一種基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置及其控制方法
2023-12-11 05:01:57
專利名稱：一種基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電機測速技術，具體的說是一種基於霍爾元件的無刷直流電機測 速裝置及其控制方法。
背景技術：
永磁無刷直流電機具有良好的調速性能，如無級調速、調速範圍寬、高效率等，近 年來廣泛應用於水下機器人推進器驅動系統中。考慮到簡化推進器機械結構的設計，一般 直接採用電機自身的霍爾檢測器的信號進行位置和速度反饋，不增加其他的位置和速度檢 測元件。採用霍爾信號對轉速進行測量通常採用兩種方法一種是使用一路霍爾信號進行 測量，由於單路信號解析度比較低，反饋周期比較長，通常用在高速控制領域；一種是利用 三路霍爾信號，通過邏輯電路或算法，產生6倍於一路霍爾信號頻率的倍頻信號，然後對其 進行測量。但這兩種方法對霍爾傳感器在電機定子圓周上的定位有嚴格的要求，當霍爾傳 感器在電機定子圓周上定位有誤差時，相鄰兩個正脈衝的寬度就會不一致，導致測得的轉 速波動很大。
發明內容
針對現有技術中存在的上述不足之處，本發明要解決的技術問題是提供一種模塊 化、接口簡單且測速波動較小的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置及其控制方法。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案是本發明基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置包括霍爾信號處理單元、單片機處 理單元以及對外接口單元，其中霍爾信號處理單元接收無刷直流電機的霍爾元件輸入的霍 爾信號，進行濾波整形後輸出至單片機處理單元；單片機處理單元對霍爾信號處理單元輸 入的信號進行核心算法處理後，通過對外接口單元輸出速度信息；對外接口單元具有5V和 3. 3V邏輯電平對外輸出串行接口。所述霍爾信號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，輸出端接至施密特反相器的輸入端，施密特反相器 將整形後的信號輸出至單片機處理單元。本發明裝置還具有邏輯電平變換單元，包括穩壓模塊和邏輯電平轉換模塊，穩壓 模塊將外供電源轉換成邏輯電平轉換模塊需要的工作電源，邏輯電平轉換模塊為對外接口 單元提供邏輯電平對外輸出串行接口。本發明基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法包括以下步驟啟動程序，進行設備初始化；判斷是否有串口中斷請求或定時器中斷請求；當有串口中斷請求時，執行串口中斷服務程序；當有定時器請求時，執行定時器中斷服務程序；如果有結束命令，則結束循環控制過程。
所述定時器中斷服務程序包括以下步驟檢測霍爾信號的狀態；根據上述信號狀態進入相應狀態的處理單元，進行電機轉速的計算和處理；保存當前狀態值，退出中斷。所述霍爾信號的狀態為6個，對應6個處理單元，狀態處理單元程序具體流程是將當前狀態值與前狀態值進行比較，如果兩者相等，轉速的方向和大小保持不 變；如果前狀態值與前序狀態值相等，計算轉速的大小設置方向為正向；如果前狀態值與當前狀態值的後序狀態值相等，計算轉速的大小，設置方向為反 向；如果為其他值則設定為故障狀態。所述電機轉速的通過以下公式計算
n,O)『、
l=i其中fQ為計數器的時鐘頻率,Ti = Hli-HV1, Hli為第i次狀態變換時計數器的讀數， Ntl為電機磁極對數。所述串口中斷程序包括以下步驟外部單片機發送表示通信開始的字符給單片機模塊表示開始接收數據；單片機模塊接收到表示通信開始的字符後，開始發送速度數據的高位字節；外部單片機接收到高位字節後，發送表示開始接收高位字節數據的字符給單片機 模塊，表示高位字節收到，開始接受低位字節；單片機模塊接收到表示開始接收高位字節數據的字符後，發送低位字節；外部單片機接到低位字節後，把高位字節低位字節組合為完整的速度信息，然後 提取速度的大小，方向，故障的信息，通信結束。