CN111398628B - 一种电动机转速方向测量装置及其测量的计算方法 - Google Patents

一种电动机转速方向测量装置及其测量的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种电动机转速方向测量装置及其测量的计算方法，包括外磁环、内磁环、PCB板和控制器，外磁环和内磁环均包括多个N磁极和S磁极，外磁环提供给霍尔元件在Z轴方向上磁信号，内磁环提供给霍尔元件在X/Y轴方向上磁信号，PCB板与霍尔元件电连接，霍尔元件将采集到的磁信号传递给PCB板，PCB板对磁信号进行处理，并将输出结果传递给控制器，从而检测出电动机的旋转方向和旋转速度。本发明的结构简单，体积小，容易实现；本发明对X/Y轴方向上的磁信号和Z轴方向上磁信号进行采集，两个方向本质上正交或90度相位分离，因此两个方向上的磁信号互不干扰，两个方向上检测和判断，提高了测量的准确度，减少故障的发生。

Description

一种电动机转速方向测量装置及其测量的计算方法
技术领域
本发明涉及电动机转速方向测量技术领域，尤其涉及一种电动机转速方向测量装置及其测量的计算方法。
背景技术
在电动机转速方向测量技术领域，经常用磁编码器来测量电动机的转速和方向，磁编码器采用霍尔原理，利用磁性检测方式，具备优异的抗冲击和振动特点，
目前应用于绝对角度测量的磁编码器一般为在轴式测量，要求编码器安装在被测转轴的轴端面上，该安装方式无法满足空心转轴的要求，而离轴式测量克服了在轴式测量的安装限制。
常见实现绝对角度测量的离轴式角度传感器有绝对式光电编码器、电位器等，奥地利微电子公司设计的磁编码器只能实现离轴式相对角度测量；英国RLS公司设计了由8个呈几何分布的霍尔传感器构成的模组实现分辨率为14位的离轴式绝对角度测量，它需要在线路板上集成8个霍尔传感器的ASIC，电路复杂、体积大。此外，磁编码器的分辨率通常只有单圈14-15位，测量精度低，且准确度低，当测量出现偏差，容易出现故障，从而造成一定的损失。
发明内容
本发明旨在解决现有技术的不足，而提供一种电动机转速方向测量装置及其测量的计算方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种电动机转速方向测量装置，包括外磁环、内磁环、PCB板和控制器，内磁环安装在待检测电动机的输出轴上，内磁环的外侧壁连有橡胶环，橡胶环的外侧壁与外磁环的内侧壁连接，外磁环和内磁环均包括多个N磁极和S磁极，且若干N磁极和S磁极交错排布呈圆环形，外磁环、内磁环和橡胶环三者同轴，且连接成一个整体，称为磁环，磁环上设有若干霍尔元件，霍尔元件固定在待检测电动机的机壳上，外磁环提供给霍尔元件在Z轴方向上磁信号，内磁环提供给霍尔元件在X/Y轴方向上磁信号，PCB板由集成电路制板而成，PCB板与霍尔元件电连接，霍尔元件将采集到的磁信号传递给PCB板，PCB板对磁信号进行处理，并将输出结果传递给控制器，控制器对输入信号进行分析和计算，从而检测出电动机的旋转方向和旋转速度。
外磁环和内磁环均由烧结铁氧体制成，烧结铁氧体(Sintered Ferrite)的主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19，铁氧体磁铁是通过陶瓷工艺法制造而成，有很好的耐温性且价格低廉。
霍尔元件的个数不小于2。
霍尔元件的个数为2，且两个霍尔元件之间形成的圆周角为15°或者30°。
PCB板的集成电路包括比较器、放大器、低通滤波器、取平均值电路、积分器、隔离电路和限流电路，霍尔元件将采集到的X/Y轴方向上磁信号和Z轴方向上磁信号传递给比较器，比较器对磁信号进行比较，将比较后的结果依次进行了信号的放大、低通滤波和取平均值，再对平均值进行积分，隔离电路隔离后，再进行限流，最后操作开关OUTPUTA和OUTPUTB输出信号，OUTPUTA和OUTPUTB的输出均为数字信号，即PCB板将磁信号转换成数字信号。
上述电动机转速方向测量装置的计算方法，包括以下步骤：
a、磁信号的采集
