CN108599635A - 一种无刷直流电机测角测速装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无刷直流电机测角测速装置和方法，利用两个霍尔元件测出转子角度并进而计算出转子转速。本发明利用包含线性霍尔与开关霍尔元件的无刷直流电机测角系统对无刷直流电机进行转子位置解算和速度测算，有效地降低了位置传感器的成本，同时实现了高精度测角、扇区判断和高精度测速功能，兼顾了无刷直流电机测速系统的成本因素与测角测速精度因素。传统的光电编码器与旋转编码器需要占用轴向上至少20mm空间，本发明将传感器置于电机内部，相对于传统编码器具有体积与成本优势。

Description

一种无刷直流电机测角测速装置及方法
技术领域
本发明涉及一种无刷直流电机测角测速装置及方法，属于电机检测领域。
背景技术
霍尔元件是一种对磁场敏感的元件，主要分为线性霍尔元件和开关霍尔元件。线性霍尔元件输出模拟信号，而开关霍尔元件输出高低电平，相当于数字信号。线性霍尔元件具有精度高、线性好、温度范围宽的特点。开关霍尔元件则具有无触点、无磨损、无抖动、位置重复精度高、无回跳、温度范围宽的优点。随着磁场极性的不同，开关霍尔元件输出高低电平。
现有直流电机测速系统，针对气隙磁场正弦分布的直流电机，在电机定子上设置三个线性霍尔元件，相邻线性霍尔元件以互差120度的方式分布在与转轴垂直的平面上，在以转轴为圆心的圆周上获取空间磁场信号进行位置检测。例如公告号为CN103731077A的中国发明专利，公开了一种“电机转子位置和转速的检测装置及方法”，根据三个线性霍尔元件输出的电压值大小确定转子位置，进行区间判断和测速。但该种方法成本偏高，三个线性霍尔增加了硬件装置的成本。
而针对气隙磁场梯形波分布的无刷直流电机，通常在电机定子上设置三个开关霍尔元件，各开关霍尔元件以互差120°电角度的方式分布在与转轴垂直的平面上，在以转轴为圆心的圆周上获取气隙磁场信号进行位置检测与测速。例如，公告号为CN103956878A的中国发明专利，公开了一种“2极无刷直流电机位置传感器及其检测方法”，利用三个开关霍尔元件感测气隙磁场，并将其转换为可以表示转子所在扇区位置的电压信号，实现将相差120°电角度的三相无刷直流电机换相信号输出。通过计数单位时间内开关霍尔输出的方波数量实现测速功能。但由于信号发生过程中仅存在一对磁场信号，导致测速分辨率和精度很低。增加转子极对数可以提高分辨率和精度，但会导致成本上升。
发明内容
发明目的：本发明提出一种无刷直流电机测角测速装置和方法，以较低的成本实现高精度位置和速度的检测。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种无刷直流电机测角测速装置，包括线性霍尔元件和开关霍尔元件，线性霍尔元件的输出信号经由解算电路计算得到初步的转子的角度值，开关霍尔元件的输出信号经由电压比较电路后得到高低电平，所述角度值和高低电平均输入位置检测模块，由位置检测模块得到转子角度值。转子角度值接着输入扇区判断模块，分辨出转子位于哪个扇区。转子角度信号连续地输入测速模块，所述高低电平和转子角度均输入测速模块，由测速模块计算得到转速。
所述解算电路为反余弦结算电路。
所述线性霍尔元件和开关霍尔元件之间成90度夹角。
一种无刷直流电机测角测速方法，包括安装于电机内的线性霍尔元件和开关霍尔元件，步骤如下：
1)将开关霍尔元件和线性霍尔元件输出的电压信号进行处理，分别得到高低电平信号和转子初步的角度值；
2)若高低电平信号为低电平，则所述角度值即为转子角度；若高低电平信号为高电平，则以360°减去所述角度值得到转子角度；
3)再根据高低电平信号和所述转子角度，在开关霍尔元件相邻两次采样之间计算转子转速。
