波形轉換電路、轉速檢測裝置和電機系統的製作方法

2023-05-09 19:13:41 2

本發明涉及一種將不同波形類型的信號進行轉換的電路，其可用於對模擬信號頻率的精準檢測。本發明也涉及一種對轉動機械進行轉速檢測的裝置。本發明還涉及一種電機系統。

背景技術：

在電機所應用於的裝置中，例如具有智能控制功能的水泵裝置，需要對電機的轉速進行檢測，並將檢測結果反饋給水泵裝置的控制單元，譬如附有晶片等控制電路的PCB(Printed Circuit Board，印刷電路板)。目前的檢測方式是在電機軸處安裝一個霍爾傳感器，利用霍爾傳感器檢測電機軸的轉速，並將信號輸出給水泵裝置的PCB。

譬如，霍爾傳感器工作在5V電壓下，當電機轉動時，霍爾傳感器感應到磁場的不斷變化，進而持續產生低電平為0V、高電平為5V的方波信號，即數位訊號，輸出至水泵的PCB中，PCB上的控制單元根據該方波信號的頻率判斷出電機的轉速。由於霍爾傳感器輸出的為數位訊號，抗幹擾能力強，無噪聲積累，因此，可以據此計算出準確的轉速值。

由於實際生產或者商業操作方面的原因，利用霍爾傳感器完成上述檢測往往不是最佳選擇，因此，有必要尋求替代裝置以實現電機轉速的檢測。一個可能的方案是利用輸出信號為模擬信號的轉速感應器檢測轉速，但是，此類轉速感應器輸出的模擬信號容易受到各種幹擾而產生失真，因此控制單元根據該模擬信號計算出的轉速往往發生偏差。於是，往往不傾向於利用此類轉速感應器在對檢測精準度要求較高的場合檢測機械的轉速。

技術實現要素：

本發明的波形轉換電路旨在解決輸出信號為模擬信號的轉速感應器難以應用於對檢測精準度要求較高場合下進行轉速檢測的技術問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種波形轉換電路，包括模擬信號正輸入埠、模擬信號負輸入埠、恆壓輸入埠、開關裝置和輸出端上拉電路，

所述開關裝置具有正輸入端、負輸入端、低電平端和方波信號輸出端，所述模擬信號正輸入埠與所述開關裝置的正輸入端連接，所述模擬信號負輸入埠與所述開關裝置的負輸入端連接，

所述輸出端上拉電路的輸出端與所述方波信號輸出端連接，該輸出端上拉電路的輸入端接所述恆壓輸入埠；

當所述開關裝置導通，所述方波信號輸出端與所述開關裝置的低電平端連通，該方波信號輸出端輸出低電平，

當所述開關裝置斷開，所述方波信號輸出端與所述開關裝置的低電平端斷路，該方波信號輸出端輸出高電平。

為解決上述技術問題，本發明還提供另一種波形轉換電路，包括模擬信號正輸入埠、模擬信號負輸入埠、恆壓輸入埠、開關裝置和輸出端下拉電路，

所述開關裝置具有正輸入端、負輸入端、高電平端和方波信號輸出端，所述模擬信號正輸入埠與所述開關裝置的正輸入端連接，所述模擬信號負輸入埠與所屬開關裝置的負輸入端連接，所述恆壓輸入埠分別與所述開關裝置的正輸入端和高電平端連接，

所述輸出端下拉電路的一端與所述方波信號輸出端連接，該輸出端下拉電路的另一端接地；

當所述開關裝置導通，所述方波信號輸出端與所述開關裝置的高電平端連通，所述方波信號輸出端輸出高電平，

當所述開關裝置斷開，所述方波信號輸出端與所述開關裝置的高電平端斷路，所述方波信號輸出端輸出低電平。

為實現對轉動機械的轉速進行精確檢測，本發明提供一種轉速檢測裝置，包括用於檢測轉速並輸出模擬信號的轉速感應器和上述波形轉換電路，所述轉速感應器接於所述模擬信號正輸入埠和所述模擬信號負輸入埠之間。

