用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置的製作方法

2023-06-14 00:29:26 1

專利名稱：用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種直流電機轉速測量裝置，具體地說是用於水下有刷直流電機的測速 裝置。
背景技術：
有刷直流電機價格低廉，控制調速簡單，應用範圍相當廣泛，並且在許多應用場合和修 理維護中需要獲知電機的轉速信息。傳統電機測速設備或測速表一般採用測速發電機、霍爾 傳感器、光電編碼器等傳感器件，這些裝置必須將一部分設備安裝到電機軸上，由電機軸帶 動旋轉，旋轉時將轉速信息通過磁場、光等方式發送到電機軸附近的另一部分固定採集設備 上，即需要在電機上另外安裝測速裝置。該方法既額外消耗電機的輸出功率，又增加了設備 的安裝、調試複雜程度，同時大幅度提高了系統成本及保養、維修費用，而且在某些機械裝 置已經成型的設備中該方法無法應用。
水下設備如水下機器人(簡稱R0V)、自主式水下機器人(簡稱AUV)、船舶、艦艇、深水 石油鑽臺等，對水下部件的密封、耐壓能力要求非常嚴格，特別是深海或全海域應用時對上 述指標要求極高，而有刷直流電機以體積小、結構緊湊、對安裝環境要求低、易於實現密封 和高耐壓等優點在上述應用中具有不可替代的優勢，因此水下設備中廣泛採用不同功率的有 刷直流電機作為動力驅動器。多數水下設備在應用中需要獲知電機轉速信息，例如R0V、 AUV 中需要根據轉速計算推力，實現ROV的定位與可控運動。如果在上述電機外部即執行機構上 安裝測速裝置，將會相當困難甚至無法實現；如果在電機內部安裝測速裝置，勢必造成電機 體積增大，結構複雜，而且為了滿足相應的密封、耐壓要求則需要更高的製作工藝，甚至要 付出相當昂貴的代價。另外，目前多數研發過程中必須用到電機轉速信息以實現閉環控制， 而研發人員都是購買成品的電機設備，現有的水下電機很少有帶內部轉速檢測裝置，帶有監 測裝置的水下電機價格相當高，而且安裝、維護成本高；外部安裝傳感器或尋找電機製造商 定製電機同樣需要付出較多時間、精力與費用。 發明內容
本實用新型的目的在於提出了一種適用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，在不 改變電機和執行機構機械設備且與原電機電氣系統完全隔離的情況下，能夠測量電機轉速值、 電機工作電流值，並實現了與上位機的數據交互，方便簡單地構建了電機閉環驅動控制系統。
本實用新型是採用以下的技術方案實現的 一種用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，該裝置包括鉗形表頭或霍爾電流傳感器和與其連接的控制面板，控制面板上設有數字 顯示器，鉗形表頭或霍爾電流傳感器通過波形處理電路與數字顯示器連接，控制面板上設有 通信接口，測速裝置通過通信接口與上位機連接。
本實用新型中，所述的通信接口可以採用RS232接口、 SPI接口、 USB接口、 CAN接口或 乙太網接口。所述的上位機可以是工控機、PC機、單片機或串口HUB。
通過鉗形表頭或霍爾電流傳感器可以測得電機運行時轉子繞組的電流波形，將電流波形 分成兩路第一路經過帶通濾波電路、放大電路、低通濾波電路、過零檢測電路取出換向信 息，將該信息送至單片機觸發外部中斷，計算出電機轉速值；第二路經過取絕對值電路、求 平均值電路取出電流信息，送至單片機，經AD轉換計算出電流值，電機轉速值和電機工作電 流值通過控制面板上的數字顯示器即可讀出。
本實用新型的有益效果是鉗型表頭或霍爾電流傳感器根據霍爾原理製作，能夠實時反
映穿過傳感器導體中的電流變化，採集波形信息，同時與穿越導體間電氣隔離。使用時將有 刷直流電機單根電源線放入鉗形表頭或霍爾電流傳感器的中心位置即可測量出電機轉速和電 機工作電流值，實現了無接觸式測量，即不用改變原有電機機械結構且與原電機電氣系統完
