无线传输模块可以选自zigbee模块、wifi模块、蓝牙模块、lora传输模块，nb传输模块、proprietary传输模块、thread 传输模块、wi-sun传输模块、z-wave传输模块和红外通讯模块中的至少一者。无线通讯模块可以配置成由微控制器单元mcu控制定时启动以进行数据交互，其中，该定时被设定为使无线通讯模块的实现低功耗，即，尽可能降低功耗，例如，通过尽可能将发射的周期延长，采用低功耗的传输模式，等等。
47.根据本技术一实施例的低功耗的设备转速感测系统可以自带工作电源，而转速传感单元和/或所述信号处理及无线传输单元也可以自带工作电源。当然这些的单元也可以外接电源，这可以根据需要灵活设置。
48.在进行转速感测时，首先可通过转速传感单元的磁场传感芯片感应设备的漏磁场的磁信号，并将其转换成模拟电信号，然后可将该模拟电信号传输至信号处理及无线传输单元。然后可通过信号处理及无线传输单元的整形电路将来自转速传感单元的模拟电信号整形为方波信号，并可将该方波信号输送至微控制器单元mcu。在检测到方波的上升沿或下降沿时，可触发唤醒微控制器单元mcu以记录数据，并且可随后令微控制器单元mcu立即休眠，直到检测到下一个方波的上升沿或下降沿时才可再次触发唤醒微控制器单元mcu。
49.本实施例中，微控制器单元mcu可配置成处于常休眠状态，并且可仅在检测到方波的上升沿或下降沿时才被触发唤醒以记录数据。
50.在一个实施例中，旋转机械例如可以是电机，需要感测的是该电机的转速，并且所使用的转速传感单元具体可以是磁敏传感器。转速传感单元和信号处理及无线传输单元可定位在能够有效感应到设备的漏磁场的位置，并且可定位在设备上的除了旋转部件之外的固定部位。
51.设备转速感测系统具体可包括处于通讯连接的磁敏传感器和信号处理及无线传输单元。所述磁敏传感器可以通过线缆与信号处理及无线传输单元处于通讯连接。磁敏传感器具体可配置成感应所述设备的漏磁场的磁信号并将其转换成模拟电信号，并可将所述模拟电信号传输至信号处理及无线传输单元。
52.图2是根据本技术一实施例的微控制器单元mcu在方波的上升沿被触发唤醒的示意图。
53.在本实用新型的一个实施例中，转速传感单元中可设有磁场传感芯片和滤波放大电路，其中，磁场传感芯片可用于感应设备的漏磁场，并可将感应到的磁场信号转换成模拟
电信号并输出至滤波放大电路；滤波放大电路可用于对模拟电信号进行滤波和放大，然后转速传感单元可将经过滤波和放大的模拟电信号输出至信号处理及无线传输单元。
54.旋转磁场的漏磁也可以是周期性变化的，使得磁敏传感器所感测的信号也可以周期性变化。mcu在休眠过程中，通常可以使用外部中断来产生唤醒触发事件。mcu接收到该事件后，即可脱离休眠状态，进入运行状态。此时，mcu可立刻读取实时时钟rtc的当前值tn，然后可与上次的值t
n-1
相减，即可得到旋转磁场的周期，其倒数即为频率，该频率可与旋转机械的转速相等或相关，通过一定的算法可将其换算为机械转速。对于运行状态的mcu可以设置退出运行状态转而休眠的条件(例如外部上升沿中断)，然后可进入低功耗休眠状态。这样，与微控制器单元mcu处于常导通状态的传统的转速传感器相比，依据本实施例构思的信号处理及无线传输单元可具有更低的功耗，尤其在设备转速感测系统使用电池等自备电源的情况下，能够显著延长传感器的使用周期和寿命。
55.mcu可记录方波的上升沿或下降沿的实时时钟rtc值并可计算相邻两次上升沿或下降沿的rtc值的差值，由此可进一步计算得到设备的转速值。
56.同样，微控制器单元mcu也可以在检测到方波的下降沿时，可触发唤醒微控制器单元mcu以记录数据，并且随后可令微控制器单元 mcu立即休眠，直到检测到下一个方波下降沿时才可再次触发唤醒微控制器单元mcu。本实施例中，微控制器单元mcu配置成可处于常休眠状态，并且仅在检测到方波的下降沿时才被触发唤醒以记录数据。这种情况下，mcu可记录方波的下降沿的实时时钟rtc值并可计算相邻两次下降沿的rtc值的差值，由此进一步计算得到设备的转速值。
57.图3示出了根据本技术一实施例的转速传感单元1通过线缆3 与信号处理及无线传输单元2处于通讯连接的示例。根据需要，在低功耗的设备转速感测系统的转速传感单元1与信号处理及无线传输单元2需要隔开一定距离而分开设置时，该低功耗的设备转速感测系统可为分体式的系统。转速传感单元1可以通过线缆3与信号处理及无线传输单元2通讯连接，以便于转速传感单元1与信号处理及无线传输单元2分开设置。