為實現具有對電機轉速進行精確檢測功能的電機系統，一種電機系統，包括電機和上述轉速檢測裝置，所述轉速感應器安裝於所述電機的電機軸上用於感應該電機軸的轉速。

為實現同樣的目的，本發明還提供另一種電機系統，包括電機、用於檢測所述電機轉速並輸出模擬信號的轉速感應器、PCB板和上述波形轉換電路，所述轉速感應器和所述波形轉換電路均安裝於所述電機上，所述PCB板上附有處理器和 恆壓電源，所述轉速感應器接於所述模擬信號正輸入埠和所述模擬信號負輸入埠之間，所述處理器與所述方波信號輸出端連接，所述恆壓電源與所述恆壓輸入端連接。

本發明能夠實現模擬信號轉換為方波信號，且元器件數量少，成本低廉，製造工藝簡單。本發明能夠起到類似於霍爾傳感器的作用，實現對轉速的精確檢測，從而為通過霍爾傳感器實現轉速檢測之外，又提供一種全新的轉速檢測方式。

附圖說明

圖1為轉速檢測裝置一個實施例的結構示意圖，其中採用了第一實施例的波形轉換電路，且屬于波形轉換電路中選用NPN型三極體作為開關管的情形；

圖2為轉速檢測裝置一個實施例的結構示意圖，其中採用了第一實施例的波形轉換電路，且屬于波形轉換電路中選用N-MOSFET作為開關管的情形；

圖3為轉速檢測裝置一個實施例的結構示意圖，其中採用了第二實施例的波形轉換電路，且屬于波形轉換電路中選用PNP型三極體作為開關管的情形；

圖4為轉速檢測裝置一個實施例的結構示意圖，其中採用了第二實施例的波形轉換電路，且屬于波形轉換電路中選用P-MOSFET作為開關管的情形；

圖5為本發明第一實施例的電機系統結構示意圖(部分結構)；

圖6為圖5所示結構的部分結構的結構示意圖。

具體實施方式

作為本發明波形轉換電路的第一實施例，如圖1、2所示，該波形轉換電路99包括模擬信號正輸入埠11a、模擬信號負輸入埠11b、恆壓輸入埠12、開關裝置13和輸出端上拉電路14，開關裝置13具有正輸入端131a、負輸入端131b、低電平端132和方波信號輸出端133，模擬信號正輸入埠11a與開關裝置13的正輸入端131a連接，模擬信號負輸入埠11b與開關裝置13的負輸入端131b連接，輸出端上拉電路14的輸出端與方波信號輸出端133連接，該輸出端上拉電路14的輸入端接恆壓輸入埠12；當開關裝置13導通，方波信號輸出端133與開關裝置13的低電平端132連通，該方波信號輸出端133輸出低電平，當開關裝置13斷開，方波信號輸出端133與開關裝置13的低電平端132斷路，該方波信號輸出端133輸出高電平。

其中，開關裝置13包括保護電路13a、偏置電路13b和開關管，保護電路13a接於開關裝置13的正輸入端131a與開關管之間，偏置電路13b接於開關裝置 13的負輸入端131b與開關管之間。開關管可選用雙極性電晶體、場效應管等三極性開關元件。譬如，如圖1所示，開關管選用NPN型三極體，NPN型三極體的發射極接開關裝置13的低電平端132，其集電極接方波信號輸出端133，其基極分別接保護電路13a的一端和偏置電路13b的一端，保護電路13a的另一端接開關裝置13的正輸入端131a，偏置電路13b的另一端接開關裝置13的負輸入端131b；NPN型三極體工作於截止區和飽和區。又譬如，如圖2所示，開關管選用N-MOSFET，N-MOSFET的源極接開關裝置13的低電平端132，其漏極接方波信號輸出端133，其柵極分別接保護電路13a的一端和偏置電路13b的一端，保護電路13a的另一端接開關裝置13的正輸入端131a，偏置電路13b的另一端接開關裝置13的負輸入端131b；N-MOSFET工作於截止區和變阻區。

