CN100507571C - 一种电机内部均值滤波触发测速装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测速装置，尤其涉及一种电机内部低成本高精度均值滤波触发测速装置。其包括信号采集装置，所述的信号采集装置包括信号齿轮，信号齿轮设置在电机轴的一端，信号齿轮的一侧设有永久磁铁，在信号齿轮和永久磁铁间设有线形霍尔传感器；霍尔传感器连接着至少两列的均值滤波信号处理电路。本发明主要是提供了一种成本低，高精度，工作原理简单，输出信号波形均匀，避免了相位抖动现象的电机内部低成本高精度均值滤波触发测速装置；解决现有技术所存在的成本高，转速测量误差大，不能保证精度的技术问题。

Description

一种电机内部均值滤波触发测速装置

技术领域

本发明涉及一种测速装置，尤其涉及一种电机内部低成本高精度均值滤波触发测速装置。

背景技术

采用霍尔传感器作为信号检测元件，在电动机、发电机电控系统等方面以及在其它工业领域已经得到了广泛的应用。但现有的测速装置是在电机的转轴上安装一个圆形的磁钢，N、S极均匀的间隔分布在磁钢的圆周上，两个霍尔传感器并列安装在与磁钢轴心平行的平面上，当电机运行的时候，磁钢的N、S极交替作用在霍尔传感器的感应面上，传感器输出的正弦信号经过信号处理电路变成频率方波信号。但是由于国内加工水平的限制，磁钢的磁极充磁不均匀，造成霍尔传感器输出的正弦信号不规则，使得最后的方波信号出现相位抖动现象，加上后续的信号处理电路直接采用固定电平触发，造成转速测量误差大。当然也有设计人对霍尔传感器作出了相应的改变，如专利文件：“霍尔转速传感器(CN87216697)”，其公开了一种采用一对磁极，一个霍尔开关，一个非磁性材料的框架和一个带通孔的导磁体。但是这种结构的传感器采用的是开关霍尔元件，而目前市场上的开关霍尔元件不论是单极霍尔元件，还是双极霍尔元件，其门槛磁通Bop为固定值，当磁通高于该Bop值时则输出为低，而高于该Bop值时为高。通过试验，如果采用开关霍尔元件来测量该中轴波动的正弦磁通时，则会使输出的脉冲的周期偏差很大。而且采用这种原理的传感器在汽车电机轴转速的测量中还没用应用，因为其输出信号为不规则的正弦信号。

发明内容

本发明主要是提供了一种成本低，高精度，工作原理简单，输出信号波形均匀，避免了相位抖动现象的电机内部低成本高精度均值滤波触发测速装置；解决现有技术所存在的成本高，转速测量误差大，不能保证精度的技术问题。

同时，本发明还提供了一种结构简单，实时采集精度高的电机内部低成本高精度均值滤波触发测速装置；解决了现有技术中存在的充磁复杂，技术要求高的技术问题。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种电机内部均值滤波触发测速装置，包括信号采集装置，所述的信号采集装置包括信号齿轮，信号齿轮设置在电机轴的一端，信号齿轮的一侧设有永久磁铁，在信号齿轮和永久磁铁间设有线形霍尔传感器；霍尔传感器连接着至少两列的均值滤波信号处理电路。当齿轮旋转时，齿轮切割闭合磁路，由于钢铁和空气的磁阻不同，使得闭合磁路的磁强发生大小交替变化，线形霍尔传感器就会输出原始正弦信号，再由均值滤波信号处理电路输出方波信号。由于电机的参数有两个，方向和转速，因此在信号输出端也分为了两路，使得输出的参数更确切。本发明的电机测速装置，尤其适用于汽车等用的小型直流电机的电机转速测量。其原材料、器件的成本低，工作原理简单，精度可保证5％，一般可达到3％以内。

均值滤波信号处理电路只需要由霍尔元件采集的不规则正弦波信号转化为规则的矩形波信号，因此，其可以为已知的任何形式的电路，作为优选，所述均值滤波信号处理电路包括连接着霍尔传感器输出端的输入滤波单元，输入滤波单元连接着对称滤波单元和动态求均值单元，对称滤波单元和动态求均值单元分别连接在比较器的两个输入端，比较器连接着输出信号端。均值滤波信号处理电路利用动态求均值的输出作为比较器的参考电平，使得该测速装置不受正弦信号波动的影响，从而能比一般比较器电路获得更低周期偏差的矩形波信号；而且这种形式的电路结构简单，成本低，实时采集精度高，输出信号波形均匀。比较器由U1和R4组成，该比较器件能够有效的防止低频干扰所引发的比较器误动作。

