專利名稱：一種基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電機(jī)測(cè)速技術(shù)，具體的說(shuō)是一種基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置。
背景技術(shù)：
永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，如無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速范圍寬、高效率等，近 年來(lái)廣泛應(yīng)用于水下機(jī)器人推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中?？紤]到簡(jiǎn)化推進(jìn)器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一般 直接采用電機(jī)自身的霍爾檢測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行位置和速度反饋，不增加其他的位置和速度檢 測(cè)元件。采用霍爾信號(hào)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量通常采用兩種方法一種是使用一路霍爾信號(hào)進(jìn)行 測(cè)量，由于單路信號(hào)分辨率比較低，反饋周期比較長(zhǎng)，通常用在高速控制領(lǐng)域；一種是利用 三路霍爾信號(hào)，通過(guò)邏輯電路或算法，產(chǎn)生6倍于一路霍爾信號(hào)頻率的倍頻信號(hào)，然后對(duì)其 進(jìn)行測(cè)量。但這兩種方法對(duì)霍爾傳感器在電機(jī)定子圓周上的定位有嚴(yán)格的要求，當(dāng)霍爾傳 感器在電機(jī)定子圓周上定位有誤差時(shí)，相鄰兩個(gè)正脈沖的寬度就會(huì)不一致，導(dǎo)致測(cè)得的轉(zhuǎn) 速波動(dòng)很大。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足之處，本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種 模塊化、接口簡(jiǎn)單且測(cè)速波動(dòng)較小的基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置包括霍爾信號(hào)處理單元、單片 機(jī)處理單元以及對(duì)外接口單元，其中霍爾信號(hào)處理單元接收無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾元件輸入 的霍爾信號(hào)，進(jìn)行濾波整形后輸出至單片機(jī)處理單元；單片機(jī)處理單元對(duì)霍爾信號(hào)處理單 元輸入的信號(hào)進(jìn)行核心算法處理后，通過(guò)對(duì)外接口單元輸出速度信息；對(duì)外接口單元具有 5V和3. 3V邏輯電平對(duì)外輸出串行接口。所述霍爾信號(hào)處理單元具有阻容濾波電路和施密特反相器，其中阻容濾波電路的 輸入端接有霍爾元件輸入的霍爾信號(hào)，輸出端接至施密特反相器的輸入端，施密特反相器 將整形后的信號(hào)輸出至單片機(jī)處理單元。本實(shí)用新型還具有邏輯電平變換單元，包括穩(wěn)壓模塊和邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊，穩(wěn)壓 模塊將外供電源轉(zhuǎn)換成邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊需要的工作電源，邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊為對(duì)外接口 單元提供邏輯電平對(duì)外輸出串行接口。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，更具有如下優(yōu)點(diǎn)1.功能模塊化，接口簡(jiǎn)單。本實(shí)用新型將利用霍爾元件測(cè)速的功能提煉出來(lái)，設(shè)計(jì) 了專門的測(cè)速模塊，對(duì)外通過(guò)串口傳遞信息，便于系統(tǒng)的集成。2.測(cè)速波動(dòng)較小。對(duì)原有的倍頻測(cè)速方法進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)普通無(wú)刷直流電機(jī)霍 爾傳感器在電機(jī)定子圓周上定位有誤差的問(wèn)題提出了解決方法，從而較好的解決了測(cè)速波 動(dòng)的問(wèn)題。[0011]3.具備故障報(bào)告機(jī)制。當(dāng)霍爾元件出現(xiàn)問(wèn)題，測(cè)速功能出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)模塊會(huì)上傳故障信息，當(dāng)短暫的故障消除時(shí)測(cè)速模塊具備自動(dòng)恢復(fù)功能，上傳正確速度信息。4.通用性較好。該實(shí)用新型通用性較強(qiáng)，也可用于各種普通無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速領(lǐng) 域。

