CN103018474A - 一种基于fpga的电机转速和转向检测装置 - Google Patents

一种基于fpga的电机转速和转向检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置，该装置是利用无刷直流电机三路霍尔信号对电机转子转速和转向进行可靠检测的检测装置，包括霍尔信号整形滤波电路、FPGA芯片。电机的霍尔信号HA、HB、HC经过整形滤波后，与FPGA芯片相连接，所述的FPGA芯片包括转速容错测量逻辑模块、转动方向容错测量逻辑模块。与现有技术相比，其优点和有益效果是：直接利用FPGA芯片采集整形滤波后的霍尔信号，在FPGA内部对霍尔信号进行容错检测；该检测方法简单，检测可靠性高，适宜于航天器上的执行机构电机转速和转动方向检测，且能够广泛应用于采用霍尔传感器的直流无刷电机转速和转动方向的检测。

Description

一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置
技术领域
本发明涉及无刷直流电机，尤其是利用霍尔信号对电机转速和转动方向进行检测的装置。
背景技术
无刷直流电机作为多数执行机构驱动电机的关键组件，其性能好坏决定着整个***功能的有效性。对执行机构电机转速和转动方向进行测量，往往是利用光码盘，或者光码盘加上电机霍尔传感器的双重冗余测速测角方案，利用光码盘对转子进行测速测角，精度虽然较高，但光码盘组件较为精密，容易损坏，且安装较为繁琐，结构上的稍微变动都会造成测量结果出现很大的误差。利用电机本身具有的霍尔传感器进行电机转速的检测及转向的判定，往往由于电磁干扰等因素的影响造成判断错误。
目前对电机霍尔信号进行滤波常用的方法是利用模拟电路首先对电机霍尔信号进行滤波和整形，再接入高速光耦隔离电路，之后再引入数字电路来计算转速和判断转动方向。高速光耦隔离电路受外界电磁环境影响较大，因而其使用受到了一定的限制。对于执行机构来说，电机转速或者转动方向检测的错误都将造成执行机构工作的不稳定，进而影响整个控制***的正常工作，因此必须采用可靠的方法检测执行机构电机的转速和转动方向。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术不足，提供一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置，能够对霍尔信号进行容错检测，克服霍尔信号中高频干扰的影响，可为执行机构控制器提供可靠的转速信息，能精确可靠地得到转动方向信号值，避免霍尔信号中的高频干扰带来的检测误差。
本发明的技术解决方案：一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置，其结构要点是包括霍尔信号滤波整形电路、FPGA芯片，霍尔信号滤波整形电路与电机的霍尔信号HA、HB、HC相连通，霍尔信号滤波整形电路将三路霍尔信号滤波整形后得到新的霍尔信号HA`、HB`、HC`；新的三路霍尔信号HA`、HB`、HC`与FPGA芯片相连通；所述的FPGA芯片包括转速容错测量逻辑模块、转动方向容错测量逻辑模块，转速容错测量逻辑模块完成对执行机构电机转子转速的容错测量，利用含高频噪声的霍尔信号进行转速测量，将转速信号传入控制电机的处理器；转动方向容错测量逻辑模块完成对电机转子转动方向的容错检测，在霍尔信号含高频噪声的情况下利用其容错逻辑实现无刷直流电机转动方向的输出。