电动机带动磁环旋转，外磁环和内磁环旋转均产生正弦波磁信号，外磁环产生Z轴方向上的磁信号，内磁环产生X/Y轴方向上的磁信号，两个霍尔元件用来采集磁信号，且两个霍尔元件位于磁环的不同位置，两个霍尔元件均采集Z轴方向上的磁信号和X/Y轴方向上的磁信号，即每个霍尔元件采集两个不同方向上的信号；
b、阈值对比
两个霍尔元件采集的X/Y轴方向上的磁信号分别为E1和E2，且采集的Z轴方向上的磁信号分别为P和V，两个霍尔元件分别命名为一号霍尔元件和二号霍尔元件，设置四个阈值，分为两组，一组用于对一号霍尔元件上采集的磁信号作对比，分别为BOP(1)和BRP(1)，另一组用于对二号霍尔元件上采集的磁信号作对比，分别为BOP(2)和BRP(2)；
c、信号转化
当响应霍尔元件具有足够强度的垂直南磁场时，操作开关的输出状态为低，即操作开关打开，BOP(1)和BRP(1)将一号霍尔元件在X/Y轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为高；BOP(2)和BRP(2)将二号霍尔元件在X/Y轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为高，同理，当响应霍尔元件具有足够强度的垂直北磁场时，操作开关的输出状态为低，即操作开关打开，BOP(1)和BRP(1)将一号霍尔元件在Z轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为高；BOP(2)和BRP(2)将二号霍尔元件在Z轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为高；
d、异或运算
将一号霍尔元件和二号霍尔元件在X/Y轴方向上操作开关OUTPUTA和OUTPUTB的输出进行异或运算处理，称为运算一，输出为脉冲信号，同时将一号霍尔元件和二号霍尔元件在Z轴方向上操作开关OUTPUTA和OUTPUTB的输出进行异或运算处理，称为运算二，输出为脉冲信号；
异或运算的真值表如下：
Figure BDA0002441756380000041
e、是否异常
将运算一的运输结果与运算二的运输结果作对比，若输出的脉冲信号相同，则测量无异常，若输出的脉冲信号不相同，则测量异常，测量结果作废，利用X/Y轴方向上的磁信号和Z轴方向上的磁信号进行异常判断，准确度高，且测量精度高；
f、测量结果
操作开关OUTPUTA和OUTPUTB输出的脉冲信号进行异或运算后，若电动机旋转方向不变时，则形成周期T固定的脉冲信号；若电动机旋转方向改变时，则形成有周期T突变的脉冲信号，方向改变一次，则突变一次，方向改变二次，则突变二次，即电动机方向改变的次数与脉冲信号突变的次数相等，从而测量出电动机旋转的方向；
根据外磁环或内磁环的磁极个数，计算出磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转多少度，例如外磁环的极对数为36，即72个磁极，当磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转5度；外磁环的极对数为18，即36个磁极，当磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转10度；
磁信号旋转一圈，形成一个脉冲信号，根据脉冲的总个数，可以计算出电动机旋转的总度数，总读数除以360则可以得到旋转的圈数，圈数除以旋转所用的时间，从而计算出电动机的旋转速度。
本发明的有益效果是：本发明的结构简单，体积小，容易实现；本发明对X/Y轴方向上的磁信号和Z轴方向上磁信号进行采集，两个方向本质上正交或90度相位分离，因此两个方向上的磁信号互不干扰，两个方向上检测和判断，提高了测量的准确度，减少故障的发生；此外，本发明的精确度高，能精确到千分位。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为PCB板的集成电路功能仿真框图；
图3为磁电转变示意图；
图4为一号霍尔元件输出的信号转变示意图；
图5为X/Y轴方向上输出信号的波形示意图；
图中：1-外磁环；2-内磁环；3-橡胶环；4-霍尔元件；5-PCB板；
