专利名称：用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直流电机转速测量装置，具体地说是用于水下有刷直流电机的测速 装置。
背景技术：
有刷直流电机价格低廉，控制调速简单，应用范围相当广泛，并且在许多应用场合和修 理维护中需要获知电机的转速信息。传统电机测速设备或测速表一般采用测速发电机、霍尔 传感器、光电编码器等传感器件，这些装置必须将一部分设备安装到电机轴上，由电机轴带 动旋转，旋转时将转速信息通过磁场、光等方式发送到电机轴附近的另一部分固定采集设备 上，即需要在电机上另外安装测速装置。该方法既额外消耗电机的输出功率，又增加了设备 的安装、调试复杂程度，同时大幅度提高了系统成本及保养、维修费用，而且在某些机械装 置已经成型的设备中该方法无法应用。
水下设备如水下机器人(简称R0V)、自主式水下机器人(简称AUV)、船舶、舰艇、深水 石油钻台等，对水下部件的密封、耐压能力要求非常严格，特别是深海或全海域应用时对上 述指标要求极高，而有刷直流电机以体积小、结构紧凑、对安装环境要求低、易于实现密封 和高耐压等优点在上述应用中具有不可替代的优势，因此水下设备中广泛采用不同功率的有 刷直流电机作为动力驱动器。多数水下设备在应用中需要获知电机转速信息，例如R0V、 AUV 中需要根据转速计算推力，实现ROV的定位与可控运动。如果在上述电机外部即执行机构上 安装测速装置，将会相当困难甚至无法实现；如果在电机内部安装测速装置，势必造成电机 体积增大，结构复杂，而且为了满足相应的密封、耐压要求则需要更高的制作工艺，甚至要 付出相当昂贵的代价。另外，目前多数研发过程中必须用到电机转速信息以实现闭环控制， 而研发人员都是购买成品的电机设备，现有的水下电机很少有带内部转速检测装置，带有监 测装置的水下电机价格相当高，而且安装、维护成本高；外部安装传感器或寻找电机制造商 定制电机同样需要付出较多时间、精力与费用。 发明内容
本实用新型的目的在于提出了一种适用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，在不 改变电机和执行机构机械设备且与原电机电气系统完全隔离的情况下，能够测量电机转速值、 电机工作电流值，并实现了与上位机的数据交互，方便简单地构建了电机闭环驱动控制系统。
本实用新型是采用以下的技术方案实现的 一种用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，该装置包括钳形表头或霍尔电流传感器和与其连接的控制面板，控制面板上设有数字 显示器，钳形表头或霍尔电流传感器通过波形处理电路与数字显示器连接，控制面板上设有 通信接口，测速装置通过通信接口与上位机连接。
本实用新型中，所述的通信接口可以采用RS232接口、 SPI接口、 USB接口、 CAN接口或 以太网接口。所述的上位机可以是工控机、PC机、单片机或串口HUB。
通过钳形表头或霍尔电流传感器可以测得电机运行时转子绕组的电流波形，将电流波形 分成两路第一路经过带通滤波电路、放大电路、低通滤波电路、过零检测电路取出换向信 息，将该信息送至单片机触发外部中断，计算出电机转速值；第二路经过取绝对值电路、求 平均值电路取出电流信息，送至单片机，经AD转换计算出电流值，电机转速值和电机工作电 流值通过控制面板上的数字显示器即可读出。
本实用新型的有益效果是钳型表头或霍尔电流传感器根据霍尔原理制作，能够实时反
映穿过传感器导体中的电流变化，采集波形信息，同时与穿越导体间电气隔离。使用时将有 刷直流电机单根电源线放入钳形表头或霍尔电流传感器的中心位置即可测量出电机转速和电 机工作电流值，实现了无接触式测量，即不用改变原有电机机械结构且与原电机电气系统完
全隔离；其次，通过该测速装置可以设定上下限和预值转速，当转速值超出上限或低于下限
或等于预值时，给出声音警报并触发内置继电器，使接到该装置上的电器设备，如接触器或
控制开关等动作，起到保护或控制作用；另外，该测速装置能够通过RS232或其他形式的接 口电路将测得的参数上传至上位机，同时上位机也可以通过接口电路对测速装置进行设置， 研发人员可以利用该测速装置简单、方便地实现电机的闭环控制，降低研发费用，縮短研发 时间。由于水下设备都带有供电、安放设备负压舱，此装置可以放置在负压舱中，无需防水 耐压处理，因此本实用新型结构简单，制造和使用成本低，无需改变直流电机和执行结构机 械设备，使用方便。
图l为本实用新型的主视图2为本实用新型的后视图3为图2中RS232接口的局部放大图4为本实用新型的电器结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，该测速装置包括钳形表头1和控制面板2，钳形表头1与控制面板2之间 通过钳头扳机3连接钳形表头1安装于控制面板2上，通过钳头扳机3可以打开或闭合钳型表头l，控制面板2的正面设有液晶数字显示器3、开关机按钮5、 Hold按钮7、 Alt按钮6、 拨码开关8，控制面板2的背面设有蜂鸣器9、告警输出接头10和RS232接口 11。该装置通 过RS232接口 ll与上位机通信。钳形表头1根据霍尔原理制作，当电机运行时，转子绕组通 过换向器获得电流，每一次换向，流过换向绕组的电流都会发生从有到无或者从无到有的过 程，由于转子绕组是感性负载，电流变化反映到电机供电电源上变成纹波电流，通过检测单 位时间内换向纹波数，再除以电机换向器槽数，就可以得到单位时间电机转数。
如图4所示，通过钳型表头测得电机运行的电流波形后，电流波形分成两路第一路经 过带通滤波电路、放大电路、低通滤波电路、过零检测电路取出换向信息，将该信息送至单 片机触发外部中断，计算出电机转速值；第二路经过取绝对值电路、求平均值电路取出电流 信息，送至单片机，经AD转换器计算出电流值，通过液晶数字显示器即可读出相应的转速值 或电流值。波形的获取及处理由模拟电路实现。