採用滑動窗口求和算法將6隊次求和轉化為兩次求和，電機轉速公式處理算法如 下定義全局數組AWNJ，全局變量bcnt，atop, sum，局部變量T，並將它們初始化為 0 ；執行 T = Hii-bent, bent = Hii, sum = sum-Α [atop] +Τ, A [atop] = Τ, atop = atop+1, 假如atop = 6N0,則atop = 0，當前速度=6f0/sum 為記錄計數器的值；N。為電機磁極對 數；fo為計數器的時鐘頻率；對測得的轉速進行平均值濾波，得到理想的電機轉速。本發明與現有技術相比，更具有如下優點1.功能模塊化，接口簡單。本發明將利用霍爾元件測速的功能提煉出來，設計了專 門的測速模塊，對外通過串口傳遞信息，便於系統的集成。2.測速波動較小。對原有的倍頻測速方法進行了改進，針對普通無刷直流電機霍 爾傳感器在電機定子圓周上定位有誤差的問題提出了解決方法，從而較好的解決了測速波 動的問題。
3.具備故障報告機制。當霍爾元件出現問題，測速功能出現問題時模塊會上傳故 障信息，當短暫的故障消除時測速模塊具備自動恢復功能，上傳正確速度信息。4.通用性較好。該發明通用性較強，也可用於各種普通無刷直流電機測速領域。
圖1為本發明裝置結構框圖；圖2為本發明裝置整體電路原理圖；圖3A為發明控制方法主程序流程圖；圖;3B為發明控制方法中中斷請求過程流程圖；圖4為本發明控制方法中的定時器中斷服務程序流程圖；圖5為本發明控制方法中的狀態處理單元程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。如圖1所示，本發明一種基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置包括霍爾信號處 理單元、單片機處理單元以及對外接口單元，其中霍爾信號處理單元接收無刷直流電機的 霍爾元件輸入的霍爾信號，進行濾波整形後輸出至單片機處理單元；單片機處理單元對霍 爾信號處理單元輸入的信號進行核心算法處理後，通過對外接口單元輸出速度信息；對外 接口單元具有5V和3. 3V邏輯電平對外輸出串行接口。所述單片機處理單元通過運行負責核心算法的實現，通過運行電機測量裝置的控 製程序來實現測速過程。霍爾信號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，輸出端接至施密特反相器的輸入端，施密特反相器將濾 波整形後形成的標準的方波信號輸出至單片機處理單元。還具有邏輯電平變換單元，包括穩壓模塊和邏輯電平轉換模塊，穩壓模塊將外供 電源轉換成邏輯電平轉換模塊需要的工作電源，邏輯電平轉換模塊為對外接口單元提供邏 輯電平對外輸出串行接口。對外接口單元包括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 爾信號接口，本發明電機測速裝置通過電平邏輯串行接口對外進行串行通信，電源接口接 5V電源；霍爾信號接口接電機霍爾元件輸出的5根線。本發明電機測速裝置的電氣原理圖如圖2所示，5V電源通過第1端子Jl的第4、 5管腳給整個電機測速裝置供電，5V電源經過穩壓模塊U3(SPX1117-3. 3V)變換成3. 3V, 給第1、2邏輯電平轉換U12_l、U12_2供電；霍爾信號HA、HB和HC經過第1端子Jl的1、 2和3管腳，然後經過第1 6電阻Rl R6和集成在一個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後，接入到單片機處理單元的單片機模塊 U2 (ATMEGA8515L)的PA 口。單片機模塊U2的串口引腳連接到第2端子J2的管腳，對外進行 串行通信，輸出為5V邏輯信號。單片機串口引腳模塊經過第1、2邏輯電平轉換模塊U12_l、 U12_2進行電平變換後連接到第3端子J3的管腳，對外進行串行通信，輸出的是3. 3V邏輯 信號。