以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
如图1-5所示，一种电动机转速方向测量装置，包括外磁环1、内磁环2、PCB板5和控制器，内磁环2安装在待检测电动机的输出轴上，内磁环2的外侧壁连有橡胶环3，橡胶环3的外侧壁与外磁环1的内侧壁连接，外磁环1和内磁环2均由烧结铁氧体制成，烧结铁氧体的主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19，铁氧体磁铁是通过陶瓷工艺法制造而成，有很好的耐温性且价格低廉；
控制器为树莓派(Raspberry Pi，简写为RPi，或者RasPi/RPI，是为学习计算机编程教育而设计，只有信用卡大小的微型电脑)。
外磁环1和内磁环2均包括多个N磁极和S磁极，且若干N磁极和S磁极交错排布呈圆环形，外磁环1、内磁环2和橡胶环3三者同轴，且连接成一个整体，称为磁环，磁环上设有两个霍尔元件4，且两个霍尔元件4之间形成的圆周角为15°或者30°，两个霍尔元件4中的一个垂直于磁环，另一个霍尔元件4平行于磁环，增加了输出波形的相位分离，使信号处理输出到速度和方向的鲁棒性增强。
霍尔元件4固定在待检测电动机的机壳上，外磁环1提供给霍尔元件4在Z轴方向上磁信号，内磁环2提供给霍尔元件4在X/Y轴方向上磁信号，PCB板5由集成电路制板而成，PCB板5与霍尔元件4电连接，霍尔元件4将采集到的磁信号传递给PCB板5，PCB板5对磁信号进行处理，并将输出结果传递给控制器，控制器对输入信号进行分析和计算，从而检测出电动机的旋转方向和旋转速度。本发明结构简单，体积小，容易实现；
PCB板5的集成电路包括比较器、放大器、低通滤波器、取平均值电路、积分器、隔离电路和限流电路，霍尔元件4将采集到的X/Y轴方向上磁信号和Z轴方向上磁信号传递给比较器，比较器对磁信号进行比较，将比较后的结果依次进行了信号的放大、低通滤波和取平均值，再对平均值进行积分，隔离电路隔离后，再进行限流，最后操作开关OUTPUTA和OUTPUTB输出信号，OUTPUTA和OUTPUTB的输出均为数字信号，即PCB板5将磁信号转换成数字信号。
上述电动机转速方向测量装置的计算方法，包括以下步骤：
a、磁信号的采集
电动机带动磁环旋转，外磁环1和内磁环2旋转均产生正弦波磁信号，外磁环1产生Z轴方向上的磁信号，内磁环2产生X/Y轴方向上的磁信号，两个霍尔元件4用来采集磁信号，且两个霍尔元件4位于磁环的不同位置，两个霍尔元件4均采集Z轴方向上的磁信号和X/Y轴方向上的磁信号，即每个霍尔元件4采集两个不同方向上的信号；
b、阈值对比
两个霍尔元件4采集的X/Y轴方向上的磁信号分别为E1和E2，且采集的Z轴方向上的磁信号分别为P和V，两个霍尔元件4分别命名为一号霍尔元件和二号霍尔元件，设置四个阈值，分为两组，一组用于对一号霍尔元件上采集的磁信号作对比，分别为BOP(1)和BRP(1)，另一组用于对二号霍尔元件上采集的磁信号作对比，分别为BOP(2)和BRP(2)；
c、信号转化
当响应霍尔元件4具有足够强度的垂直南磁场时，操作开关的输出状态为低，即操作开关打开，BOP(1)和BRP(1)将一号霍尔元件在X/Y轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为高；BOP(2)和BRP(2)将二号霍尔元件在X/Y轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为高，同理，当响应霍尔元件4具有足够强度的垂直北磁场时，操作开关的输出状态为低，即操作开关打开，BOP(1)和BRP(1)将一号霍尔元件在Z轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为高；BOP(2)和BRP(2)将二号霍尔元件在Z轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为高。
d、异或运算
异或运算的真值表如下：
Figure BDA0002441756380000071
