摘 要

直流电机转速的测量是直流电机检测中重要的部分，传统的电机转速检测方法大多数是通过安装附加装置来进行测量。由于需要电机安装附加装置、检测效率低等原因已经无法满足大批量生产电机的检验需求，在此背景下，本文研究了基于脉动电流的电机测速系统。

本文介绍了国内外的直流电机测速系统的研究状况和传统的直流电机转速测量方法，分析了直流电机的工作原理以及电枢电流与换向过程之间的关系，修正了转速与换向脉动频率的表达式；详细分析了齿槽效应、转子偏心等对电机电枢电流的影响，找出了二分之一错误转速产生的原因是由于电刷移位，采用规定频率提取范围的方法来减小电刷移位所产生的干扰。脉动电流测转速系统是基于测试电流频率来获取电机转速的原理。系统通过电流互感器采集电流，经过差分放大电路、电压比较器将电流转化为脉冲信号，由单片机处理后经数码管显示。在软件设计方面则由脉冲采集计数程序和转速显示程序两部分组成。

通过脉动电流测试系统的测速结果发现，脉动电流测直流电机转速是可以实现的，而且测速误差较小，但是电路组成相对于其它方法要复杂一些，要想在工厂中进行批量电机测试还需要不断改进。

关键词：直流电动机；脉动电流；转速检测

Abstract

DC motor speed measurement is an important part of DC motor testing, the traditional motor speed detection methods are mostly through the installation of additional equipment to carry out the measurement. Due to the need of motor installation attachment, low detection efficiency and so on, can not meet the requirements of mass production of motor testing, in this context, this paper studies the motor speed measurement system based on pulse current.

Is introduced in this paper research status at home and abroad of the DC motor speed system and the traditional DC motor speed measurement method, analysis the relationship between the working principle of DC motor and armature current and current commutation process, fixed speed and reversing pulsating frequency expressions; influences the effect of slot and the rotor eccentricity of motor commutation current are analyzed in detail, confirmed the 1 / 2 frequency interference is due to the effect of brush shift, and the limited frequency range of the method to get the accurate rotational speed. The pulse current measurement system is based on the test current frequency to obtain the principle of the motor speed. System through the current transformer acquisition current, through the differential amplifier circuit, voltage comparator current into a pulse signal, by the single-chip processing by digital tube display. In the aspect of software design, it is composed of two parts, which are pulse sampling and counting procedure and speed display program.

Through speed pulsating current test system it was found that the pulse current measuring DC motor speed can be achieved, and velocity error is small, but the circuit is composed of relative to other methods to complex, to want to batch testing of motor in the factory also need to continue to improve.

Key Words：DC motor; pulse current; rotating speed detection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及目的 1

1.2 电机测速技术的发展与方法分析 1

1.3 脉动电流测速的原理 2

1.4 研究的内容和设计 3

第2章 直流电机脉动电流测速原理及问题分析 4

2.1 换向电流脉动频率 4

2.2 错误转速问题分析 5

2.2.1 齿槽转矩影响分析 5

2.2.2 转子偏心引起的电流波动分析 6

2.2.3 电刷偏移对电流的影响 6

2.4 针对问题的结论 9

第3章 脉动电流直流电机测速系统的设计 10

3.1 电机供电电源 10

3.2 脉动电流取样 10

3.2.1取样电路方案选择 10

3.2.2 电流互感器选型 11

3.3 差分放大电路 11

3.4 电压比较器 12

3.5 单片机系统 13

3.5.1 单片机计数器和计时器 13

3.5.2 脉冲信号采集 14

3.5.3 复位电路和晶振电路 15

3.6 显示部分设计 16

3.7 系统软件的设计 17

3.7.1 脉冲的采集计算 18

3.7.2 转速显示 20

第4章 实验结果与分析 22

第5章 总 结 23

参考文献 24

致 谢 25

附录A系统总电路图 26

附录B 系统总程序 27

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及目的

随着时代的发展，电机也取得了巨大的进步，从体型巨大的工厂电机到小巧精致的微型电机，电机不仅种类更加丰富，使用范围也是越来越广，电机的大量使用使人们的生产生活得到很大的提高。

在众多电机之中，直流电机是最早出现并且实现调速的，虽然直流电机在不断地面临着其它电动机的冲击，但是因为直流电动机自身所具有的的特性，使得它一直被广泛应用，正是因为直流电机有着这样巨大的应用价值，人们才一直没有停止对直流电机的研究。而转速是一个电机运行状态的表现，其参数对电机十分重要，往往电机的正常与否大多是可以从电机转速上所察觉^[1]。

传统的直流电机测速方法种类繁多，并且已经应用了较长的时间，其自身都具有各种各样的优点，但是在这些方法上都有着同样的使用缺陷^[2]。如果在测试电机出于某种考虑而限制不能为电机安装器件，那么这些方法都不能采用。并且从实际应用的角度出发，现在工厂是大批量生产电机，为每台电机安装和拆除附加装置是一个庞大的工作量，不仅耗时也需要不少人力，显然是不符合实际的应用。

在此种电机测速需求之下，研究一种不需要电机外部安装器件的测速方法是十分具有实用价值的。本设计所采用的脉动电流的直流电机转速测量方法就是为了在不允许对电机施加外部安装的条件下采用的。测速系统直接和电机运行电路相连，采集电机的脉动电枢电流，获取其脉动频率，根据脉动频率和电机转速的关系来计算出电机的转速。这样的测速方法无附加装置、操作简便、对电机测速较快，十分符合现阶段对直流电机测速方法的要求

1.2 电机测速技术的发展与方法分析

电机测速技术的发展历程比较缓慢，很长一段时间里人们都是手工操作仪器对电机相关参数进行初步的测量，器材虽然很简单但是易操作，使用寿命较长，但它的缺点也相对明显：精度差而且灵敏度低，功能单一，只适合粗略测量，不能进行高精度的数据测试^[3]。经过了手工测量仪器之后，低精度的测试仪表已经无法满足对电机变量的测速要求，采用什么样的新方法来解决当前的困境是众人所关注的。这时，电力电子技术为世人打开了局面，数字化的测速设备与电机测速新技术一起为世人提供了更加快速、直观而准确的测速途径^[4]。