CN106093456B - 一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统，包括硬预处理模块、软预处理模块和测速模块；硬预处理模块对霍尔信号在传输途径中产生的霍尔高频噪声进行去除，并对去噪后的霍尔信号进行边沿陡化后送至软预处理模块；软预处理模块消除输入进来的霍尔信号的高频大功率野值，得到处理后的霍尔信号；测速模块根据处理后的霍尔信号进行测速运算，得到转子转速。本发明实现了高速电机快速、高精度、高可靠的速度检测，非常适合应用于航天用高速电机的速度检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统，适用于航天用高速电机的转速检测，具有精度高、响应快、抗干扰性强等特点。
背景技术
控制力矩陀螺靠改变转子角动量的方向输出力矩，用以调整航天器姿态。转子转速直接影响转子角动量大小，进而影响控制力矩陀螺输出力矩精度。因此，控制力矩陀螺对转子转速的控制精度要求很高。而转速检测精度直接影响转速的控制精度。
控制力矩陀螺的转子转速使用开关霍尔传感器进行检测。霍尔传感器埋置在电机定子上，其电源及信号线需要经过真空插头、导电滑环、航空插头、驱动板接插件、驱动板、背板接插件、背板等多个连接环节才接入到控制板上。虽然本体到线路盒的连接线使用屏蔽线，霍尔信号进入处理器前仍会引入大量干扰，包括如上众多连接环节会引入驱动开关扰动、电源开关扰动，还包括电机绕组电磁扰动、外部设备串扰等。这些干扰会使处理器检测到错误的霍尔边沿信号。现有测速方法未对霍尔信号进行有效的预处理，导致解算出错误的转速。
现有测速方法通过测量霍尔信号相邻上升沿的时间解算转子转速。对多对极转子而言，各磁极的加工、充磁、装配误差会导致霍尔信号相邻上升沿对应的转子旋转角度不一致，最终产生转速解算误差。
现有测速方法未要求使用霍尔信号上升沿还是下降沿解算转速，霍尔信号上升沿过度过程时间长，受噪声干扰概率大。
转子转速检测的错误不仅会使转速控制精度变差，严重情况下还会使转速一直处于大幅调制状态，大幅增加系统功耗。如不对现有检测方法进行处理，在GNC系统联调或空间辐射环境下，上述情况有进一步恶化的可能性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统，实现高速电机快速、高精度、高可靠的速度检测，非常适合应用于航天用高速电机的速度检测。
本发明的技术方案是：一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统，包括硬预处理模块、软预处理模块和测速模块；硬预处理模块对霍尔信号在传输途径中产生的霍尔高频噪声进行去除，并对去噪后的霍尔信号进行边沿陡化后送至软预处理模块；软预处理模块消除输入进来的霍尔信号的高频大功率野值，得到处理后的霍尔信号；测速模块根据处理后的霍尔信号进行测速运算，得到转子转速。
所述硬预处理模块包括RC滤波单元和施密特触发器单元；RC滤波单元用以去除霍尔信号在传输途径中产生的霍尔高频噪声，施密特触发器对去噪后的霍尔信号进行边沿陡化，减小过度过程时间。
所述软预处理模块包括滑动窗口滤波单元和抗突变滞环单元；所述滑动窗口滤波单元的窗口宽度N大于输入的霍尔信号0/1跳变带的宽度，且小于半个霍尔周期宽度；在窗口宽度N内将预处理后的霍尔信号的采样值相加，与N/2比较，如果大于N/2，则滑动窗口滤波单元输出为1，否则滑动窗口滤波单元输出为0；滑动窗口位置随时间更新，每次计算时更新窗头数据，同时去掉上次窗尾数据，依此循环进行；N为正整数；
抗突变滞环单元分析滑动窗口滤波单元滤波后的霍尔信号，如果其数值与前一时刻霍尔信号一致，则将滤波后的霍尔信号发送给测速模块，否则，计算当前时刻到上一次霍尔变化时刻的时间，如果大于等于在转子最高转速下的半霍尔周期宽度，则将滤波后的霍尔信号发送给测速模块；否则，把前一时刻霍尔信号发送给测速模块。
所述测速模块包括整圈M法测速单元和三相测速选择单元；整圈M法测速单元使用软预处理单元输出的间隔为极对数的霍尔信号下降沿，测算两下降沿间的时钟个数，解算出电机转速；三相测速选择单元比较霍尔A、B、C三通道解算出的电机转速，选择中间值，作为最终的电机转速值。
本发明的有益效果：
(1)本发明设计了一种滑动窗口滤波器，根据窗口内有效值数量判定输出值，消除霍尔边沿多判或漏判现象，提高了测速鲁棒性。
(2)本发明设计了一种针对大功率干扰的抗突变滞环滤波器。如果当前霍尔信号变化速度大于最大转速下霍尔信号变化速度，则判定当前霍尔信号为噪声信号，滤波器输出为上一时刻霍尔信号值，提高了测速鲁棒性。
(3)本发明提出了一种整圈测速方法，有效避免了各磁极的加工、充磁、装配误差对测速影响，提高了测速精度。
(4)本发明使用霍尔下降测速，霍尔信号下降沿过度过程时间短，受噪声干扰概率小，提高了测速精度。
附图说明
图1电机转速高精度高鲁棒检测系统总体框图；
图2霍尔信号硬预滤波模块；
图3霍尔信号噪声及滑动窗口示意图；
图4滑动窗口滤波单元流程图；
图5抗突变滞环单元流程图；
图6整圈M法测速示意图；
具体实施方式