所述的霍尔信号滤波整形电路包括保护电路、比较电路、滤波电路、整形电路四个部分，其中保护电路包括两个二极管，一个二极管的阳极与霍尔输入信号连通，阴极接电源，另一个二极管阳极接电源，阴极与霍尔输入信号连通；比较电路包括一个开路输出比较器和两个电阻，其中一个电阻一端接比较器负输入端，一端接地，另一个电阻一端接电源，一端接比较器输出端；滤波电路包括一个电阻和电容，电阻一端接比较器输出端，一端接电容，电容另一端接地；整形电路包括两个反向施密特触发器，滤波电路的输出作为第一个触发器的输入，其输出作为第二个触发器的输入，第二个触发器的输出即为整形滤波处理后的霍尔信号，霍尔输出信号地为电源地。保护电路用于防止输入信号出现过高或过低的电压值；比较电路用于对输入信号进行比较处理，输出满足要求的电平值的霍尔信号；滤波电路用来对霍尔信号中包含的高频噪声进行滤波；整形电路用于整形滤波处理后的霍尔信号。
所述的转速容错测量逻辑模块包括逻辑控制模块、霍尔信号计数器、除法器，其中逻辑控制模块完成霍尔信号计数器的计数使能、清零，以及除法器的除法操作的控制；其中霍尔信号计数器分别对三相霍尔信号脉冲的上升沿进行计数，计数值锁存，对锁存的三个值两两加和做除法取平均值，对计算得到的两个值进行锁存，再对这两个锁存值进行加和做除法取平均值得到转速值。
所述的转动方向容错检测逻辑模块包括分频器、脉冲宽度计数器、转向逻辑判断模块、转动方向判断信号滤波处理模块，分频器对***时钟信号进行分频得到一个周期更长的时钟信号，利用这个时钟信号对两路霍尔信号的高电平宽度进行记录，由脉冲宽度计数器对霍尔信号宽度进行锁存，转向逻辑判断模块则是利用***时钟的快速性，对其中一路霍尔信号的脉冲宽度计数器进行检测，转动方向判断信号滤波处理模块，则是利用分频器分频出来的长周期时钟信号在各位置上对转动方向信号进行检测。
本发明构思：(1)转速容错检测的原理：三个霍尔信号计数器A、计数器B、计数器C记录三相霍尔信号HA`、HB`、HC`的上升沿个数并且定时清零。因为霍尔信号中包含高频噪声，所以测量转速的过程中不免会产生测量误差。这里对所检测到的转速信号做滤波处理，首先霍尔信号计数器分别对三相霍尔信号脉冲的上升沿进行计数，计数值锁存，对锁存的三个值两两加和用除法器做除法取平均值，对计算得到的两个值进行锁存，再对这两个锁存值进行加和用除法器做除法取平均值得到转速值。这样可以克服霍尔信号中高频干扰的影响，可为执行机构控制器提供可靠的转速信息，并根据转速信息得到正确的控制参数。(2)转动方向容错检测的原理：正常情况霍尔信号具有120°的相位差，具有周期性。假设电机转子正向转动时霍尔信号HA`的相位超前霍尔信号HB`的相位120°，霍尔信号HB`的相位超前霍尔信号HC`的相位120°；电机转子反转时三路霍尔信号的相位关系变为：霍尔信号HC`的相位超前霍尔信号HB`的相位120°，霍尔信号HB`的相位超前霍尔信号HA`的相位120°。正转与反转时霍尔信号状态的变化顺序相反，因此根据霍尔信号的变化即可得出转子的转动方向，依据该原理，下面介绍转动方向容错检测的方法。
首先对***时钟信号进行分频得到一个周期更长的时钟信号，利用这个时钟信号对输入FPGA的两路霍尔信号HA`、HB`的高电平宽度进行记数，并且对霍尔信号宽度值进行锁存，当霍尔信号由高电平跳变到低电平时脉冲宽度计数器清零。利用***时钟的快速性，对其中一路霍尔信号的脉冲宽度值进行检测，在接近起始计数时刻的位置，即霍尔信号宽度锁存的数值还很小的情况下，判断另一路霍尔信号的脉冲宽度的值是否为零，继而得到转动方向。在接近起始计数时刻的位置进行判断，既可以克服高频干扰，又不至于在电机转子转速相当高的情况下判断位置距离起始时刻的位置超过两个霍尔信号的相位差。对转动方向判断信号滤波则是利用分频出来的长周期时钟信号在不同位置上对转动方向信号进行检测，当几个检测位置所得到的结果一致时，将得到的转动方向信号进行锁存。这样得到的转动方向信号值精确可靠，可以避免由于霍尔信号中的高频干扰可能带来的检测误差。
本发明采用FPGA芯片，与现有技术相比，其优点和有益效果是：