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如圖3A、;3B所示，本發明基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法包括 以下步驟啟動程序，進行設備初始化後進入循環狀態；判斷是否有串口中斷請求或定時器中斷請求；當有串口中斷請求時，執行串口中斷服務程序；當有定時器請求時，執行定時器中斷服務程序；如果有結束命令，則結束循環控制過程。所述中斷處理程序主要執行2個中斷服務程序，分別為50us定時器中斷和串口中 斷。在定時器中斷服務程序中，根據霍爾信號的狀態計算出轉速信息；在串口中斷服務程序 中，實現所述測速裝置與外部單片機進行握手通信的功能。如圖4所示，所述定時器中斷服務程序包括以下步驟檢測霍爾信號的狀態；根據上述信號狀態進入相應狀態的處理單元，進行電機轉速的計算和處理；保存當前狀態值，退出中斷。電機轉速的通過以下公式計算
=60/0 (3)'D
J ='其中fQ為計數器的時鐘頻率,Ti = Hii-Hii-Lmi為第i次狀態變換時計數器的讀數， Ntl為電機磁極對數，j為中間變量。如圖5所示，所述霍爾信號的狀態為6個，對應6個處理單元，其中第1狀態處理 單元0程序具體流程是將當前狀態值與前狀態值(StO)進行比較，如果兩者相等，轉速的大小和方向保 持不變；如果前狀態值與前序狀態值(st5)相等，計算轉速的大小設置方向為正向；如果前狀態值與當前狀態值的後序狀態值(Stl)相等，計算轉速的大小，設置方 向為反向；如果為其他值則設定為故障狀態。狀態st0-st5 分別與代碼 101，100，110，010，011，001 相對應。其他狀態處理單元的程序流程與第1狀態處理單元的程序流程類似，只需要根據 當前狀態值修改它的前序狀態值和後序狀態值便可，例如對於第2狀態處理單元1，當前狀 態值是stl，它的前序狀態值是stO，，它的後序狀態值是st2，依次類推。所述串口中斷服務程序包括以下步驟外部單片機發送設定的表示通信開始的字符(本實施例為字符「#」)給單片機模 塊U2表示開始接收數據；單片機模塊U2接收到「#」後，開始發送速度數據的高位字節；外部單片機接收到高位字節後，發送設定的表示開始接收高位字節數據的字符 (本實施例為字符「1」)給單片機模塊U2，表示高位字節收到，開始接受低位字節；單片機模塊U2接收到「1」後，發送低位字節；
外部單片機接到低位字節後，把高位字節低位字節組合為完整的速度信息，然後 提取速度的大小、方向以及故障的信息，通信結束。採用兩個字節來表示速度信息，第1位表示電機旋轉的方向，第2位表示測速故障 狀態，後14位表示速度的大小，速度最大值是16837轉每分。本發明電機測速的基本原理是無刷直流電機一般採用霍爾開關型的轉子位置檢 測器，通常用霍爾位置信號進行電機換向控制。經過整形，霍爾信號傳感器發出HA、HB、HC 信號是三路相差120°的低頻脈衝，這三路信號在360°電角度內組成了 6個不同的代碼， 形成六種不同的狀態，這六個代碼依次是101，100，110，010，011，001。正轉時按照這個次序 依次變化，反轉時逆著這個次序依次變化，所以這三路信號包含著轉速和轉向的信息。如果 電機磁極對數是Ntl，則電機每轉一圈就會有Ntl組6個不同的狀態，設定一個時鐘頻率是& 的計數器，電機每運行到一個狀態，記錄計數器的值為IV則電機此時的轉速為
權利要求
1.一種基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置，其特徵在於包括霍爾信號處理單 元、單片機處理單元以及對外接口單元，其中霍爾信號處理單元接收無刷直流電機的霍爾 元件輸入的霍爾信號，進行濾波整形後輸出至單片機處理單元；單片機處理單元對霍爾信 號處理單元輸入的信號進行核心算法處理後，通過對外接口單元輸出速度信息；對外接口 單元具有5V和3. 3V邏輯電平對外輸出串行接口。
2.按權利要求1所述的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置，其特徵在於所述霍 爾信號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，輸出端接至施密特反相器的輸入端，施密特反相器將整形後的信號 輸出至單片機處理單元。
3.按權利要求1所述的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置，其特徵在於還具有 邏輯電平變換單元，包括穩壓模塊和邏輯電平轉換模塊，穩壓模塊將外供電源轉換成邏輯 電平轉換模塊需要的工作電源，邏輯電平轉換模塊為對外接口單元提供邏輯電平對外輸出 串行接口。