作为优选，所述的输入滤波单元为RC电路组成的无源滤波器或者RC与运算放大器构成的有源滤波器。R1，C1组成滤波器的截止频率为两倍正弦信号的上限频率，其能在几乎不削弱正弦信号幅值的同时有效的滤除信号中的毛刺干扰。当然，在空间和成本要求比较低时可以采用有源滤波来取得更好的滤波效果。

作为优选，所述的动态求均值单元是由连接在输入滤波单元的输出端的电阻R3，以及连接在R3另一端的并联的R3′、C3构成；R3′、C3的另一端均接地，R3的另一端连接在比较器的反向输入端。由R3、R3’和C3组成，通过调节其参数，能够动态的求取正弦波形的平均值，使得均值可以随着正弦波中轴线的波动而波动。再以该均值电路的输出值作为比较器的参考电压，可以进一步减少输出矩形波由于输入正弦波的波动而产生周期偏差。

作为优选，所述的对称滤波单元是由连接在输入滤波单元的输出端的电阻R2，以及连接在R2的另一端的C2构成；C2的另一端接地，R2的另一端也连接在比较器的同向输入端。R2，C2组成的滤波器除了能够对输入信号作进一步的滤波处理之外，主要用来平衡比较器的正负端的输入阻抗，能有效的降低比较器的输出反馈信号对霍尔元件输入信号产生的不良影响。

作为优选，所述的均值滤波信号处理电路包括连接着霍尔传感器输出端的信号放大单元，信号放大单元连接着输入滤波单元，输入滤波单元的一端连接着动态求均值单元，另一端连接在比较器的同向输入端，动态求均值单元的另一端连接在比较器的反向输入端。通过了信号放大单元，使得信号处理更加准确。

作为优选，信号齿轮的齿宽和齿间距的比例范围为1：1～2.5。作为更优选，其比例可以选择在1：2，这样输出的信号采集更易分析处理，使得精度更高。

作为优选，均值滤波信号处理电路有两路，分别为方向信号处理电路和转速信号处理电路；速度信号直接由其中一路输出，而方向信号是由两路信号通过逻辑处理之后输出，输出为集电极开路。

作为优选，所述的霍尔传感器的感应面与磁力线垂直，所述的永久磁铁是由两块磁钢的N、S极顺序连接构成封闭的磁路。两块方形的永久磁钢2并行安装在与齿轮轴线平行的一块薄钢板上，安装时这两块磁钢的N、S极要相反，这样通过薄钢板和空气，这两块磁钢的磁力线构成了一个闭合的磁路。

因此，本发明的电机内部均值滤波触发测速装置具有下述优点：1、成本低，精度高；2、原理简单，很好的避免了相位的抖动现象；3、实时采集精度高，生产工艺简单，原材料、器件成本低；4、输出信号波形均匀，测量误差小。

附图说明：

图1是本发明的一种电机内部均值滤波触发测速装置的原理图。

图2是图1的信号处理框图。

图3是图2的具体电路图。

图4是图1的另一种信号处理框图。

图5是图4的具体电路图。

具体实施事例：

下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如附图1和2和3所示，一种电机内部均值滤波触发测速装置，包括信号采集装置和两路均值滤波信号处理电路1。其中信号采集装置包括信号齿轮4，信号齿轮4的齿宽与齿间距的比例为1：2，信号齿轮4设置在电机轴的一端，信号齿轮4的一侧设有永久磁铁2，两块方形的永久磁铁2并行安装在与齿轮轴线平行的一块薄钢板上，安装时这两块磁钢的N、S极要相反，这样通过薄钢板和空气，这两块磁钢的磁力线构成了一个闭合的磁路；在信号齿轮4和永久磁铁2间设有线形霍尔传感器3，霍尔传感器3的感应面与磁力线垂直。当齿轮4旋转时，齿轮4切割闭合磁路，由于钢铁和空气的磁阻不同，使得闭合磁路的磁强发生大小交替变化，线形霍尔传感器3就会输出原始正弦信号，再由均值滤波信号处理电路1输出方波信号。两路均值滤波信号处理电路1包括转速信号处理电路5和方向信号处理电路6，两路矩形波的相位相差90°，速度信号是由其中的一路输出得到，而方向信号则是由两路信号通过逻辑处理之后输出，输出都是集电极开路。均值滤波信号处理电路1，包括连接着霍尔传感器3输出端A的输入滤波单元7，输入滤波单元7连接着对称滤波单元8和动态求均值单元9，对称滤波单元8和动态求均值单元9分别连接在比较器10的两个输入端，比较器10连接着输出信号端B。

