串激式电机的转速检测与控制装置及其转速检测计算方法与流程

本申请涉及电机控制设备的领域，尤其是涉及一种串激式电机的转速检测与控制装置及其转速检测计算方法。

背景技术：

串激式电机的定子有凸极铁芯和励磁绕组组成，转子由隐极铁芯、电枢绕组、换相器及转轴等组成。串激式电机被应用于家用电器中，例如作为破壁机、绞肉机、和面机、豆浆机以及打蛋器等小家电的动力源，串激式电机受其自身机械特性的影响，电机工作在轻载即搅拌的食材少、软的时候会有较高的转速，而过高的转速对设备使用效果的提升并没有太大的增益，反而会造成噪音过大，搅拌溢出等不良影响，因此串激式电机一般需要在调速控制电路的控制下工作，调速控制电路基于对电机转速的检测结果对电机转速进行调整，使得电机转速稳定在特定所需的范围值内。

目前，市面上电机转速检测的方式多采用霍尔传感器，利用霍尔传感器感应转子磁场变化，再换算成电机转速，如专利公告号为cn210297474u的中国实用新型专利所公开的一种测试效果好的食品加工机，其包括主机、加工腔、设于所述主机内的电机和控制板，设于所述加工腔内的粉碎刀，所述电机包括转子和套设于所述转子外部的定子，所述转子上设有产生变换磁场信号的磁环，所述食品加工机好包括与所述控制板电连接用于感应磁场变化信号的霍尔元件，所述霍尔元件水平平行所述磁环设置。

上述方案中食品加工机通过准确检测电机旋转的的速度从而能够通过控制板调节实现对转速的闭环控制，从而能够避免物料少时转速过快而产生的噪音问题。针对上述中的相关技术，发明人认为通过设置霍尔元件和磁环作为转速检测的元件，需要在电机预留霍尔元件的安装位置，增加了电机的装配难度，提高了安装成本。

技术实现要素：

为了解决利用霍尔元件测速时电机的装配问题，本申请提供一种串激式电机的转速检测与控制装置及其转速检测计算方法。

第一方面，本申请提供的一种串激式电机的转速检测与控制装置采用如下的技术方案：

一种串激式电机的转速检测与控制装置，包括用于串联电机为电机供电的供电回路，还包括

电流检测模块，电连接于供电回路，用于检测电机换相电流信号；

放大与整形模块，电连接于电流检测模块，用于换相电流信号的放大、整形处理；

处理模块，用于接收放大与整形模块的信号并计算电机的转速；

所述处理模块与电机之间设有转速控制模块，所述转速控制模块用于接收并响应处理模块的控制信号，对电机的转速进行调整。

通过采用上述技术方案，电机在工作时，电机的电刷需要不同地换相，利用电流检测模块检测电机在换相瞬间产生的电流变化并进行检测并记录，通过放大与整形模块对电流检测模块输出的电流信号进行放大并整形处理生成换相信号，处理模块根据换相信号的变化周期、电机的电刷与换相器的数量计算出电机的转速，实现无需借助霍尔元件即可实现电机转速检测的效果。

优选地，所述电流检测模块包括与电机串联设置的电流采样器和电连接于电流采样器上的高通滤波电路，所述高通滤波电路包括串联设置的第一电容和第一电阻，第一电容为无极性电容。

通过采用上述技术方案，通过设置电流采样器对电机电流进行检测，通过高通滤波滤除电流信号中的低频成分，实现高频电流与电刷电流脉动同步，从而使得换相的交越电流信号被相对明显地分离出来。

优选地，所述放大与整形模块包括放大单元和整形单元，所述放大单元的输入端与电流检测模块的输出端连接，所述整形单元的输入端与放大单元的输出端连接，所述整形单元的输出端与处理模块的输出端连接。

通过采用上述技术方案，通过放大单元对电流检测模块检测到的微弱的换相电流信号进行放大，增大换相电压信号的波形幅度，同时降低噪声对换相电压信号的干扰，通过整形单元将正弦信号转换为方波信号输出。