所述步骤1)中转子的角度值除以幅值作归一化处理后经过反余弦计算，再进入步骤2)。
所述线性霍尔元件安装于电机转子的初始位置。
还包括步骤4)根据所述转子角度，进行扇区划分，
若上述位置检测结果在(0°，30°)或(330°，360°)内，则转子位于第1扇区；
若上述位置检测结果在(30°，90°)内，则转子位于第2扇区；
若上述位置检测结果在(90°，150°)内，则转子位于第3扇区；
若上述位置检测结果在(150°，210°)内，则转子位于第4扇区；
若上述位置检测结果在(210°，270°)内，则转子位于第5扇区；
若上述位置检测结果在(270°，330°)内，则转子位于第6扇区。
有益效果：本发明利用包含线性霍尔与开关霍尔元件的无刷直流电机测角装置对无刷直流电机进行转子位置解算和速度测算，降低了位置传感器的成本，同时实现了高精度测角、扇区判断和高精度测速功能，兼顾了无刷直流电机测速系统的成本因素与测角测速精度因素。传统的光电编码器与旋转编码器需要占用轴向上至少20mm空间，本发明将传感器置于电机内部，相对于传统编码器具有体积与成本优势。
附图说明
图1为本发明霍尔元件装配示意图；
图2为测角流程图；
图3为线性霍尔元件的时域信号图；
图4为扇区分布图；
图5为测速流程图；
图6为本发明无刷直流电机测角装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图5所示，本发明的无刷直流电机测角装置包括线性霍尔元件8和开关霍尔元件9，来自线性霍尔元件8的电压信号输入反余弦解算电路得到转子初步的角度值，来自开关霍尔元件9的电压信号输入电压比较电路后得到高低电平，所述角度值和高低电平均输入位置检测模块计算得转子角度信号。转子角度信号接着输入扇区判断模块，此模块由电压比较电路组合实现，从而分辨出转子位于哪个扇区。同时位置检测模块输出的转子角度信号连续的输入测速模块，而开关霍尔元件8经由电压比较器输出的电压信号也输入测速模块，从而测速模块计算得到转速信号。
测速模块是由信号存储电路和除法电路组成，信号存储电路储存来自位置检测模块的转子角度信号，除法电路进行运算得到转速信号。
如图1所示，图中以顺时针方向为正方向。本发明中的线性霍尔元件8和开关霍尔元件9均安装于定子端面内环处。将线性霍尔元件8安装于永磁转子7的初始角度位置上，在提前永磁转子7初始角度90度的位置安装开关霍尔元件9，保证两个霍尔元件之间互相距离90度的角度，并且两个霍尔元件的法线均通过电机转轴中心10，以保证霍尔元件能够获得最大磁场信号，这样能够提高信号精度。线性霍尔元件8和开关霍尔元件9的输出电压信号线从定子端部引出，将线性和开关霍尔元件的电压信号分别经由反余弦解算电路和电压比较电路处理后，再输入位置检测模块、扇区判断模块和测速模块，分别实现测角、扇区判断和测速功能。
如图2所示，所述位置检测模块，输入信号为线性霍尔元件8输出的电压信号与开关霍尔元件9输出的电压信号。当电机旋转时，线性霍尔元件8输出连续的余弦波，其中Vmax为检测到的最大磁场强度时输出的电压值。
因此我们可以利用反余弦函数求出电角度。首先将线性霍尔原件输出的电压信号除以幅值作归一化处理，处理后的信号值进行反余弦变换得到(0°，180°)范围内的值。转子角度0°由增长至180°时，反余弦结果值由0增长至180，此时开关霍尔元件输出的电压信号为低电平；转子角度180°由增长至360°时，反余弦结果值由180减小至0，此时开关霍尔元件输出的电压信号为高电平。若要解算得到(0°，360°)区间的转子位置信号，需要利用开关霍尔元件9输出的电压信号对反余弦结果进行处理：若开关霍尔元件9输出的电压信号为低电平，则以上述反余弦变换结果值作为此时的转子角度；若开关霍尔元件9输出的电压信号为高电平，则以360°与上述反余弦变换结果值的差值作为此时的转子角度。从而，得到(0°，360°)范围内的转子角度。