優選的，如圖1、2所示，保護電路13a主要包括接於開關裝置13的正輸入端131a和開關管之間的電阻R1，偏置電路13b主要包括接於開關裝置13的負輸入端131b和開關管之間的電阻R2.電阻R1與NPN型三極體搭配，起到防止NPN型三極體基極電流過大的作用；電阻R1與N-MOSFET搭配，起到防止N-MOSFET刪、源極電壓過高的作用；另外，電阻R1與R2配合，為NPN型三極體或N-MOSFET提供偏置電壓。輸出端上拉電路14可以採用熟知的電路結構，在本實施例中，為使電路更為簡化，採用電阻R3作為輸出端上拉電路14，接於恆壓輸入埠12和方波信號輸出端133之間，如圖1、2所示。

優選的，如圖1、2所示，本實施例的波形轉換電路99還包括接於模擬信號正輸入埠11a和開關裝置13的正輸入端131a之間的濾波裝置15；開關裝置13的低電平端132接地。濾波裝置15可選用濾波二極體D1，濾除無關信號，減少幹擾，譬如通過濾波二極體濾除模擬輸入電壓信號負半周的信號。

工作時，待轉換的模擬信號自模擬信號正輸入埠11a和模擬信號負輸入埠11b輸入波形轉換電路99，直接或經濾波裝置15濾波後送達開關裝置13，當該模擬信號施加到開關裝置13電壓高於該開關裝置13的導通閾值電壓時，開關裝置13導通，開關裝置13的方波信號輸出端133和其低電平端132接通，方波信號輸出端133的電平被拉低，其對外輸出低電平；當該模擬信號施加到開關裝置13電壓不高於該開關裝置13的導通閾值電壓時，開關裝置13斷開，開關裝置13的方波信號輸出端133和其低電平端132斷路，方波信號輸出端133的電平被輸出端上拉電路14的輸出電平拉高，其對外輸出高電平。這樣，波形轉換裝置99就將輸入的模擬信號轉換為方波信號輸出，通過選用合適的元器件，能保證兩者具備基本相同的頻率。具體的，譬如當開關裝置13選用NPN型三極體時，開關裝置13的導通閾值電壓即為該三極體的偏置導通電壓，由於三極體偏置導通門檻電壓的存在，波形轉換電路輸出的方波跳轉邊沿會存在一定的傾斜，但這可以通過選擇靈敏度更 高的三極體來使該傾斜度更小邊沿更加陡峭，從而使方波信號輸出端133的輸出信號更接近於理想方波。

作為本發明波形轉換電路的第二實施例，如圖3、4所示，該波形轉換電路99包括模擬信號正輸入埠21a、模擬信號負輸入埠21b、恆壓輸入埠22、開關裝置23和輸出端下拉電路24，開關裝置23具有正輸入端231a、負輸入端231b、高電平端232和方波信號輸出端233，模擬信號正輸入埠21a與開關裝置23的正輸入端231a連接，模擬信號負輸入埠21b與開關裝置的負輸入端231b連接，恆壓輸入埠22分別與開關裝置23的正輸入端231a和高電平端232連接，輸出端下拉電路24的一端與方波信號輸出端233連接，該輸出端下拉電路24的另一端接地；當開關裝置23導通，方波信號輸出端233與開關裝置23的高電平端232連通，方波信號輸出端233輸出高電平；當開關裝置23斷路，方波信號輸出端233與開關裝置23的高電平端232斷接，方波信號輸出端233輸出低電平。