霍尔传感器3输出端连接着输入滤波单元7的电阻R1，R1的另一端分别连接有电容C1、对称滤波单元7的电阻R2和动态求均值单元9的电阻R3。C1的另一端接地，R2的另一端分别连接着C2和比较器LM2903的同向输入端，R3的另一端分别连接着并列的R3′、C3，还有比较器LM2903的反向输入端。C2的另一端接地，R3′、C3的另一端同时接地。在比较器LM2903的同向输入端与输出端之间连接有电阻R4。

实施例2：

如附图1和4和5所示，一种电机内部均值滤波触发测速装置，包括信号采集装置和两路均值滤波信号处理电路1。其中均值滤波信号处理电路1包括连接着霍尔传感器3输出端的信号放大单元11，信号放大单元11连接着输入滤波单元7，输入滤波单元7的一端连接着动态求均值单元9，另一端连接在比较器10的同向输入端，动态求均值单元9的另一端连接在比较器10的反向输入端。其中输入滤波单元7采用了有源滤波器。

霍尔传感器3输出端A连接着信号放大单元11的电阻R6，R6连接着放大器TL072的同向输入端，放大器的反向输入端连接着电阻R5，R5的另一端接地；在放大器的反向输入端和输出端间连接有电阻R7。信号放大单元11的输出端连接着电阻R8，R8的另一端连接着输入滤波单元7的电容C4和电阻R10，C4的另一端连接在输入滤波单元7中的放大器TL072的输出端，R10的另一端连接着电容C5和输入滤波单元7的放大器TL072的同向输入端，C5的另一端接地，输入滤波单元7的放大器TL072的反向端连接着电阻R9的一端，其另一端接地，在输入滤波单元7的放大器TL072的反向端与输出端间连接有电阻R11。输入滤波单元的放大器TL072的输出端连接在比较器LM2903的同向输入端，其反向输入端连接着动态求均值单元9。动态求均值单元9、比较器10、还有信号采集装置与实施例1同。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的构思作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种电机内部均值滤波触发测速装置，包括信号采集装置，其特征在于：所述的信号采集装置包括信号齿轮(4)，信号齿轮(4)设置在电机轴的一端，信号齿轮(4)的一侧设有永久磁铁(2)，在信号齿轮(4)和永久磁铁(2)间设有线形霍尔传感器(3)；有两路均值滤波信号处理电路(1)，分别为方向信号处理电路和转速信号处理电路；霍尔传感器(3)连接着两路的均值滤波信号处理电路(1)；转速信号直接由转速信号处理电路得到，方向信号是由方向信号处理电路和转速信号处理电路分别输出的信号经过逻辑处理之后得到。

2.根据权利要求1所述的一种电机内部均值滤波触发测速装置，其特征在于：所述均值滤波信号处理电路(1)包括连接着霍尔传感器(3)输出端的输入滤波单元(7)，输入滤波单元(7)连接着对称滤波单元(8)和动态求均值单元(9)，对称滤波单元(8)和动态求均值单元(9)分别连接在比较器(10)的两个输入端，比较器(10)连接着输出信号端。

3.根据权利要求2所述的一种电机内部均值滤波触发测速装置，其特征在于：所述的输入滤波单元(7)为RC电路组成的无源滤波器或者RC与运算放大器构成的有源滤波器。

4.根据权利要求3所述的一种电机内部均值滤波触发测速装置，其特征在于：所述的动态求均值单元是由连接在输入滤波单元(7)的输出端的电阻R3，以及连接在电阻R3另一端的并联的电阻R3′、电容C3构成；电阻R3′、电容C3的另一端均接地，电阻R3的另一端连接在比较器(10)的反向输入端。

5.根据权利要求4所述的一种电机内部均值滤波触发测速装置，其特征在于：所述的对称滤波单元(8)是由连接在输入滤波单元(7)的输出端的电阻R2，以及连接在电阻R2的另一端的电容C2构成；电容C2的另一端接地，电阻R2的另一端也连接在比较器(10)的同向输入端。

6.根据权利要求1所述的一种电机内部均值滤波触发测速装置，其特征在于：所述的均值滤波信号处理电路包括连接着霍尔传感器(3)输出端的信号放大单元(11)，信号放大单元(11)连接着输入滤波单元(7)，输入滤波单元(7)的一端连接着动态求均值单元(9)，另一端连接在比较器(10)的同向输入端，动态求均值单元(9)的另一端连接在比较器(10)的反向输入端。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种电机内部均值滤波触发测速装置，其特征在于：信号齿轮(4)的齿宽和齿间距的比例范围为1：1～2.5。

8.根据权利要求1所述的一种电机内部均值滤波触发测速装置，其特征在于：所述的霍尔传感器(3)的感应面与磁力线垂直，所述的永久磁铁(2)是由两块磁钢的N、S极顺序连接构成封闭的磁路。

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