Figure BDA0002441756380000081
将一号霍尔元件和二号霍尔元件在X/Y轴方向上操作开关OUTPUTA和OUTPUTB的输出进行异或运算处理，称为运算一，输出为脉冲信号，同时将一号霍尔元件和二号霍尔元件在Z轴方向上操作开关OUTPUTA和OUTPUTB的输出进行异或运算处理，称为运算二，输出为脉冲信号；
e、是否异常
将运算一的运输结果与运算二的运输结果作对比，若输出的脉冲信号相同，则测量无异常，若输出的脉冲信号不相同，则测量异常，测量结果作废，利用X/Y轴方向上的磁信号和Z轴方向上的磁信号进行异常判断，准确度高，且测量精度高；
本发明对X/Y轴方向上的磁信号和Z轴方向上磁信号进行采集，两个方向本质上正交或90度相位分离，因此两个方向上的磁信号互不干扰，两个方向上检测和判断，提高了测量的准确度，减少故障的发生；
f、测量结果
操作开关OUTPUTA和OUTPUTB输出的脉冲信号进行异或运算后，若电动机旋转方向不变时，则形成周期T固定的脉冲信号；若电动机旋转方向改变时，则形成有周期T突变的脉冲信号，方向改变一次，则突变一次，方向改变二次，则突变二次，即电动机方向改变的次数与脉冲信号突变的次数相等，从而测量出电动机旋转的方向；
根据外磁环1或内磁环2的磁极个数，计算出磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转多少度，即绝对角度是多少，例如外磁环1的极对数为36，即72个磁极，当磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转5度，绝对角度为5度；外磁环1的极对数为18，即36个磁极，当磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转10度，绝对角度为10度，磁极的极对数越大，测量的速度或绝对角度的精度越高，能精确到千分位以上；
磁信号旋转一圈，形成一个脉冲信号，根据脉冲的总个数，可以计算出电动机旋转的总度数，总读数除以360则可以得到旋转的圈数，圈数除以旋转所用的时间，从而计算出电动机的旋转速度；此外，还可以通过一定时间内输出的脉冲个数来计算电动机的转速。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动机转速方向测量装置的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、磁信号的采集
通过电动机转速方向测量装置来实现计算，电动机转速方向测量装置包括外磁环(1)、内磁环(2)、PCB板(5)和控制器，内磁环(2)安装在待检测电动机的输出轴上，内磁环(2)的外侧壁连有橡胶环(3)，橡胶环(3)的外侧壁与外磁环(1)的内侧壁连接，外磁环(1)和内磁环(2)均包括多个N磁极和S磁极，且若干N磁极和S磁极交错排布呈圆环形，外磁环(1)、内磁环(2)和橡胶环(3)三者同轴，且连接成一个整体，称为磁环，磁环上设有若干霍尔元件(4)，霍尔元件(4)固定在待检测电动机的机壳上，外磁环(1)提供给霍尔元件(4)在Z轴方向上磁信号，内磁环(2)提供给霍尔元件(4)在X/Y轴方向上磁信号，PCB板(5)由集成电路制板而成，PCB板(5)与霍尔元件(4)电连接，霍尔元件(4)将采集到的磁信号传递给PCB板(5)，PCB板(5)对磁信号进行处理，并将输出结果传递给控制器，控制器对输入信号进行分析和计算，从而检测出电动机的旋转方向和旋转速度；
电动机带动磁环旋转，外磁环(1)和内磁环(2)旋转均产生正弦波磁信号，外磁环(1)产生Z轴方向上的磁信号，内磁环(2)产生X/Y轴方向上的磁信号，两个霍尔元件(4)用来采集磁信号，且两个霍尔元件(4)位于磁环的不同位置，两个霍尔元件(4)均采集Z轴方向上的磁信号和X/Y轴方向上的磁信号，即每个霍尔元件(4)采集两个不同方向上的信号；
b、阈值对比