其中，開關裝置23包括偏置電路23a、保護電路23b和開關管，偏置電路23a接於開關裝置23的正輸入端231a與開關管之間，保護電路23b接於開關裝置23的負輸入端231b和開關管之間。開關管可選用雙極性電晶體、場效應管等三極性開關元件。譬如，如圖3所示，開關管選用PNP型三極體，PNP型三極體的發射極接開關裝置23的高電平端232，其集電極接方波信號輸出端233，其基極分別接偏置電路23a的一端和保護電路23b的一端，偏置電路23a的另一端接開關裝置23的正輸入端231a，保護電路23b的另一端接開關裝置23的負輸入端231b；PNP型三極體工作於截止區和飽和區。又譬如，如圖4所示，開關管選用P-MOSFET，P-MOSFET的源極接開關裝置23的高電平端232，其漏極接方波信號輸出端233，其柵極分別接偏置電路23a的一端和保護電路23b的一端，偏置電路23a的另一端接開關裝置23的正輸入端231a，保護電路23b的另一端接開關裝置23的負輸入端231b；P-MOSFET工作於截止區和變阻區。

優選的，如圖3、4所示，偏置電路23a主要包括接於開關裝置23的正輸入端231a和開關管之間的電阻R4，保護電路23b主要包括接於開關裝置23的負輸入端231b和開關管之間的電阻R5.電阻R5與PNP型三極體搭配，起到防止PNP型三極體基極電流過大的作用；電阻R5與P-MOSFET搭配，起到防止P-MOSFET刪、源極電壓過高的作用；另外，電阻R5與R4配合，為PNP型三極體或P-MOSFET提供偏置電壓。輸出端下拉電路24可以採用熟知的電路結構，在本實施例中，為使電路更為簡化，採用電阻R6作為輸出端下拉電路24，接於恆壓輸入埠22和方波信號輸出端233之間，如圖3、4所示。

優選的，如圖3、4所示，本實施例的波形轉換電路還包括接於模擬信號正輸入埠21a和開關裝置23的正輸入端231a之間的濾波裝置25。濾波裝置25可選 用濾波二極體D2，濾除無關信號，減少幹擾，譬如通過濾波二極體濾除模擬輸入電壓信號負半周的信號。

工作時，待轉換的模擬信號自模擬信號正輸入埠21a和模擬信號負輸入埠21b輸入波形轉換電路99，直接或經濾波裝置25濾波後送達開關裝置23，當該模擬信號施加到開關裝置23上的電壓高於該開關裝置23的導通閾值電壓時，開關裝置23導通，開關裝置23的方波信號輸出端233和其高電平端232接通，方波信號輸出端233的電平被拉高，其對外輸出高電平；當該模擬信號施加到開關裝置23上的電壓不高於該開關裝置23的導通閾值電壓時，開關裝置23斷開，開關裝置23的方波信號輸出端233和其高電平端232斷路，方波信號輸出端233的電平被輸出端下拉電路24拉低，其對外輸出低電平。這樣，波形轉換裝置99就將輸入的模擬信號轉換為方波信號輸出。

利用上述任一實施例的波形轉換電路99，與用於檢測轉動機構的轉速並輸出模擬信號的轉速感應器3結合，還可以用來準確檢測轉動機構的轉速，呈現近似於數字傳感器的檢測結果，實現近似於數字傳感器(例如霍爾傳感器)的功能。

如圖1-4所示，本發明實施例的轉速檢測裝置包括轉速感應器3和上述任一種實施例的波形轉換電路99，轉速感應器3接於模擬信號正輸入埠11a、21a和模擬信號負輸入埠11b、21b之間。其中，轉速感應器3選用轉速計。

本實施例的轉速檢測裝置還包括處理器22，處理器22的信號輸入端與方波信號輸出端133或233連接，其根據波形轉換電路99輸出的方波信號的頻率判斷轉速感應器3的輸出信號的頻率，進而判斷轉速感應器3所檢測對象的轉速。

上述實施例的轉速檢測裝置，可以應用於電機上，以檢測電機的轉速。如圖5所示，作為本發明電機系統的第一實施例，其包括電機5(圖中只示出電機5的部分結構)和上述實施例的轉速檢測裝置，轉速感應器3(圖5中選用的是轉速計)安裝於電機5的電機軸51上，用於感應該電機軸51的轉速並輸出模擬檢測信號。