优选地，所述处理模块包括计时单元和转速计算单元，所述计时单元用于查询间隔时间是否达到，所述转速计算单元用于接收放大与整形模块输出的电压信号并根据电压信号计算电机的实时转速。

通过采用上述技术方案，以计时单元的定时时间作为参考，转速计算模块测出速度脉冲宽度的时长。

优选地，所述处理模块连接有转速控制模块，所述转速控制模块的输入端与处理模块的输出端电连接，所述转速控制模用于接收处理模块输出的控制信号并根据控制信号调整电机转速；所述转速控制模块包括与处理模块电连接的驱动单元和串联于电机供电回路和驱动单元之间的开关单元。

通过采用上述技术方案，转速控制模块接收处理模块输出的控制信号，并根据处理模块输出的控制信号对电机的转速进行控制调整。

优选地，所述开关单元采用n沟道mos管，所述mos管串联连接于供电回路和电源之间，且mos管的栅极与驱动单元的输出端连通。

通过采用上述技术方案，通过mos管接收驱动单元的导通信号，当mos管的栅极得电处于高电平时，mos管的源极和栅极导通，电机供电电压降低，电机的转速减慢。

优选地，所述开关单元采用可控硅，所述可控硅与电机的供电回路串联连接，所述可控硅的g脚与驱动单元的输出端连通。

通过采用上述技术方案，利用可控硅的导通性，可控硅用于接收驱动单元的导通信号，从而实现可控硅在处理模块书的控制信号下控制电机导通。

优选地，所述处理模块还连接有过零检测模块，所述过零检测模块用于检测交流电是否过零点。

通过采用上述技术方案，过零检测模块用来检测交流电是否过零点，使得处理模块控制可控硅在交流电过零时延迟一定时间后导通，以保证可控硅实现斩波效果。

第二方面，本申请提供一种串激式电机的转速检测计算方法，采用如下的技术方案：

一种串激式电机的转速检测计算方法，基于以上任意一项所述的一种串激式电机的转速检测与控制装置，包括以下步骤：

步骤s1、给电机上电，处理模块初始化；

步骤s2、判断计时单元的定时时间是否到达；若否，则重新检测，若是，则进行下一步骤；

步骤s3、高、低电平连续累加；

步骤s4、判断脉冲是否连续；若否，则以自加的方式刷新速度变量，刷新速度变量后再进行下一步骤，若是，则直接进行下一步骤；

步骤s5、判断高、低电平时间比是否在阈值内；若是，则采用移动平均法刷新当前速度变量，若否，则采用插值法以上次的速度变量代替本次的速度变量并刷新；

步骤s6、速度pid运算set-time；

步骤s7、脉冲输出控制。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过设置电流检测模块对电机电刷换向时产生的换相电流进行检测，从而实现无需借助霍尔元件即可实现电机转速检测的效果；

2.通过设置处理模块对电流检测模块检测到的换相电流信号进行分析，以防止干扰信号对转速的检测造成不良影响。

附图说明

图1是本申请实施例的整体结构框图；

图2是本申请实施例的部分结构电路图，主要显示了电源转换模块的电路结构；

图3是本申请实施例的部分结构电路图；

图4是本申请实施例的部分测试波型图；

图5是本申请实施例的整体结构电路图，主要显示了电流采样器的型号之一；

图6是本申请实施例的整体结构电路图，主要显示了电流采样器的型号之二；

图7本申请实施例的部分结构电路图，主要显示了放大与整形模块的电路结构；

图8是本申请实施例的部分测试波型图，主要显示了放大整形后的被检测到的两种波形图；

图9是本申请实施例的部分测试波型图，主要显示了周期丢失状态的波形图；

图10是本申请实施例的部分流程框图；

图11是本申请实施例1的整体结构框图；

图12是本申请实施例1的部分结构电路图；

图13是本申请实施例2的整体结构框图；

图14是本申请实施例2的部分结构电路图；

图15是本申请实施例3的部分结构电路图。

附图标记说明：1、供电回路；11、桥式整流单元；12、电容滤波单元；13、共模电感单元；2、电流检测模块；21、电流采样器；22、高通滤波电路；3、放大与整形模块；31、放大单元；32、整形单元；4、处理模块；5、转速控制模块；51、驱动单元；52、开关单元；53、吸收电路；6、电源转换模块；7、过零检测模块。