4.一種基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法，其特徵在於包括以下步驟啟動程序，進行設備初始化； 判斷是否有串口中斷請求或定時器中斷請求； 當有串口中斷請求時，執行串口中斷服務程序； 當有定時器請求時，執行定時器中斷服務程序； 如果有結束命令，則結束循環控制過程。
5.按權利要求4所述的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法，其特徵在 於所述定時器中斷服務程序包括以下步驟檢測霍爾信號的狀態；根據上述信號狀態進入相應狀態的處理單元，進行電機轉速的計算和處理； 保存當前狀態值，退出中斷。
6.按權利要求5所述的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法，其特徵在 於所述霍爾信號的狀態為6個，對應6個處理單元，狀態處理單元程序具體流程是將當前狀態值與前狀態值進行比較，如果兩者相等，轉速的方向和大小保持不變； 如果前狀態值與前序狀態值相等，計算轉速的大小設置方向為正向； 如果前狀態值與當前狀態值的後序狀態值相等，計算轉速的大小，設置方向為反向； 如果為其他值則設定為故障狀態。
7.按權利要求5所述的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法，其特徵在 於所述電機轉速的通過以下公式計算
8.按權利要求4所述的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法，其特徵在於所述串口中斷程序包括以下步驟外部單片機發送表示通信開始的字符給單片機模塊表示開始接收數據； 單片機模塊接收到表示通信開始的字符後，開始發送速度數據的高位字節； 外部單片機接收到高位字節後，發送表示開始接收高位字節數據的字符給單片機模 塊，表示高位字節收到，開始接受低位字節；單片機模塊接收到表示開始接收高位字節數據的字符後，發送低位字節； 外部單片機接到低位字節後，把高位字節低位字節組合為完整的速度信息，然後提取 速度的大小，方向，故障的信息，通信結束。
9.按權利要求6所述的基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置的控制方法，其特徵在 於採用滑動窗口求和算法將6隊次求和轉化為兩次求和，電機轉速公式處理算法如下 定義全局數組AWNJ，全局變量bcnt，atop, sum，局部變量T，並將它們初始化為0 ； 執行 T = mj-bcnt, bent = Hii, sum = sum-Α [atop]+Τ, A [atop] = Τ, atop = atop+1, 假如atop = 6N。，則atop = 0，當前速度=60f0/sum 為記錄計數器的值；N。為電機磁極 對數；fo為計數器的時鐘頻率；對測得的轉速進行平均值濾波，得到理想的電機轉速。
全文摘要
本發明涉及一種基於霍爾元件的無刷直流電機測速裝置及其控制方法，包括霍爾信號處理單元接收無刷直流電機的霍爾元件輸入的霍爾信號進行濾波整形後輸出至單片機處理單元；單片機處理單元對霍爾信號處理單元輸入的信號進行核心算法處理後通過對外接口單元輸出速度信息；對外接口單元具有5V和3.3V邏輯電平對外輸出串行接口；方法包括進行設備初始化；當有串口中斷請求時，執行串口中斷服務程序；當有定時器請求時執行定時器中斷服務程序；如有結束命令則結束循環控制過程。本發明將利用霍爾元件測速的功能提煉出來，專門的測速模塊，對外通過串口傳遞信息，便於系統的集成，較好的解決了測速波動的問題，具備故障報告機制，通用性較好。
文檔編號H02P6/08GK102082535SQ20091022020
公開日2011年6月1日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者王明明, 郭威 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所