CN105577047A

CN105577047A - 一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路及监测方法

Info

Publication number: CN105577047A
Application number: CN201410542882.4A
Authority: CN
Inventors: 刘琳
Original assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Current assignee: Beijing Aeonmed Co Ltd
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-05-11

Abstract

本发明涉及无刷直流电机的霍尔器件的监测，公开了一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，包括：信号处理单元，用于处理霍尔信号；控制单元，用于接收信号处理单元输出的霍尔信号，并判断该霍尔信号的逻辑与相位；报警单元，用于提示霍尔信号逻辑或相位错误。采用信号处理单元处理霍尔信号中的噪声，克服了霍尔信号中高频干扰的影响；控制单元是可编程的逻辑处理单元，能够迅速的实现霍尔信号逻辑错误或相位、相序错误的判断。报警单元能够在霍尔信号出错时及时的发出警报，避免了因信号错误导致上桥臂、下桥臂短路使得晶体管烧毁，降低了无刷直流电机的维修成本。

Description

一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路及监测方法

技术领域

本发明涉及无刷直流电机的霍尔器件的监测，尤其是提供一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路及监测方法。

背景技术

霍尔位置传感器是无刷直流电机中的核心部件，是电磁敏感元器件，它的作用直接影响到无刷直流电机的驱动电路，直接导致电机运行不正常。当前的无刷直流电机在安装和使用过程中，一般都忽视了对霍尔器件的保护，认为霍尔器件已经密封在电机金属壳中，很安全。然而，电机在这些过程中都会不可避免的处于振动，静电，高电压，乃至恶劣的电磁环境中，都会对霍尔器件造成一定的损伤。在今后的使用中，会影响到霍尔器件的寿命，有些严重损坏的，可能当时就不能用，已经失去逻辑作用，而轻微损伤的器件，则在今后的使用中，会慢慢呈现出来。在无刷直流电机的制造过程中，还有的厂家为了省时省力，直接将霍尔器件的地线与电机绕组的电源地线直接连接到一起。当有外部干扰串入到电机的供电电源端的时候，很容易打坏霍尔器件。霍尔器件损坏后，只能更换电机，维修成本过高。

另外，无刷直流电机的工作原理是直流电源通过开关电路和驱动电路向电动机定子绕组供电。位置传感器随时检测转子位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现了电子换向。要让电机转动起来，首先控制CPU就必须根据霍尔传感器检测到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕组换相真值表中功率晶体管的导通顺序进行换相，使绕组电流依序流经电机线圈产生旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，就电机就可以转动。如图2，AH，BH，CH：三个上桥臂；AL，BL，CL：三个下桥臂。上下桥臂导通的时候，绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。因此，对霍尔器件进行实时的检测，对于迅速判断麻醉机的电气故障提供了可靠的依据。

发明内容

本发明的目的在于解决麻醉机的无刷直流电机霍尔器件信号快速监测并报警的问题，提供一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路及监测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，包括：

信号处理单元，用于处理霍尔信号；

控制单元，用于接收信号处理单元输出的霍尔信号，并判断该霍尔信号的逻辑与相位；

报警单元，用于提示霍尔信号逻辑或相位错误。

进一步，所述信号处理单元包括运算放大器、若干个电阻和若干个电容；所述运算放大器的正输入端串联第一电阻和第二电阻后接霍尔传感器；正输入端串联第一电容后接地；负输入端串联第三电阻后接地，负输入端串联第四电阻后接输出端；输出端串联第二电容和第二电阻后接正输入端；输出端串联第五电阻后接控制单元的IO。

进一步，所述控制单元包括计数器、逻辑监测模块和相位监测模块；

所述计数器分别记录一个换相周期内三路霍尔信号的时钟周期数；

所述逻辑监测模块用于监测霍尔信号的逻辑；

所述相位监测模块用于监测霍尔信号的相位和相序。

进一步，所述报警单元是警示灯或蜂鸣器等具有报警功能的器件。

进一步，所述控制单元与报警单元之间电连接数据缓冲器。

一种无刷直流电机霍尔器件信号监测方法，包括

⑴用于获得三路信号的逻辑电平的方法；无刷直流电机的霍尔传感器输出的霍尔信号经放大电路放大后输入信号处理单元，完成滤波后经过A/D转换再经IO输入到控制单元。

⑵用于比较步骤⑴中霍尔信号逻辑与霍尔信号真值表的方法。逻辑监测模块将一个换相周期内无刷直流电机的霍尔信号的逻辑与霍尔信号真值表比对，如果逻辑不同，则反馈给控制单元，控制单元控制报警单元发出错误警示。