具体实施方式

以下结合附图1-15对本申请作进一步详细说明。

现有的电机转速检测通常采用霍尔系统进行检测，即在霍尔元件与多极磁体的配合下进行检测，再利用处理器进行转换从而计算出电机的转速，而该种测速方式不仅需要电机硬件生产装配厂（部门）进行电机硬件加工进行改变，还需要的软件电路设计厂（部门）对电路结构和程序代码进行相应的改变，现有的硬件厂（部门）与电路设计厂（部门）通常是相互独立的，在电机生产过程中，需要两个厂（部门）相互配合沟通，不仅增加了沟通成本，同时增加霍尔元件还需要增加对应的安装模具以及线材将霍尔元件与处理器进行连接，不仅增加了设备的空间占用，同时还增加了生产成本。

本申请中，为更加直观的对比出本申请方案的检测精度与现有霍尔系统的检测精度的比较，在试验过程中，保留现有的霍尔系统，并将本装置的检测结果与霍尔系统的检测结果在同一张波型图中进行显示。

本申请实施例公开涉及一种串激式电机的转速检测与控制装置。

实施例1

参照图1，转速检测与控制装置包括用于串联电机为电机运转进行供电的供电回路1、用于检测电机换相电流信号vcs的电流检测模块2和电连接于电流检测模块2用于电流处理的放大与整形模块3，放大与整形模块3连接有处理模块4，处理模块4用于接收放大与整形模块3的信号并计算电机的转速，处理模块4与电机之间设有转速控制模块5，转速控制模块5用于接收并响应处理模块4的控制信号，对电机的转速进行调整，以保证电机转速稳定在特定所需的范围值内，不会过快而造成噪音过大等问题。

参照图1，供电回路1取电于市电电网，供电回路1包括与电机并联设置的桥式整流单元11和电容滤波单元12，其中电容滤波单元12中所采用的电容可以为无极性电容也可以为电解电容（图中显示为电解电容），市电通过桥式整流单元11整流后以直流电输出，电容滤波单元12对经桥式整流单元11后输出的直流电进行滤波，经过电容滤波单元12滤波整流后的直流电对电机进行供电。电机在工作时，电机的电刷需要不同地换相，在换相瞬间电机电流会产生变化，电流检测模块2对电流的实时变化进行检测并记录，通过放大与整形模块3对电流检测模块2输出的电流信号vcs1进行放大并整形处理生成的以方波输出的换相电流信号vcs3，处理模块4根据换相信号的变化周期、电机的电刷与换相器的数量计算出电机的转速。

参照图2至图4，供电回路1还连接有电源转换模块6，本申请中电源转换模块6对交流电进行降压处理使其转换为5v和12v电源，用以为转速检测与控制装置的部分电气元件进行供电。为方便得出转速与电压电流周期性变化的规律，在试验检测过程中，在电机的供电回路1中设有用于检测直流母线电压信号hvdc的电压探头与母线电流信号current的电流探头，在波型图中对霍尔系统和电压探头以及电流探头的检测结果进行显示，同时在波型图中对本申请的检测结果进行显示，同时对霍尔系统与本申请的检测结果进行对比。