全隔離；其次，通過該測速裝置可以設定上下限和預值轉速，當轉速值超出上限或低於下限
或等於預值時，給出聲音警報並觸發內置繼電器，使接到該裝置上的電器設備，如接觸器或
控制開關等動作，起到保護或控制作用；另外，該測速裝置能夠通過RS232或其他形式的接 口電路將測得的參數上傳至上位機，同時上位機也可以通過接口電路對測速裝置進行設置， 研發人員可以利用該測速裝置簡單、方便地實現電機的閉環控制，降低研發費用，縮短研發 時間。由於水下設備都帶有供電、安放設備負壓艙，此裝置可以放置在負壓艙中，無需防水 耐壓處理，因此本實用新型結構簡單，製造和使用成本低，無需改變直流電機和執行結構機 械設備，使用方便。

圖l為本實用新型的主視圖2為本實用新型的後視圖3為圖2中RS232接口的局部放大圖4為本實用新型的電器結構示意圖。
具體實施方式

如圖1所示，該測速裝置包括鉗形表頭1和控制面板2，鉗形表頭1與控制面板2之間 通過鉗頭扳機3連接鉗形表頭1安裝於控制面板2上，通過鉗頭扳機3可以打開或閉合鉗型表頭l，控制面板2的正面設有液晶數字顯示器3、開關機按鈕5、 Hold按鈕7、 Alt按鈕6、 撥碼開關8，控制面板2的背面設有蜂鳴器9、告警輸出接頭10和RS232接口 11。該裝置通 過RS232接口 ll與上位機通信。鉗形表頭1根據霍爾原理製作，當電機運行時，轉子繞組通 過換向器獲得電流，每一次換向，流過換向繞組的電流都會發生從有到無或者從無到有的過 程，由於轉子繞組是感性負載，電流變化反映到電機供電電源上變成紋波電流，通過檢測單 位時間內換向紋波數，再除以電機換向器槽數，就可以得到單位時間電機轉數。
如圖4所示，通過鉗型表頭測得電機運行的電流波形後，電流波形分成兩路第一路經 過帶通濾波電路、放大電路、低通濾波電路、過零檢測電路取出換向信息，將該信息送至單 片機觸發外部中斷，計算出電機轉速值；第二路經過取絕對值電路、求平均值電路取出電流 信息，送至單片機，經AD轉換器計算出電流值，通過液晶數字顯示器即可讀出相應的轉速值 或電流值。波形的獲取及處理由模擬電路實現。
本測速裝置的具體使用方法如下所述
1、 測轉速打開電源開關6，連接負載，將單根有刷直流電機電源線垂直穿越鉗形表頭l的 中心，按住鉗頭扳機3打開鉗形表頭1，使鉗形表頭1夾取待測導體，然後緩慢地放開扳機3， 直至鉗形表頭l完全閉合，並保證待測導體被夾取在鉗頭1的中央，如果未置於鉗頭中心位 置會產生附加誤差；然後，通過撥碼開關8設置有刷直流電機換向器槽數，該數據可從電機 銘牌或說明書中獲取；待顯示器3示數趨於穩定後，按Hold按鈕7，讀取電機轉速，轉速值 的單位為轉/分。
2、 測電流打開電源開關5;按下Alt按鈕6並按照測轉速中的步驟連接負載，將待測電流 單一導體垂直穿越鉗形表頭1的中心；通過撥碼鍵盤設置電流量程；待顯示器4示數趨於穩 定後，按Hold按鈕7，讀取待測電流值，電流單位為安培。
3、 報警功能長按Hold按鈕7，待蜂鳴器9響後進入報警設置模式，該模式下可以設定一 個上限， 一個下限，七個預值，可利用撥碼鍵盤對其進行設定；設定好後，當轉速超過上限 或者低於下限或者等於任意一個預值時發出報警聲響，同時報警輸出接頭的1-2斷開，2-3 閉合，報警輸出容量為1A@400VAC。設定完後長按Hold按鈕7，待蜂鳴器9響後退出報警設 置模式。
4、 數據傳輸用串口直通線連接鉗形測速表RS232接口 11與上位機RS232接口，上位機可 以是工控機、PC、單片機或串口HUB。使用RS232的GND (1)、 RX (2)、 TX (3)三個埠接 收、發送數據。