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型整體電路原理圖；圖3A為實(shí)用新型采用的控制方法主程序流程圖；圖3B為實(shí)用新型采用的控制方法中中斷請(qǐng)求過(guò)程流程圖；圖4為本實(shí)用新型采用的控制方法中的定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖；圖5為本實(shí)用新型采用的控制方法中的狀態(tài)處理單元程序流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1所示，本實(shí)用新型基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置包括霍爾信號(hào)處 理單元、單片機(jī)處理單元以及對(duì)外接口單元，其中霍爾信號(hào)處理單元接收無(wú)刷直流電機(jī)的 霍爾元件輸入的霍爾信號(hào)，進(jìn)行濾波整形后輸出至單片機(jī)處理單元；單片機(jī)處理單元對(duì)霍 爾信號(hào)處理單元輸入的信號(hào)進(jìn)行核心算法處理后，通過(guò)對(duì)外接口單元輸出速度信息；對(duì)外 接口單元具有5V和3. 3V邏輯電平對(duì)外輸出串行接口。所述單片機(jī)處理單元通過(guò)運(yùn)行負(fù)責(zé)核心算法的實(shí)現(xiàn)，通過(guò)運(yùn)行電機(jī)測(cè)量裝置的控 制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速過(guò)程?；魻栃盘?hào)處理單元具有阻容濾波電路和施密特反相器，其中阻容濾波電路的輸入 端接有霍爾元件輸入的霍爾信號(hào)，輸出端接至施密特反相器的輸入端，施密特反相器將濾 波整形后形成的標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào)輸出至單片機(jī)處理單元。還具有邏輯電平變換單元，包括穩(wěn)壓模塊和邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊，穩(wěn)壓模塊將外供 電源轉(zhuǎn)換成邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊需要的工作電源，邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊為對(duì)外接口單元提供邏 輯電平對(duì)外輸出串行接口。對(duì)外接口單元包括5V邏輯電平串行接口，3. 3V電平邏輯串行接口，電源接口和霍 爾信號(hào)接口，本實(shí)用新型電機(jī)測(cè)速裝置通過(guò)電平邏輯串行接口對(duì)外進(jìn)行串行通信，電源接 口接5V電源；霍爾信號(hào)接口接電機(jī)霍爾元件輸出的5根線。本實(shí)用新型電機(jī)測(cè)速裝置的電氣原理圖如圖2所示，5V電源通過(guò)第1端子Jl的第 4、5管腳給整個(gè)電機(jī)測(cè)速裝置供電，5V電源經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓模塊U3(SPX1117-3. 3V)變換成3. 3V, 給第1、2邏輯電平轉(zhuǎn)換U12_l、U12_2供電；霍爾信號(hào)HA、HB和HC經(jīng)過(guò)第1端子Jl的1、 2和3管腳，然后經(jīng)過(guò)第1 6電阻Rl R6和集成在一個(gè)74HC14施密特反相器中的第 1 6反相器模塊UlA UlF組成的濾波整形電路后，接入到單片機(jī)處理單元的單片機(jī)模塊 U2 (ATMEGA8515L)的PA 口。單片機(jī)模塊U2的串口引腳連接到第2端子J2的管腳，對(duì)外進(jìn)行 串行通信，輸出為5V邏輯信號(hào)。單片機(jī)串口引腳模塊經(jīng)過(guò)第1、2邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊U12_l、 U12_2進(jìn)行電平變換后連接到第3端子J3的管腳，對(duì)外進(jìn)行串行通信，輸出的是3. 3V邏輯信號(hào)。如圖3A、3B所示，本實(shí)用新型采用的控制方法包括以下步驟啟動(dòng)程序，進(jìn)行設(shè)備初始化后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)；判斷是否有串口中斷請(qǐng)求或定時(shí)器中斷請(qǐng)求；當(dāng)有串口中斷請(qǐng)求時(shí)，執(zhí)行串口中斷服務(wù)程序；當(dāng)有定時(shí)器請(qǐng)求時(shí)，執(zhí)行定時(shí)器中斷服務(wù)程序；如果有結(jié)束命令，則結(jié)束循環(huán)控制過(guò)程。所述中斷處理程序主要執(zhí)行2個(gè)中斷服務(wù)程序，分別為50us定時(shí)器中斷和串口中 斷。