参照图4至图6，为防止电刷经过换向器两个磁极时，电刷总是处于与换向器相邻两个磁极重叠状态，而使其产生的换相电流连续，因此电流检测模块2包括与电机串联设置的电流采样器21和电连接于电流采样器21上的高通滤波电路22。本申请中电流采样器21可以为分压电阻rf，也可以为互感器，当电流采样器21为分压电阻rf时，高通滤波电路22的输入端电连接于分压电阻rf与电机之间；当电流采样器21为电流互感器ta时，电流互感器ta的一次绕组串联于电机的供电回路1中，电流互感器ta的二次绕组一端接地设置，一端与高通滤波电路22连接。由于电流采样器21与电机串联，电流检测模块2可以通过电流采样器21对电机电流进行检测，同时通过高通滤波电路22滤除电流信号中的低频成分（交流基波部分），实现高频电流与电刷电流脉动同步，从而使得换相的交越电流信号被相对明显地分离出来。

参照图7和图8，本申请中，为更好的降低电机改进成本，电流采样器21采用分压电阻rf，且高通滤波电路22采用由第一电容c1和第一电阻r1串联设置而成的微分电路，其中第一电容c1为无极性电容，且第一电容c1的一端与分压电阻rf和电机之间的导线电连接，第一电容c1的另一端与第一电阻r1的一端电连接，第一电阻r1远离第一电容c1的一端接地设置；通过第一电容c1对换相电流信号进行耦合生成对应的电压信号。放大与整形模块3的输入端电连接于第一电容c1与第一电阻r1的之间，通过放大与整形模块3对电流检测模块2输出的换相电压信号进行放大整流与获取满足质量要求的电压信号。

参照图7，放大与整形模块3包括与连接于电流检测模块2输出端的放大单元31和连接于放大单元31输出端的整形单元32，本申请中放大单元31包括正向输入端连接于电流检测模块2输出端的运算放大器n1及电连接于运算放大器n1上的第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5以及第二电容c2，其中第二电阻r2串联连接于电源和运算放大器n1正向输入端之间，将输入静态电压偏置到非零的一个初始值电压上，第三电阻r3与第二电容c2串联连接于运算放大器n1反向输入端和地之间，且第二电容c2为非极性电容，第四电阻r4串联连接于运算放大器n1输出端和负极输入端之间，第五电阻r5串联于运算放大器n1输出端和整形单元32输入端之间。放大单元31为非反转放大器，通过放大单元31对电流检测模块2检测到的微弱的换相电流信号进行放大，增大换相电压信号的波形幅度，同时降低噪声对换相电压信号的干扰。

参照图7，整形单元32将电压信号转换成对应的电平信号，即将正弦信号转换为方波信号输出，本申请中整形单元32包括比较器n2和电连接于比较器n2上的第六电阻r6、第七电阻r7，第六电阻r6和第七电阻r7串联连接于电源和地之间，且第六电阻r6与第七电阻r7的连接节点与比较器n2的反向输入端连接构成比较器n2反向输入端的基准电路，比较器n2的正向输入端与放大单元31的输出端连接，比较器n2的输出端连接于处理模块4。

参照图7和图9，在试验检测过程中发现电流检测模块2检测到的换相信号存在扰动，导致电流检测模块2输出的电压信号的脉冲宽度有一定的不一致，同时电压信号偶尔存在脉冲幅度不足导致放大与整形模块3输出的电平信号存在周期丢失现象。为解决周期丢失现象，处理模块4根据周期丢失的规律对放大与整形模块3输出的电平信号进行插入补偿，以保证检测结果周期的完整性。

参照图10和图11，处理模块4包括计时单元和转速计算单元，计时单元用于查询间隔时间是否达到，以保证每两次执行的间隔时间是相等的，转速计算单元用于接收放大与整形模块3输出的电压信号并根据电压信号计算电机的实时转速。电机转速的计算主要包括一下步骤：