一种无刷直流电机霍尔器件信号监测方法，包括

用于获取一个换相周期内三路霍尔信号的时钟周期数的方法；

用于获得三路霍尔信号的相位的方法；

用于判断三路霍尔信号的相位是否正确的方法。

进一步，获得一个换相周期内霍尔信号的时钟周期的方法是以任意一路信号的相邻的两个电平改变时刻为计时起点和计时终点，分别记录三路霍尔信号的时钟周期数。

进一步，获得霍尔信号相位的方法：

计算霍尔信号的一个换相周期的时间间隔；

选择一路霍尔信号的时间间隔作为基准，计算另外两路霍尔信号的时间间隔与其的比值；

计算得到三路霍尔信号的相位。

进一步，判断霍尔信号相位是否正确的方法是比较计算得到的相位角与正确的霍尔信号相位角。

本发明的有益效果是：采用信号处理单元处理霍尔信号中的噪声，克服了霍尔信号中高频干扰的影响；控制单元是可编程的逻辑处理单元，能够迅速的实现霍尔信号逻辑错误或相位、相序错误的判断。报警单元能够在霍尔信号出错时及时的发出警报，避免了因信号错误导致上桥臂、下桥臂短路使得晶体管烧毁，降低了无刷直流电机的维修成本。

附图说明

图1是本发明霍尔信号监测电路的硬件结构示意图；

图2是无刷直流电机三相全桥驱动原理图；

图3是本发明霍尔信号监测电路的一个具体实施例的硬件结构示意图；

图4是本发明中信号处理单元的电路示意图；

图5是霍尔信号逻辑与时序图；

图6是本发明霍尔信号相位、相序监测方法的流程图。

图中：

1、信号处理单元2、控制单元21、计数器

22、逻辑监测模块23、相位监测模块3、数据缓冲器

4、报警单元5、二阶低通滤波器6、FPGA芯片

7、LED灯8、电源芯片9、FPGA配置芯片

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供了一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，包括：用于处理霍尔信号的信号处理单元1；用于接收信号处理单元输出的霍尔信号，并判断该霍尔信号的逻辑与相位角的控制单元2；用于提示霍尔信号逻辑或相位错误的报警单元4。信号处理单元1可以是二阶低通滤波器。控制单元2包括计数器21、逻辑监测模块22和相位监测模块23；计数器21分别记录三路霍尔信号的一个周期内的持续时间；逻辑监测模块22用于判断错误逻辑电平并发送报警指令；相位监测模块23用于判断错误相位并发送报警指令。控制单元2与报警单元4之间电连接数据缓冲器3。

如图2所示，a相、b相和c相绕组分别与功率晶体管(AH,AL)，(BH,BL)，(CH,CL)相接,图中，AH，BH，CH：三个上桥臂；AL，BL，CL：三个下桥臂。上下桥臂导通的时候，绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上桥臂(或下桥臂)尚未完全关闭，下桥臂(或上桥臂)就已开启，结果就造成上、下桥臂短路而使功率晶体管烧毁。

如图3所示，控制单元2利用FPGA芯片6作为主控，其各个管脚具有高速的处理能力，可以有效的处理霍尔信号，霍尔信号的使用频率在1kHz以下。电源芯片8和FPGA配置芯片9与FPGA芯片6的IO电连接。霍尔信号首先输入到二阶低通滤波器5再输入到FPGA芯片6。FPGA芯片6内部程序实现对霍尔信号的逻辑信号存储和判断，并在各个电机换相周期内计算霍尔信号相互之间的相序与相位。如果出现异常的逻辑电平错误，或者相位与相序上的错误，就通过数据缓冲器3点亮相应的LED灯7，可以直观表达出故障。除了LED灯7外，报警单元还可能包括蜂鸣器。

如图4所示，二阶低通滤波器包括运算放大器、若干个电阻和若干个电容；所述运算放大器的正输入端串联第一电阻和第二电阻后接霍尔传感器；正输入端串联第一电容后接地；负输入端串联第三电阻后接地，负输入端串联第四电阻后接输出端；输出端串联第二电容和第二电阻后接正输入端；输出端串联第五电阻后接控制单元的IO。二阶低通滤波器的截止频率是20kHz。

表1是电机转动时霍尔信号的真值表，霍尔信号的6个状态为：101-100-110-010-011-001；正常状态下，这6个状态一直在循环往复.其他的2个状态000和111都是错误的状态，此时错误指示输出那一栏的输出为零，逻辑监测模块将出错信号反馈给FPGA芯片6，FPGA芯片6通过数据缓冲器3点亮相应的LED灯7，可以直观表达出故障。