1)利用FPGA芯片接收霍尔信号滤波整形电路处理之后的新的霍尔信号，在数字电路内部对霍尔信号进行容错检测，检测简单；
2)实验证明检测可靠性高，适宜于执行机构电机转速和转动方向检测，能广泛用于直流无刷电机霍尔信号的转速和转动方向的检测方法。
附图说明
以下将结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1为本发明FPGA内部数字电路结构图；
图2为本发明的霍尔信号滤波整形电路框图；
图3为本发明的转速容错测量原理框图；
图4为本发明的转动方向容错检测原理框图；
图5为正反转时霍尔信号对比图。
附图标记
霍尔信号滤波整形电路1、FPGA芯片2、转速容错测量逻辑模块3、转动方向容错测量逻辑模块4、保护电路模块5、比较电路模块6、滤波电路模块7、整形电路模块8、逻辑控制模块9、霍尔信号计数器10、除法器11、分频器12、脉冲宽度计数器13、转向逻辑判断模块14、转动方向判断信号滤波处理模块15。
具体实施方式
如图1所示，给出了本发明的电路结构图，包括霍尔信号滤波整形电路1、FPGA芯片2，霍尔信号滤波整形电路1接收电机的霍尔信号HA、HB、HC，霍尔信号滤波整形电路1将三路霍尔信号滤波整形后得到新的霍尔信号HA`、HB`、HC`；FPGA芯片2接收经过霍尔信号滤波整形电路1处理后的直流无刷电机的HA`、HB`、HC`三路霍尔信号，FPGA芯片2包括转速容错检测逻辑模块3和转动方向容错检测逻辑模块4，其内部数字电路分别完成对电机转子转速和转动方向的检测，得到转子的转速值和转动方向信号，并将转速信号传入控制电机的处理器。
如图2所述，给出了本发明的霍尔信号滤波整形电路原理框图，霍尔信号滤波整形电路包括保护电路5、比较电路6、滤波电路7、整形电路8。保护电路5包括两个二极管D1、D2，二极管D1的阳极接霍尔输入信号，阴极接电源，D2二极管阳极接电源，阴极接与霍尔输入信号，用于防止输入信号出现过高或过低的电压值；比较电路6包括一个开路输出比较器U1A和两个电阻R2、R3，其中电阻R2一端接比较器U1A负输入端，一端接地，电阻R3一端接电源，一端接比较器U1A输出端，比较电路6用来对输入信号进行比较处理，输出满足要求的电平值的霍尔信号；滤波电路7包括一个电阻R4和电容C1，电阻R4一端接比较器U1A输出端，一端接电容C1，电容C1另一端接地，滤波电路7用来对霍尔信号中包含的高频噪声进行滤波；整形电路8包括两个反向施密特触发器U2A、U2B，滤波电路7的输出端与第一个触发器U2A的输入端相连，U2A的输出端与第二个触发器U2B的输入端相连，第二个触发器U2B的输出即为整形滤波处理后的霍尔信号，霍尔输出信号地为电源地。
如图3所示，给出了本发明的转速容错测量原理框图，转速容错测量逻辑模块包括逻辑控制模块9、霍尔信号计数器10、除法器11，逻辑控制模块9对霍尔信号计数器10、除法器11进行控制，提供锁存和清零控制信号，计数器A、计数器B、计数器C三个霍尔信号计数器10分别对三相霍尔信号HA`、HB`、HC`的上升沿进行计数，将计数器A的值与计数器B的值加和，将计数器B的值与计数器C的值加和，再通过除法器11中的除法器1和除法器2对两个加和值做除法取平均值，计算得到两个值，再对这两个值进行加和并通过除法器11中的除法器3做除法取平均值得到转速值。