步骤s1、给电机上电，处理模块4初始化；

步骤s2、判断计时单元的定时时间是否到达；若否，则重新检测，若是，则进行下一步骤；

步骤s3、高、低电平连续累加；计时单元的定时时间内，分别累加高电平次数和低电平次数，并在每次上升沿时，对高电平次数和低电平次数进行求和，得出周期t；

步骤s4、判断脉冲是否连续；若否，则以自加的方式刷新速度变量，刷新速度变量后再进行下一步骤，若是，则直接进行下一步骤；

步骤s5、判断高、低电平时间比是否在阈值内；若是，则采用移动平均法刷新当前速度变量，若否，则采用插值法以上次的速度变量代替本次的速度变量并刷新；

步骤s6、速度pid运算set-time；

步骤s7、脉冲输出控制；根据set-time的值对脉冲进行控制，使得电机的转速进行相应调整，处理模块4重新开始速度计算。

具体地，给电机上电后，处理模块4开始初始化，初始化内容包括mcu系统初始化、io脚电平初始化、软件uart初始化以及pid函数初始化。初始化成功后，计时单元判断其定时时间是否到达，若否，则返回就重新检测定时间是否到达；若是，则对高、低电平次数进行累加，在计时单元的定时时间内，分别累计高电平次数和低电平次数，并在每次上升沿时对高电平和低电平次数进行求和，得出周期t。接着检测脉冲是否连续，即周期t是否无限增大，若检测到脉冲不连续，则表示存在周期丢失现象，则需要处理模块4对周期进行插入补偿，即以自加的方式刷新速度变量，再进行下一步骤；若检测到的脉冲是连续的，则直接进行下一步骤。下一步骤为判断高、低电平时间比是否在阈值内，正常情况下高低电平时间比在1.5内，即阈值为1.5，如果高低电平时间相差过大，即高、低电平时间比不在阈值内，则本次检测结果丢弃，采用插值法将上次的检测结果插入到本次检测结果中；如果高低电平时间比在阈值内，则以本次的检测结果刷新当前的速度变量。速度检测完成后，通过速度pid运算set-time，处理模块4根据set-time的值进行占空比控制，从而控制脉冲输出。

参照图11和图12，处理模块4连接有用于电机转速调整的转速控制模块5，转速控制模块5的输入端与处理模块4的输出端电连接，用于接收处理模块4输出的控制信号。转速控制模块5包括与处理模块4电连接的驱动单元51和串联于电机供电回路1和驱动单元51之间的开关单元52，驱动单元可以采用光耦元件也可以采用图腾柱等驱动器件，本申请中驱动单元51为包括光发射器和光接收器的光耦元件，图中显示光发射器为发光二极管led，光接收器为光敏三极管q，其中光发射器串联于处理模块4输出端和地之间，光接收器串联于电源和供电回路1之间，且光接收器的光感端朝向光发射器用于接收光发射器发出的光线。本申请中开关单元52为增强型n沟道mos管，且mos管的栅极与光接收器的输出端连通，mos管的漏极与桥式整流单元11连接，mos管的源极与电机连接。当处理模块4检测分析出电机转速过大时，处理模块4输出控制信号使得驱动单元51导通，此时mos管的栅极得电处于高电平，mos管的源极和栅极导通，电机的供电电压降低，电机的转速减慢。

本申请实施例一种串激式电机的转速检测与控制装置的实施原理为：在电机的电刷和换向器的关系确定的情况下，电机旋转一周中，电刷旋转过程中换向生成的换相电流的变化次数是固定，通过获取换相电流的变化周期，从而得到电机的转速。通过电刷测量电机的转速，利用处理模块4对测量过程中的干扰信号进行处理替换，以保证电机转速的测量不受干扰信号的影响。通过处理模块4对电机转速进行分析计算，当处理模块4测得电机转速过大时，通过调整pwm的占空比，输出控制信号，使得控制单元接收对应的控制信号对电机的转速进行调整。本申请中各模块可采用分立式电器连接结构也可以采用集成式电路连接结构。