58.图4示出了根据本技术一实施例的信号处理及无线传输单元的具体结构的模块示意图。传感器，例如转速传感单元1，所采集的信号可传输至信号处理及无线传输单元2。信号在信号处理及无线传输单元2首先可经过高通滤波器和低通滤波器进行滤波；经滤波后的信号可进入非线性放大器，以对较弱的输入信号进行大信号放大；进而非线性放大后的信号可进入积分放大器，进一步对输入信号进行放大；该进一步放大后的信号可进入方波整形电路，在此，输入的信号可被整形为方波，再输入至微控制单元(mcu)。方波信号在到达mcu 后，可由方波的上升沿或下降沿触发唤醒mcu以记录数据，随后mcu 可重新进入休眠，直到下一个方波的上升沿或下降沿再次触发唤醒 mcu。mcu可进行计算。mcu可将计算所得的结果，即转速数据/值，通过信号方式传输给无线传输模块，由无线传输模块将记录转速的信号发给系统。另外，无线传输模块的电源可由mcu控制，在没有信号传输时，无线传输模块可以处于休眠状态；在需要进行信号传输时，才由mcu唤醒无线传输模块，再与mcu交换数据以进行无线传输等动作。
59.当然，信号处理及无线传输模块的具体构成并不局限于上述构成，只要能够实现本技术实施例中的信号处理及无线传输功能，即可采用。
60.图5a-5b为根据本技术一实施例的mcu的休眠设定与退出休眠的操作流程图，其中
图5a示意性显示了其主程序流程图，图5b示意性显示了其退出休眠的程序流程。如图所示，mcu的工作模式，可以在系统中预先设定。在系统服务器主程序中，首先可对mcu进行初始化。系统可通过无线传输模块发出指令，可以将mcu初始化，之后，系统仍旧可与无线传输模块无线通信交互，对mcu的休眠模式进行设定。根据实际需要，mcu的休眠模式可以设定为定时中断模式或者外部触发模式等。在定时中断模式下，mcu要完成回送本周期内测量到的转速值、传感器状态等数据，并接收可能有参数设置。而在外部触发模式下，则如同本技术实施例详细描述的，例如由方波的上升沿或下降沿触发唤醒mcu以记录数据，在mcu完成记录动作后，mcu可重新进入休眠，直到下一个方波的上升沿或下降沿再次触发唤醒mcu。
61.由于在上述模式下mcu无需一直处于待机状态，因而在节能方面性能良好，这在mcu等是由电池供电的情况下，尤其极具有优势。
62.mcu退出休眠后的具体动作可以如下：
63.mcu退出休眠后，首先判断定时是否中断，如果定时是中断的，则mcu会与无线传输模块进行定时通讯交互，将回送转速值，回送传感器运行状态，接收新的参数设置等)。
64.然后，mcu继续判断本次中断是否同时有外部触发中断。如果判断定时并未中断，则mcu继续判断本次是否有外部触发中断即来着于方波信号的上升沿或下降沿的触发，如果有该中断，则读取当前rtc 值tn，与上一次的脉冲发生时间rtc值t
n-1
相运算，以此类推。最终， mcu计算出转速并通过无线传输模块发送发出去。
65.如果mcu判断定时并未中断，且也没有外部触发中断发生则mcu 自动进入异常处理流程，通过无线传输模块将异常信号发送出去，然后重新进入休眠状态。
66.另外，根据实际需要，mcu可以在特定的时间段始终保持唤醒状态，随时进行监控。这个特定的时间按段，例如可以是根据经验获知的被监测设备的高负荷运行的时段，例如转速平均来说较高的时段或者扭矩较大的时段。而在其他时段，mcu可处于休眠状态，不再因传感器对被监测设备进行监测所获得的信号而被唤醒，相对于始终处于定时中断模式下。mcu具体退出休眠后的动作同样可以如上所述。
67.另外，根据本技术一实施例的低功耗的设备转速感测系统也可以为一体式的系统。该一体式的低功耗的设备转速感测系统更为紧凑，无需分体式系统中的连接转速传感单元与信号处理及无线传输单元的线缆组件，而是将转速传感单元与信号处理及无线传输单元整合为一体。
68.以上结合实施例描述了本实用新型的基本构思。但是，应当理解，上述仅显示了本实用新型的部分实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等同实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。