在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中，根據(jù)霍爾信號(hào)的狀態(tài)計(jì)算出轉(zhuǎn)速信息；在串口中斷服務(wù)程序 中，實(shí)現(xiàn)所述測(cè)速裝置與外部單片機(jī)進(jìn)行握手通信的功能。如圖4所示，所述定時(shí)器中斷服務(wù)程序包括以下步驟檢測(cè)霍爾信號(hào)的狀態(tài)；根據(jù)上述信號(hào)狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)的處理單元，進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算和處理；保存當(dāng)前狀態(tài)值，退出中斷。電機(jī)轉(zhuǎn)速的通過(guò)以下公式計(jì)算
η =^‘ (3)丨'H
J='其中fQ為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率,Ti = Hii-HV1,Hii為第i次狀態(tài)變換時(shí)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)， Ntl為電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，j為中間變量。如圖5所示，所述霍爾信號(hào)的狀態(tài)為6個(gè)，對(duì)應(yīng)6個(gè)處理單元，其中第1狀態(tài)處理 單元0程序具體流程是將當(dāng)前狀態(tài)值與前狀態(tài)值(StO)進(jìn)行比較，如果兩者相等，轉(zhuǎn)速的大小和方向保 持不變；如果前狀態(tài)值與前序狀態(tài)值(st5)相等，計(jì)算轉(zhuǎn)速的大小設(shè)置方向?yàn)檎?；如果前狀態(tài)值與當(dāng)前狀態(tài)值的后序狀態(tài)值(Stl)相等，計(jì)算轉(zhuǎn)速的大小，設(shè)置方 向?yàn)榉聪?；如果為其他值則設(shè)定為故障狀態(tài)。狀態(tài)st0-st5 分別與代碼 101，100，110，010，011，001 相對(duì)應(yīng)。其他狀態(tài)處理單元的程序流程與第1狀態(tài)處理單元的程序流程類似，只需要根據(jù) 當(dāng)前狀態(tài)值修改它的前序狀態(tài)值和后序狀態(tài)值便可，例如對(duì)于第2狀態(tài)處理單元1，當(dāng)前狀 態(tài)值是stl，它的前序狀態(tài)值是stO，，它的后序狀態(tài)值是st2，依次類推。所述串口中斷服務(wù)程序包括以下步驟外部單片機(jī)發(fā)送設(shè)定的表示通信開始的字符(本實(shí)施例為字符“#”)給單片機(jī)模 塊U2表示開始接收數(shù)據(jù)；單片機(jī)模塊U2接收到“#”后，開始發(fā)送速度數(shù)據(jù)的高位字節(jié)；外部單片機(jī)接收到高位字節(jié)后，發(fā)送設(shè)定的表示開始接收高位字節(jié)數(shù)據(jù)的字符 (本實(shí)施例為字符“1”)給單片機(jī)模塊U2，表示高位字節(jié)收到，開始接受低位字節(jié)；單片機(jī)模塊U2接收到“1”后，發(fā)送低位字節(jié)；[0052]外部單片機(jī)接到低位字節(jié)后，把高位字節(jié)低位字節(jié)組合為完整的速度信息，然后 提取速度的大小、方向以及故障的信息，通信結(jié)束。采用兩個(gè)字節(jié)來(lái)表示速度信息，第1位表示電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向，第2位表示測(cè)速故障 狀態(tài)，后14位表示速度的大小，速度最大值是16837轉(zhuǎn)每分。本實(shí)用新型電機(jī)測(cè)速的基本原理是無(wú)刷直流電機(jī)一般采用霍爾開關(guān)型的轉(zhuǎn)子位 置檢測(cè)器，通常用霍爾位置信號(hào)進(jìn)行電機(jī)換向控制。經(jīng)過(guò)整形，霍爾信號(hào)傳感器發(fā)出HA、HB、 HC信號(hào)是三路相差120°的低頻脈沖，這三路信號(hào)在360°電角度內(nèi)組成了 6個(gè)不同的代 碼，形成六種不同的狀態(tài)，這六個(gè)代碼依次是101，100，110，010，011，001。正轉(zhuǎn)時(shí)按照這個(gè) 次序依次變化，反轉(zhuǎn)時(shí)逆著這個(gè)次序依次變化，所以這三路信號(hào)包含著轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的信息。 如果電機(jī)磁極對(duì)數(shù)是Ntl，則電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈就會(huì)有Ntl組6個(gè)不同的狀態(tài)，設(shè)定一個(gè)時(shí)鐘頻率 是fo的計(jì)數(shù)器，電機(jī)每運(yùn)行到一個(gè)狀態(tài)，記錄計(jì)數(shù)器的值為IV則電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)速為<formula>formula see original document page 6</formula>所述測(cè)速裝置的具體程序設(shè)計(jì)思想是考慮到計(jì)數(shù)器溢出，數(shù)值過(guò)大等問(wèn)題時(shí)，可 以對(duì)公式(1)是進(jìn)行變形，由于