实施例2

参照图13和图14，本实施例与实施例1的不同之处在于：开关单元52为可控硅scr，本申请中可控硅scr为双向可控硅且串联连接于市电电网上，可控硅scr的g脚与驱动单元51的输出端连接，且可控硅scr与驱动单元51之间设有npn型三极管。三极管的控制极与光接收器的输出端连通，三极管的集电极与电机的供电回路1连通，三极管的发射极接地设置，可控硅scr的g脚与三极管的集电极连接，使得可控硅scr在处理模块4输出的控制信号下控制电机导通。

参照图13和图14，为防止在调速过程中产生大量的高次谐波，处理模块4还连接有过零检测模块7，过零检测模块7包括与处理模块4输入端连接的开关元件，开关元件采用npn型三极管，三极管的集电极与处理模块4信号输入端连接，三极管的控制极与市电电网连接，三极管的发射极接地设置。通过过零检测模块7用于检测交流电是否过零点，以便于处理模块4控制可控硅scr在交流电过零时延迟一定时间后导通。

实施例3

参照图15，本实施例与实施例2的不同之处在于：电机为交流电供电，供电回路1包括与电机并联设置的共模电感单元13和电容滤波单元12，共模电感单元13利用共模电流的同向性，使线圈表现为高阻抗，以产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的效果。

电机与电流采样器之间串联连接有可控硅scr，本申请中可控硅scr为双向可控硅，且可控硅scr的g脚与驱动单元51连接，利用可控硅scr的具有两个方向轮流导通、关断的特性，实现对电机转速的调整控制。可控硅scr的两端并联连接有吸收电路，吸收电路包括相互串联设置第三电容和第八电阻，通过rc阻容吸收电路吸收感应电压，从而保护可控硅。

本申请还公开了一种电机转速检测计算方法，参照图10，电机转速的计算主要包括一下步骤：

步骤s1、给电机上电，处理模块4初始化；

步骤s2、判断计时单元的定时时间是否到达；若否，则重新检测，若是，则进行下一步骤；

步骤s3、高、低电平连续累加；计时单元的定时时间内，分别累加高电平次数和低电平次数，并在每次上升沿时，对高电平次数和低电平次数进行求和，得出周期t；

步骤s4、判断脉冲是否连续；若否，则以自加的方式刷新速度变量，刷新速度变量后再进行下一步骤，若是，则直接进行下一步骤；

步骤s5、判断高、低电平时间比是否在阈值内；若是，则采用移动平均法刷新当前速度变量，若否，则采用插值法以上次的速度变量代替本次的速度变量并刷新；

步骤s6、速度pid运算set-time；

步骤s7、脉冲输出控制；根据set-time的值对脉冲进行控制，使得电机的转速进行相应调整，处理模块4重新开始速度计算。

具体地，给电机上电后，处理模块4开始初始化，初始化内容包括mcu系统初始化、io脚电平初始化、软件uart初始化以及pid函数初始化。初始化成功后，计时单元判断其定时时间是否到达，若否，则返回就重新检测定时间是否到达；若是，则对高、低电平次数进行累加，在计时单元的定时时间内，分别累计高电平次数和低电平次数，并在每次上升沿时对高电平和低电平次数进行求和，得出周期t。接着检测脉冲是否连续，即周期t是否无限增大，若检测到脉冲不连续，则表示存在周期丢失现象，则需要处理模块4对周期进行插入补偿，即以自加的方式刷新速度变量，再进行下一步骤；若检测到的脉冲是连续的，则直接进行下一步骤。下一步骤为判断高、低电平时间比是否在阈值内，正常情况下高低电平时间比在1.5内，即阈值为1.5，如果高低电平时间相差过大，即高、低电平时间比不在阈值内，则本次检测结果丢弃，采用插值法将上次的检测结果插入到本次检测结果中；如果高低电平时间比在阈值内，则以本次的检测结果刷新当前的速度变量。速度检测完成后，通过速度pid运算set-time，处理模块4根据set-time的值进行占空比控制，从而控制脉冲输出。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。