表1真值表

如图4和6所示，霍尔信号相位监测方法包括FPGA程序配置步骤61，以霍尔信号SA的上升沿为触发开始，计数器计数，以中断的方式记录S_A、S_B、S_C的时钟周期数的步骤62，以霍尔信号S_A的第二个上升沿为结束，计数器计数，S_A、S_B、S_C的时钟周期数分别是Na、Nb、Nc的步骤63，每个换相周期中三路霍尔信号严格按照6个状态运行，每相邻的两个上升沿或下降沿的时间间隔均为NaT/6、NbT/6、NcT/6的步骤64，选择NaT/6为基准，计算另外两路霍尔信号的时间间隔与其的比值的步骤65，计算分别都得到三路霍尔信号S_A、S_B、S_C的相位角的步骤66以及判断S_A、S_B、S_C的相位和相序的步骤67。

具体过程是：

向FPGA中烧进监测程序，电机正转时，以霍尔信号S_A的上升沿时刻(即状态101时刻)为时间零点，计数器开始计数，以相邻的下一个S_A的上升沿时刻为计时终点，计数器停止计数。FPGA采用中断的方式记录霍尔信号S_A、S_B和S_C的时钟周期数Na、Nb和Nc。因为时钟周期是T，S_A的周期就是NaT，由于霍尔信号严格按照图4中的六步状态(101-100-110-010-011-001)来运行的，可以从图4观察到，每一个霍尔信号(S_A，S_B，S_C)的上升沿或下降沿的变化，都对应着六步状态中的一个状态。因此，每相邻两个沿(上升沿或下降沿)的时间间隔是NaT/6，NbT/6和NcT/6。又因为NaT＝360°，那么每相邻两个沿的时间间隔NaT/6＝60°。以NaT/6为基准，计算NbT/6与NaT/6的比值为Nb/Na，NcT/6与NaT/6的比值为Nc/Na，那么可以得到霍尔信号S_A、S_B和S_C各自的相位角。

同样电机反转时，以霍尔信号S_A的上升沿时刻(即状态101时刻)为时间零点，按照相通的方法计算出三路霍尔信号各自的相位角。

如图5所示，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S_A的相位超前霍尔信号S_B的相位120°，霍尔信号S_B的相位超前霍尔信号S_C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S_C的相位超前霍尔信号S_B的相位120°，霍尔信号S_B的相位超前霍尔信号S_A的相位120°。

将计算得到的相位角与正常情况下的霍尔信号相位角做比较，如果不同，相位监测模块将出错信号反馈给FPGA芯片6，FPGA芯片6通过数据缓冲器3点亮相应的LED灯7，可以直观表达出故障。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims

1.一种无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，其特征在于，包括：

信号处理单元，用于处理霍尔信号；

报警单元，用于提示霍尔信号逻辑或相位错误。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，其特征在于，所述信号处理单元包括运算放大器、若干个电阻和若干个电容；所述运算放大器的正输入端串联第一电阻和第二电阻后接霍尔传感器；正输入端串联第一电容后接地；负输入端串联第三电阻后接地，负输入端串联第四电阻后接输出端；输出端串联第二电容和第二电阻后接正输入端；输出端串联第五电阻后接控制单元的IO。

3.根据权利要求1或2所述的无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，其特征在于，所述控制单元包括计数器、逻辑监测模块和相位监测模块；

所述逻辑监测模块用于监测霍尔信号的逻辑；

所述相位监测模块用于监测霍尔信号的相位和相序。

4.根据权利要求1所述的无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，其特征在于，所述报警单元是警示灯或蜂鸣器等具有报警功能的器件。

5.根据权利要求1、2或4所述的无刷直流电机霍尔器件信号监测电路，其特征在于，所述控制单元与报警单元之间电连接数据缓冲器。

6.一种无刷直流电机霍尔器件信号监测方法，其特征在于，包括：

⑴用于获得三路信号的逻辑电平的方法；

⑵用于比较步骤⑴中霍尔信号逻辑与霍尔信号真值表的方法。

7.一种无刷直流电机霍尔器件信号监测方法，其特征在于，包括：

用于获得三路霍尔信号的相位的方法；

用于判断三路霍尔信号的相位是否正确的方法。

8.根据权利要求7所述的无刷直流电机霍尔器件信号监测方法，其特征在于，获得一个换相周期内霍尔信号的时钟周期数的方法是以任意一路信号的相邻的两个电平改变时刻为计时起点和计时终点，分别记录三路霍尔信号的时钟周期数。

9.根据权利要求7所述的无刷直流电机霍尔器件信号监测方法，其特征在于，获得霍尔信号相位的方法包括：

计算霍尔信号的一个换相周期的时间间隔；

计算得到三路霍尔信号的相位。

10.根据权利要求7所述的无刷直流电机霍尔器件信号监测方法，其特征在于，判断霍尔信号相位是否正确的方法是比较计算得到的相位角与正确的霍尔信号相位角。