<formula>formula see original document page 6</formula>[0058]令Ti = Hii-IV1, (1)式是可變?yōu)?lt;formula>formula see original document page 6</formula>[0060]為了加快計(jì)算速度必須減少求和次數(shù)，采用滑動(dòng)窗口求和算法將6隊(duì)次求和轉(zhuǎn)化 為兩次求和，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速的處理算法如下(1)定義一個(gè)全局?jǐn)?shù)組A [6NJ，全局變量bcnt，at0p，sum，局部變量T，并把他們初 始化為0，當(dāng)前計(jì)數(shù)器的讀數(shù)為Hli ；(2)執(zhí)行 T = mj-bcnt, bent = Hii, sum = sum-Α [atop]+Τ, A [atop] = Τ, atop = atop+1，假如atop = 6NQ，則atop = 0，當(dāng)前速度=60f0/sum 為記錄計(jì)數(shù)器的值；Ntl為電 機(jī)磁極對(duì)數(shù)；&為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率；(3)在電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量中，由于轉(zhuǎn)速本身的脈動(dòng)，隨機(jī)干擾存在，對(duì)測(cè)得的轉(zhuǎn)速進(jìn) 行平均值濾波，就會(huì)達(dá)到比較好的效果。
權(quán)利要求一種基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置，其特征在于包括霍爾信號(hào)處理單元、單片機(jī)處理單元以及對(duì)外接口單元，其中霍爾信號(hào)處理單元接收無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾元件輸入的霍爾信號(hào)，進(jìn)行濾波整形后輸出至單片機(jī)處理單元；單片機(jī)處理單元對(duì)霍爾信號(hào)處理單元輸入的信號(hào)進(jìn)行核心算法處理后，通過(guò)對(duì)外接口單元輸出速度信息；對(duì)外接口單元具有5V和3.3V邏輯電平對(duì)外輸出串行接口。
2.按權(quán)利要求1所述的基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置，其特征在于所述霍 爾信號(hào)處理單元具有阻容濾波電路和施密特反相器，其中阻容濾波電路的輸入端接有霍爾 元件輸入的霍爾信號(hào)，輸出端接至施密特反相器的輸入端，施密特反相器將整形后的信號(hào) 輸出至單片機(jī)處理單元。
3.按權(quán)利要求1所述的基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置，其特征在于還具有 邏輯電平變換單元，包括穩(wěn)壓模塊和邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊，穩(wěn)壓模塊將外供電源轉(zhuǎn)換成邏輯 電平轉(zhuǎn)換模塊需要的工作電源，邏輯電平轉(zhuǎn)換模塊為對(duì)外接口單元提供邏輯電平對(duì)外輸出 串行接口。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于霍爾元件的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速裝置，包括包括霍爾信號(hào)處理單元、單片機(jī)處理單元以及對(duì)外接口單元，其中霍爾信號(hào)處理單元接收無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾元件輸入的霍爾信號(hào)，進(jìn)行濾波整形后輸出至單片機(jī)處理單元；單片機(jī)處理單元對(duì)霍爾信號(hào)處理單元輸入的信號(hào)進(jìn)行核心算法處理后，通過(guò)對(duì)外接口單元輸出速度信息；對(duì)外接口單元具有5V和3.3V邏輯電平對(duì)外輸出串行接口；本實(shí)用新型將利用霍爾元件測(cè)速的功能提煉出來(lái)，專門的測(cè)速模塊，對(duì)外通過(guò)串口傳遞信息，便于系統(tǒng)的集成，較好的解決了測(cè)速波動(dòng)的問(wèn)題，具備故障報(bào)告機(jī)制，通用性較好。
文檔編號(hào)G01P3/44GK201569663SQ20092024893
公開日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者王明明, 郭威 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所