具體的，轉速計套設於電機軸51上。轉速計可直接安裝於電機5中原來安裝霍爾傳感器的位置，這樣對電機結構的改動極小，電機形狀也無明顯改變，不會對電機周圍的其他機構的安裝或結構產生影響。

也可為轉速計設置專門的安裝機構。

譬如，如圖5、6所示，提供一個內壁具有安裝槽52a的安裝罩52，轉速計嵌入安裝槽52a內，安裝罩52具有多個安裝腳52b，安裝罩52通過安裝腳52b固定在電機5的殼體(圖5、6中未示出)上。安裝罩52安裝固定後，電機軸51穿過 轉速計中心通孔31。還可同時將波形轉換電路99固定安裝在安裝罩52內壁、轉速計的徑向外側。安裝罩52上設置一個連通內外壁的電路接口52c，電路接口52c具有若干個接線端子，開關裝置13、23的低電平端132或高電平端232、方波信號輸出端123、233、恆壓輸入埠12、22、轉速計的接地端中的一個或多個可連接至電路接口52c中對應的接線端子，並通過其與其他電路模塊連接。

如圖6所示，安裝槽52a由多個設於轉速計徑向外側的、相互間隔的檔塊圍成，每兩相鄰檔塊之間形成開口523，這些檔塊組成的檔塊群圍成環形，轉速計被全部或部分檔塊卡緊而形成過盈配合。

如圖6所示，優選的，部分檔塊相較另一部分檔塊在轉速計圓周切向上的寬度更寬，若干寬檔塊521與若干窄檔塊522交錯間隔設置，轉速計被圍成環形的各寬檔塊521卡緊，寬檔塊521外壁固設有若干一端固定在安裝罩52內壁的加強肋524。由於寬檔塊521切向寬度較寬，又有加強肋524的限制，所以寬檔塊521難以發生鬆動，並通過寬檔塊521與轉速計的過盈配合，穩固地固定住轉速計。更優選的，寬檔塊521內壁若干位置處沿轉速計徑向向內方向凸起形成凸筋521a，起到卡緊轉速計徑向外側面的作用。

如圖5、6所示，優選的，部分或全部窄檔塊522沿轉速計軸向方向的頂部設有沿轉速計徑向向內方向突出的凸臺525，凸臺525軸向朝向安裝槽52a底部的臺面延伸至轉速計軸向外側面的上方，且該臺面離安裝槽52a底部的高度與轉速計的軸向高度相同或者該臺面與轉速計軸向外側面形成過盈配合，起到防止轉速計沿軸向脫離和鬆動的作用；凸臺525沿轉速計軸向方向背向安裝槽52a底部的臺面在轉速計徑向向內方向上逐漸趨近於安裝槽52a底部，便於將轉速計穿過各凸臺525的該臺面圍成的楔形空間並最終嵌入安裝槽52a內。

作為本發明電機系統的第二實施例，其包括電機5、轉速感應器3、PCB板和上述任一實施例的波形轉換電路99，轉速感應器3用於檢測電機5的轉速並輸出模擬信號，轉速感應器3和波形轉換電路99均安裝於電機5上，PCB板上附有處理器4和恆壓電源6，轉速感應器3接於模擬信號正輸入埠11a、21a和模擬信號負輸入埠11b、21b，處理器4與方波信號輸出端133、233連接，恆壓電源6(譬如5V恆壓電源)與恆壓輸入端12、22連接。此外，波形轉換電路99中的輸出端上拉電路14或輸出端下拉電路24也可附於PCB板上。

如上所述僅為便於對本發明的理解而提供的示例性的具體實施方式，並非對本發明的限定，依照本發明的原理和內涵，本領域技術人員還可作出其他變型實施例，但仍為本發明請求的專利保護範圍所涵蓋。