本實用新型測速原理是通過測量紋波頻率並經過一定的運算實現的，頻率測量和數據運算都是由單片機完成的。其中頻率測量可以通過如下方法實現低端頻率採用周期測頻法， 以下簡稱周期法，中間頻率採用多周期測頻法，以下簡稱多周期法，高端頻率採用直接測頻 法，以下簡稱頻率法。周期法適用於低頻信號，採用單片機內的一個定時/計數器，以單片機 內的標準機器周期作為標準時基信號Ts。被測信號的周期作為信號閘門，由程序控制開關對時 基進行計數得nx ，因此被測信號周期為Tx 二 nxXTs 。多周期法適用於中頻信號，首先，由單 片機或相應控制電路給出閘門開啟信號，此時計數器並不開始計數，而是等到被測信號的上 升沿到來時才真正開始計數。然後，兩級計數器分別對被測信號和標準信號計數，當單片機給 出閘門關閉信號後，計數器並不立即停止計數而是等到被測信號上升沿來到的時刻才真正結 束計數，從而完成一次測量過程。設被測信號的計數值為Nx，時基信號的計數值為N,，時基信 號的頻率為f ，則被測信號的頻率為f, :N,Xf。/N。。頻率法適用於高頻信號，利用單片機 內的兩個定時/計數器， 一個作為定時器給出標準閘門信號Tz ，另一個作為計數器對f,的 變化次數直接進行計數得Nx ， fx =NX/TZ 。設測得的紋波頻率為f，有刷直流電機槽數為N" 則電機轉速S可有下式給出S=f/Nm 。以上公式的運算過程都是在單片機中通過浮點運算實 現的。
所述的鉗形表頭可以由霍爾電流傳感器代替，使用時，將單根有刷直流電機電源線放入 霍爾電流傳感器即可採集相應的波形信息，控制面板可以根據具體的工作需要設計成其它外 觀形式；另外鉗形表頭鉗形表也可以採用SPI、 CAN、 USB、乙太網等其它多種接口與上位機 通信。
權利要求1、一種用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，其特徵在於該裝置包括鉗形表頭或霍爾電流傳感器和與其連接的控制面板，控制面板上設有數字顯示器，鉗形表頭或霍爾電流傳感器通過波形處理電路與數字顯示器連接，控制面板上設有通信接口，測速裝置通過通信接口與上位機連接。
2、 根據權利要求l所述的用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，其特徵在於所述的通信接口採用RS232接口、 SPI接口、 USB接口、 CAN接口或乙太網接口。
3、 根據權利要求1所述的用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，其特徵在於所 述的上位機採用工控機、PC機、單片機或串口HUB。
4、 根據權利要求l所述的用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，其特徵在於所 述的波形處理電路包括帶通濾波電路、放大電路、低通濾波電路、過零檢測電路，並輸入單 片機觸發外部中斷。
5、 根據權利要求l所述的用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，其特徵在於所述的波形處理電路包括取絕對值電路、求平均值電路，輸入單片機的AD轉換器。
專利摘要本實用新型是一種用於水下有刷直流電機的無接觸式測速裝置，屬於直流電機轉速測量領域。該裝置包括鉗形表頭或霍爾電流傳感器和與其連接的控制面板，控制面板上設有數字顯示器，鉗形表頭或霍爾電流傳感器通過波形處理電路與數字顯示器連接，控制面板上設有通信接口，測速裝置通過通信接口與上位機連接。其在不改變電機和執行機構機械設備且與原電機電氣系統完全隔離的情況下，能夠測量電機轉速值、電機工作電流值，並實現了與上位機的數據交互，方便簡單地構建了電機閉環驅動控制系統。
文檔編號G01P3/46GK201302576SQ20082022515
公開日2009年9月2日 申請日期2008年12月6日 優先權日2008年12月6日
發明者任紅恩, 波 何, 韓盈盈 申請人:中國海洋大學