两个霍尔元件(4)采集的X/Y轴方向上的磁信号分别为E1和E2，且采集的Z轴方向上的磁信号分别为P和V，两个霍尔元件(4)分别命名为一号霍尔元件和二号霍尔元件，设置四个阈值，分为两组，一组用于对一号霍尔元件上采集的磁信号作对比，分别为BOP(1)和BRP(1)，另一组用于对二号霍尔元件上采集的磁信号作对比，分别为BOP(2)和BRP(2)；
c、信号转化
当响应霍尔元件(4)具有足够强度的垂直南磁场时，操作开关的输出状态为低，即操作开关打开，BOP(1)和BRP(1)将一号霍尔元件在X/Y轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为高；BOP(2)和BRP(2)将二号霍尔元件在X/Y轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为高，同理，当响应霍尔元件(4)具有足够强度的垂直北磁场时，操作开关的输出状态为低，即操作开关打开，BOP(1)和BRP(1)将一号霍尔元件在Z轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTA输出状态为高；BOP(2)和BRP(2)将二号霍尔元件在Z轴方向上的正弦磁信号分割成若干段，磁信号由高到低过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为低，磁信号由低到高过零点时，操作开关OUTPUTB输出状态为高；
d、异或运算
将一号霍尔元件和二号霍尔元件在X/Y轴方向上操作开关OUTPUTA和OUTPUTB的输出进行异或运算处理，称为运算一，输出为脉冲信号，同时将一号霍尔元件和二号霍尔元件在Z轴方向上操作开关OUTPUTA和OUTPUTB的输出进行异或运算处理，称为运算二，输出为脉冲信号；
e、是否异常
将运算一的运输结果与运算二的运输结果作对比，若输出的脉冲信号相同，则测量无异常，若输出的脉冲信号不相同，则测量异常，测量结果作废，利用X/Y轴方向上的磁信号和Z轴方向上的磁信号进行异常判断；
f、测量结果
操作开关OUTPUTA和OUTPUTB输出的脉冲信号进行异或运算后，若电动机旋转方向不变时，则形成周期T固定的脉冲信号；若电动机旋转方向改变时，则形成有周期T突变的脉冲信号，方向改变一次，则突变一次，方向改变二次，则突变二次，即电动机方向改变的次数与脉冲信号突变的次数相等，从而测量出电动机旋转的方向；
根据外磁环(1)或内磁环(2)的磁极个数，计算出磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转多少度，例如外磁环(1)的极对数为36，即72个磁极，当磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转5度；外磁环(1)的极对数为18，即36个磁极，当磁信号旋转一圈时，电动机对应旋转10度；
磁信号旋转一圈，形成一个脉冲信号，根据脉冲的总个数，可以计算出电动机旋转的总度数，总读数除以360则可以得到旋转的圈数，圈数除以旋转所用的时间，从而计算出电动机的旋转速度。
2.根据权利要求1所述的电动机转速方向测量装置的计算方法，其特征在于，外磁环(1)和内磁环(2)均由烧结铁氧体制成。
3.根据权利要求1所述的电动机转速方向测量装置的计算方法，其特征在于，霍尔元件(4)的个数不小于2。
4.根据权利要求3所述的电动机转速方向测量装置的计算方法，其特征在于，霍尔元件(4)的个数为2，且两个霍尔元件(4)之间形成的圆周角为15°或者30°。
5.根据权利要求3所述的电动机转速方向测量装置的计算方法，其特征在于，PCB板(5)的集成电路包括比较器、放大器、低通滤波器、取平均值电路、积分器、隔离电路和限流电路，霍尔元件(4)将采集到的X/Y轴方向上磁信号和Z轴方向上磁信号传递给比较器，比较器对磁信号进行比较，将比较后的结果依次进行了信号的放大、低通滤波和取平均值，再对平均值进行积分，隔离电路隔离后，再进行限流，最后操作开关OUTPUTA和OUTPUTB输出信号，OUTPUTA和OUTPUTB的输出均为数字信号，即PCB板(5)将磁信号转换成数字信号。
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