如图1所示，本专利主要包括三个模块，一是硬预处理模块，主要通过硬件实现，实现对霍尔高频噪声的预处理和边沿陡化功能；二是软预处理模块，在FPGA中实现，主要包括滑动窗口滤波单元和抗突变滞环单元，消除霍尔信号的高频大功率野值；三是测速单元，在FPGA中软件编程实现，包括整圈M测速单元，三相测速选择单元，实现高精度测速。
1、硬预处理模块
如图2所示，硬预处理模块主要包括RC滤波器和施密特触发器，RC滤波单元有电阻R和电容C组成，用以消除霍尔信号在传输途径中引入的干扰。使用施密特触发器陡化霍尔信号边沿，减小过度过程。
2、软预处理模块
2.1滑动窗口滤波单元
图3所示为经过硬预处理模块之后的霍尔信号。由图可见，硬预处理后的霍尔信号边沿处仍出现因高频噪声导致的毛刺。
图4所示为滑动窗口滤波单元的流程图，窗口宽度N可调，最小不低于最大0/1跳变带的宽度，最大不超过最高转速下的半霍尔周期宽度。在窗口宽度N内将软预处理后的霍尔信号的采样值相加，与N/2比较，如果大于N/2，则滑动窗口滤波单元输出为1，否则滑动窗口滤波单元输出为0；滑动窗口位置随时间更新，每次计算时更新窗头数据，同时去掉上次窗尾数据，依此循环进行；
2.2抗突变滞环单元
为防止霍尔边沿后的密集宽幅干扰所带来的霍尔信号突变现象，需要对滑动窗口滤波后的霍尔信号进行抗突变处理。图5所示为抗突变滞环单元的流程图。抗突变滞环单元分析滑动窗口滤波单元滤波后的霍尔信号，如果其数值与前一时刻霍尔信号一致，则将滤波后的霍尔信号发送给测速模块。否则，计算当前时刻到上一次霍尔变化时刻的时间，如果大于等于在转子最高转速下的半霍尔周期宽度，则将滤波后的霍尔信号发送给测速模块；否则，把前一时刻霍尔信号发送给测速模块。
3、测速模块
3.1、整圈M法测速单元
霍尔下降沿下降速度明显快于上升沿上升速度。为减小霍尔信号0/1跳变带的宽度，使用霍尔下降沿转速检测。
电机转子永磁体由多块N-S交错磁体拼接而成。因加工、装配误差造成每个磁极宽度不同。如图6所示，为减小测速误差，在使用M法测速时，要根据转子旋转一整圈(P对极时，需要数P个下降沿)所需时钟个数为NCLK，电机转速V为:
其中，fCLK为时钟频率。
3.2、三相测速选择单元
为进一步提高测速鲁棒性，将三个霍尔模块用前述步骤1-3的方法进行处理得到转速A、转速B、转速C。将三个转速进行比较，选择中间值，作为最终的电机转速值。
实施例1
(1)功能：CMG高速转子测速，实现在强干扰环境下的高速电机高精度测速，转子转速7000转/分，测速精度<1/10000，无转速跳变现象。
(2)硬预滤波模块：RC滤波截止频率>20k Hz，在滤除高频噪声的同时，减小对霍尔信号边沿的影响。斯密特触发器使用74HC14芯片。
(3)软预滤波模块：设定FPGA基准时钟频率为16M Hz，转子转速7000转/分，窗口长度N取为100,当采样到高电平的个数大于50时，表示当前霍尔信号为高电平。
(4)测速模块：电机极对数P为12对极。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (3)
1.一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统，其特征在于：包括硬预处理模块、软预处理模块和测速模块；硬预处理模块对霍尔信号在传输途径中产生的霍尔高频噪声进行去除，并对去噪后的霍尔信号进行边沿陡化后送至软预处理模块；软预处理模块消除输入进来的霍尔信号的高频大功率野值，得到处理后的霍尔信号；测速模块根据处理后的霍尔信号进行测速运算，得到转子转速；
所述软预处理模块包括滑动窗口滤波单元和抗突变滞环单元；所述滑动窗口滤波单元的窗口宽度N大于输入的霍尔信号0/1跳变带的宽度，且小于半个霍尔周期宽度；在窗口宽度N内将预处理后的霍尔信号的采样值相加，与N/2比较，如果大于N/2，则滑动窗口滤波单元输出为1，否则滑动窗口滤波单元输出为0；滑动窗口位置随时间更新，每次计算时更新窗头数据，同时去掉上次窗尾数据，依此循环进行；N为正整数；
抗突变滞环单元分析滑动窗口滤波单元滤波后的霍尔信号，如果其数值与前一时刻霍尔信号一致，则将滤波后的霍尔信号发送给测速模块，否则，计算当前时刻到上一次霍尔变化时刻的时间，如果大于等于在转子最高转速下的半霍尔周期宽度，则将滤波后的霍尔信号发送给测速模块；否则，把前一时刻霍尔信号发送给测速模块。
2.根据权利要求1所述的一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统，其特征在于：所述硬预处理模块包括RC滤波单元和施密特触发器单元；RC滤波单元用以去除霍尔信号在传输途径中产生的霍尔高频噪声，施密特触发器对去噪后的霍尔信号进行边沿陡化，减小过度过程时间。
3.根据权利要求1所述的一种高速电机的高精度高鲁棒转速检测系统，其特征在于：所述测速模块包括整圈M法测速单元和三相测速选择单元；整圈M法测速单元使用软预处理单元输出的间隔为极对数的霍尔信号下降沿，测算两下降沿间的时钟个数，解算出电机转速；三相测速选择单元比较霍尔A、B、C三通道解算出的电机转速，选择中间值，作为最终的电机转速值。
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