所述扇区判断模块，利用上述位置检测模块所得到的转子角度进行判断。具体扇区的分布参考图3扇区分布图。
若上述位置检测结果在(0°，30°)或(330°，360°)内，则转子位于第1扇区；
若上述位置检测结果在(30°，90°)内，则转子位于第2扇区；
若上述位置检测结果在(90°，150°)内，则转子位于第3扇区；
若上述位置检测结果在(150°，210°)内，则转子位于第4扇区；
若上述位置检测结果在(210°，270°)内，则转子位于第5扇区；
若上述位置检测结果在(270°，330°)内，则转子位于第6扇区。
所述测速模块，如图4所示，输入信号为开关霍尔元件9输出的高低电平信号与上述位置检测模块输出的转子角度。记录开关霍尔元件9上一采样时刻输出的电压值，并与下一采样时刻输出的电压值作差，结果记为差值A。记录位置检测模块上一采样时刻输出的转子角度，并与下一采样时刻输出的转子角度作差，结果记为差值B。差值A的作用在于判别转子是否转过了一个完整的周期，即处理0°和360°处数值突变的问题。
若差值A与差值B同时大于0，则输出常数值-360；
若差值A与差值B同时小于0，则输出常数值360；
否则，输出常数值0。
将常数值与差值B作差后除以采样时间求得精确的转速。

Claims (7)

1.一种无刷直流电机测角测速装置，其特征在于：包括线性霍尔元件(8)和开关霍尔元件(9)，线性霍尔元件(8)的输出信号经由解算电路计算得到转子的角度值，开关霍尔元件(9)的输出信号经由电压比较电路后得到高低电平，所述角度值和高低电平均输入位置检测模块，由位置检测模块计算得到转子角度；所述转子角度接着输入扇区判断模块，分辨出转子位于哪个扇区；所述高低电平和转子角度均输入测速模块，由测速模块计算得到转速。
2.根据权利要求1所述的无刷直流电机测角测速装置，其特征在于：所述解算电路为反余弦解算电路。
3.根据权利要求1所述的无刷直流电机测角测速装置，其特征在于：所述线性霍尔元件(8)和开关霍尔元件(9)之间成90度夹角。
4.一种无刷直流电机测角测速方法，其特征在于，包括安装于电机内的线性霍尔元件和开关霍尔元件，步骤如下：
1)将开关霍尔元件和线性霍尔元件输出的电压信号进行处理，分别得到高低电平信号和转子初步的角度值；
2)若高低电平信号为低电平，则所述角度值即为转子角度；若高低电平信号为高电平，则以360°减去所述角度值得到转子角度；
3)再根据高低电平信号和所述转子角度，在开关霍尔元件相邻两次采样之间计算转子转速。
5.根据权利要求4所述的无刷直流电机测角测速方法，其特征在于，所述步骤1)中开关霍尔元件和线性霍尔元件输出的电压信号分别经过反余弦解算电路和电压比较电路的处理。
6.根据权利要求4所述的无刷直流电机测角测速方法，其特征在于，所述线性霍尔元件安装于电机转子的初始位置。
7.根据权利要求4所述的无刷直流电机测角测速方法，其特征在于，还包括步骤4)根据所述转子角度，进行扇区划分，
若上述位置检测结果在(0°，30°)或(330°，360°)内，则转子位于第1扇区；
若上述位置检测结果在(30°，90°)内，则转子位于第2扇区；
若上述位置检测结果在(90°，150°)内，则转子位于第3扇区；
若上述位置检测结果在(150°，210°)内，则转子位于第4扇区；
若上述位置检测结果在(210°，270°)内，则转子位于第5扇区；
若上述位置检测结果在(270°，330°)内，则转子位于第6扇区。
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