本测速装置的具体使用方法如下所述
1、 测转速打开电源开关6，连接负载，将单根有刷直流电机电源线垂直穿越钳形表头l的 中心，按住钳头扳机3打开钳形表头1，使钳形表头1夹取待测导体，然后缓慢地放开扳机3， 直至钳形表头l完全闭合，并保证待测导体被夹取在钳头1的中央，如果未置于钳头中心位 置会产生附加误差；然后，通过拨码开关8设置有刷直流电机换向器槽数，该数据可从电机 铭牌或说明书中获�。淮允酒�3示数趋于稳定后，按Hold按钮7，读取电机转速，转速值 的单位为转/分。
2、 测电流打开电源开关5;按下Alt按钮6并按照测转速中的步骤连接负载，将待测电流 单一导体垂直穿越钳形表头1的中心；通过拨码键盘设置电流量程；待显示器4示数趋于稳 定后，按Hold按钮7，读取待测电流值，电流单位为安培。
3、 报警功能长按Hold按钮7，待蜂鸣器9响后进入报警设置模式，该模式下可以设定一 个上限， 一个下限，七个预值，可利用拨码键盘对其进行设定；设定好后，当转速超过上限 或者低于下限或者等于任意一个预值时发出报警声响，同时报警输出接头的1-2断开，2-3 闭合，报警输出容量为[email protected]。设定完后长按Hold按钮7，待蜂鸣器9响后退出报警设 置模式。
4、 数据传输用串口直通线连接钳形测速表RS232接口 11与上位机RS232接口，上位机可 以是工控机、PC、单片机或串口HUB。使用RS232的GND (1)、 RX (2)、 TX (3)三个端口接 收、发送数据。
本实用新型测速原理是通过测量纹波频率并经过一定的运算实现的，频率测量和数据运算都是由单片机完成的。其中频率测量可以通过如下方法实现低端频率采用周期测频法， 以下简称周期法，中间频率采用多周期测频法，以下简称多周期法，高端频率采用直接测频 法，以下简称频率法。周期法适用于低频信号，采用单片机内的一个定时/计数器，以单片机 内的标准机器周期作为标准时基信号Ts。被测信号的周期作为信号闸门，由程序控制开关对时 基进行计数得nx ，因此被测信号周期为Tx 二 nxXTs 。多周期法适用于中频信号，首先，由单 片机或相应控制电路给出闸门开启信号，此时计数器并不开始计数，而是等到被测信号的上 升沿到来时才真正开始计数。然后，两级计数器分别对被测信号和标准信号计数，当单片机给 出闸门关闭信号后，计数器并不立即停止计数而是等到被测信号上升沿来到的时刻才真正结 束计数，从而完成一次测量过程。设被测信号的计数值为Nx，时基信号的计数值为N,，时基信 号的频率为f ，则被测信号的频率为f, :N,Xf。/N。。频率法适用于高频信号，利用单片机 内的两个定时/计数器， 一个作为定时器给出标准闸门信号Tz ，另一个作为计数器对f,的 变化次数直接进行计数得Nx ， fx =NX/TZ 。设测得的纹波频率为f，有刷直流电机槽数为N" 则电机转速S可有下式给出S=f/Nm 。以上公式的运算过程都是在单片机中通过浮点运算实 现的。
所述的钳形表头可以由霍尔电流传感器代替，使用时，将单根有刷直流电机电源线放入 霍尔电流传感器即可采集相应的波形信息，控制面板可以根据具体的工作需要设计成其它外 观形式；另外钳形表头钳形表也可以采用SPI、 CAN、 USB、以太网等其它多种接口与上位机 通信。
权利要求1、一种用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，其特征在于该装置包括钳形表头或霍尔电流传感器和与其连接的控制面板，控制面板上设有数字显示器，钳形表头或霍尔电流传感器通过波形处理电路与数字显示器连接，控制面板上设有通信接口，测速装置通过通信接口与上位机连接。
2、 根据权利要求l所述的用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，其特征在于所述的通信接口采用RS232接口、 SPI接口、 USB接口、 CAN接口或以太网接口。
3、 根据权利要求1所述的用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，其特征在于所 述的上位机采用工控机、PC机、单片机或串口HUB。
4、 根据权利要求l所述的用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，其特征在于所 述的波形处理电路包括带通滤波电路、放大电路、低通滤波电路、过零检测电路，并输入单 片机触发外部中断。
5、 根据权利要求l所述的用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，其特征在于所述的波形处理电路包括取绝对值电路、求平均值电路，输入单片机的AD转换器。
专利摘要本实用新型是一种用于水下有刷直流电机的无接触式测速装置，属于直流电机转速测量领域。该装置包括钳形表头或霍尔电流传感器和与其连接的控制面板，控制面板上设有数字显示器，钳形表头或霍尔电流传感器通过波形处理电路与数字显示器连接，控制面板上设有通信接口，测速装置通过通信接口与上位机连接。其在不改变电机和执行机构机械设备且与原电机电气系统完全隔离的情况下，能够测量电机转速值、电机工作电流值，并实现了与上位机的数据交互，方便简单地构建了电机闭环驱动控制系统。
文档编号G01P3/46GK201302576SQ20082022515
公开日2009年9月2日 申请日期2008年12月6日 优先权日2008年12月6日
发明者任红恩, 波 何, 韩盈盈 申请人:中国海洋大学
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