如图4所示，给出了本发明的转动方向容错检测原理框图，转动方向容错检测逻辑模块包括分频器12、脉冲宽度计数器13、转向逻辑判断模块14、转动方向判断信号滤波处理模块15。利用分频器12对***时钟信号进行分频得到一个周期更长的时钟信号，用时钟信号对两路霍尔信号的高电平宽度进行记数，脉冲宽度计数器13存储表示霍尔信号高电平状态长度的脉冲个数，当霍尔信号由高电平跳变到低电平时脉冲宽度计数器清零。转向逻辑判断模块14则是利用***时钟的快速性，对其中一路霍尔信号的脉冲宽度计数器13进行检测，在接近起始计数时刻的位置，即脉冲宽度计数器13锁存的数值还很小的情况下判断另一路霍尔信号的脉冲宽度计数器13锁存的值是否为零继而得到转动方向，在接近起始计数时刻的位置进行判断，这样既可以一定程度上克服高频干扰，又不至于在电机转子转速相当高的情况下判断位置距离起始时刻的位置超过两个霍尔信号的相位差。转动方向判断信号滤波处理模块15则是利用分频器12分频出来的长周期时钟信号在不同位置上对转动方向信号进行检测，当几个检测位置所得到的结果一致时将得到的转动方向信号进行锁存。
如图5所示，为正反转时霍尔信号对比。图中霍尔信号A、霍尔信号B为由电机霍尔传感器采集到的原始电机霍尔信号，正转与反转时霍尔信号状态的变化顺序相反，因此根据霍尔信号的变化即可得出转子的转动方向。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置，其特征在于：包括霍尔信号整形滤波电路(1)、FPGA芯片(2)，霍尔信号整形滤波电路(1)与无刷直流电机的三路霍尔信号HA、HB、HC相连通，三路霍尔信号经整形滤波处理后，形成霍尔信号HA`、HB`、HC`；霍尔信号HA`、HB`、HC`与FPGA芯片(2)相连通，所述的FPGA芯片(2)包括转速容错测量逻辑模块(3)、转向容错测量逻辑模块(4)，转速容错测量逻辑模块(3)将转速信号传入控制电机的处理器；转向容错测量逻辑模块(4)实现电机转动方向的输出。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的电机转速和转向检测装置，其特征在于：霍尔信号整形滤波电路(1)包括：保护电路(5)、比较电路(6)、滤波电路(7)、整形电路(8)四个部分，保护电路(5)包括两个二极管，一个二极管的阳极与霍尔输入信号连通，阴极接电源，另一个二极管阳极接电源，阴极与霍尔输入信号连通；比较电路(6)包括一个开路输出比较器和两个电阻，其中一个电阻一端接比较器负输入端，一端接地，另一个电阻一端接电源，一端接比较器输出端；滤波电路(7)包括一个电阻和电容，电阻一端接比较器输出端，一端接电容，电容另一端接地；整形电路(8)包括两个反向施密特触发器，滤波电路的输出作为第一个触发器的输入，其输出作为第二个触发器的输入，第二个触发器的输出为整形滤波处理后的霍尔信号，霍尔输出信号地为电源地。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的电机转速和转向检测装置，其特征在于：转速容错测量逻辑模块(3)包括逻辑控制模块(9)、霍尔信号计数器(10)、除法器(11)，逻辑控制模块(9)完成霍尔信号计数器(10)的计数使能、清零，及除法器(11)的除法操作控制；霍尔信号计数器(10)分别对三相霍尔信号脉冲的上升沿进行计数，计数值锁存，对锁存的三个值两两加和做除法取平均值，对计算得到的两个值进行锁存，再对这两个锁存值进行加和做除法取平均值得到转速值。
4.根据权利要求1至3所述的基于FPGA的电机转速和转向检测装置，其特征在于：转向容错检测逻辑模块包括分频器(12)、脉冲宽度计数器(13)、转向逻辑判断模块(14)、转动方向判断信号滤波处理模块(15)，分频器(12)对***时钟信号进行分频得到一个周期更长的时钟信号，用时钟信号对两路霍尔信号的高电平宽度进行记录，由脉冲宽度计数器(13)对霍尔信号宽度进行锁存，转向逻辑判断模块(14)则是利用***时钟的快速性，对其中一路霍尔信号的脉冲宽度计数器(13)进行检测，转动方向判断信号滤波处理模块(15)则是利用分频器(12)分频出来的长周期时钟信号在各位置上对转动方向信号进行检测。
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