CN114047354A - 一种旋转轴状态测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及旋转状态测量技术领域。一种旋转轴状态测量装置，包括一个或多个磁性元件、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、单片机，所述磁性元件固定于旋转轴圆周面并随旋转轴转动，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器固定于旋转轴外侧且保持静止状态，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器不随着旋转轴转动，第一霍尔传感器连接单片机外部中断输入接口，第二霍尔传感器连接单片机I/O接口。本发明还涉及该旋转轴状态测量装置的使用方法。
Description
技术领域
本发明涉及旋转状态测量技术领域，具体涉及旋转轴的旋转方向、圈数和转速测量的装置和方法。
背景技术
在旋转方向测量技术领域，通常采用编码器或者磁极霍尔传感器的方式来测量轴的转动方向和速度。其中，编码器一般为轴式测量，需要将编码器安装在被测转轴的轴端面上，存在一定的安装限制；霍尔传感器的方式或者采用多磁极方式，如专利（CN104422384A）公开了一种旋转状态检测装置和方法，分布在固定盘上和旋转盘的圆形轨道上固定n个霍尔开关和n+1个磁性元件，通过对霍尔开关产生的脉冲进行计数，计算得到被测旋转轴的旋转角度、圈数和方向等信息。专利（CN111398628A）公开了一种电动机转速方向测量装置及其测量的计算方法，利用包括多个N磁极和S磁极的外磁环和外磁环分别给霍尔元件提供不同方向上的磁信号，从而检测出电动机的旋转方向和速度。专利（CN103808960A）公开了一种测量转轴的转速和方向的装置及方法，将主体上镶嵌有强磁铁的两个半环形测速盘安装于待测转轴上，通过两个霍尔传感器的电平时序信号来判断转轴的旋转方向。也有采用多种霍尔传感器的测量方式，如专利（CN201608680U）公开了一种电机旋转检测装置，利用线性霍尔传感器和单片机测量电机转速，利用两个开关霍尔传感器和D触发器判断电机旋转方向。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种测量低速旋转轴转动方向、圈数和转速的装置和方法，同时具有结构简单、所需部件少和成本低廉的特点，便于安装和应用。
本发明的技术方案如下：一种旋转轴状态测量装置，包括一个或多个磁性元件、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、单片机，所述磁性元件固定于旋转轴圆周面并随旋转轴转动，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器固定于旋转轴外侧且保持静止状态，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器不随着旋转轴转动，第一霍尔传感器连接单片机外部中断输入接口，第二霍尔传感器连接单片机I/O接口，单片机收到第二霍尔传感器信号时是低电平则旋转轴为顺时针转动，单片机收到第二霍尔传感器信号时是高电平则旋转轴为逆时针转动；当一个磁性元件处于第一霍尔传感器和第二霍尔传感器外侧时，旋转轴转动，第二霍尔传感器刚刚感受到该磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器不能感受到该磁性元件的磁场，该磁性元件随着旋转轴不变方向继续转动到某一位置时，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器同时感受到该磁性元件的磁场，该磁性元件随着旋转轴继续不变方向转动到第二霍尔传感器刚刚不能感受到该磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器能感受到该磁性元件的磁场，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器为相同的传感器。
当磁性元件为多个时，多个磁性元件的位置和数量需满足其中的任意两个相邻磁性元件的磁场不能同时被第一霍尔传感器或第二霍尔传感器感受到。所述单片机连接第一霍尔传感器输出信号的外部中断采用下降沿触发方式，所述单片机连接第二霍尔传感器输出信号的I/O接口为读取外部信号状态。
多个磁性元件在同一圆周上均匀布置。
一种旋转轴状态测量的方法，包含以下步骤：
步骤1、第一霍尔传感器感应到某一磁性元件磁场后，输出下降沿信号，触发所述单片机外部中断，同时记录中断时的时间和中断次数，每次中断时，中断次数+1；
步骤2、当单片机触发外部中断后，判断第二霍尔传感器输出信号状态；
步骤3、若第二传感器输出信号为低电平，则待测旋转轴为顺时针转动；若第二传感器输出信号为高电平，则待测旋转轴为逆时针转动；
步骤4、旋转轴瞬时角速度ω1=θj/（T1-T2）, 当N-1是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=[（N-1）/M]*360°/t，当N-1不是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=（[（N-1）/M]*360°+
）/（T1-T0）, 其中，[ ]取整计算，单片机中断次数为N，N为自然数，最初一次中断时间为T0，最后一次中断时间为T1，最后一次的前一次中断时间为T2, 旋转轴转动总时间t=T1-T0，磁性元件总数量M,θi为第i个磁性元件与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，θj为最后一个中断时对应的磁性元件j与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，记最初被第一霍尔传感器感应磁场的磁性元件为第1个磁性元件，当旋转轴顺时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始逆时针方向计数的第i个磁性元件，当旋转轴逆时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始顺时针方向计数的第i个磁性元件，1≦i≦M。
当旋转轴转动总时间t小于第一次中断与第二次中断时间间隔时，旋转轴瞬时角速度ω1和旋转轴平均角速度ω2都为0。
本发明的测量精度随着磁性元件数量的增加而增加，旋转轴瞬时角速度ω1误差小于θj+1/（T1-T2），旋转轴平均角速度ω2误差小于θj+1/t。
本发明相比现有技术有如下的优点和功效：结构简单紧凑，所需元器件少，成本低廉，整个测量装置最少仅包括一个磁性元件、两个霍尔开关传感器及配套电路以及一个单片机最小系统。安装方便，占用空间小，特别是对现有设备的改造十分方便，只需在待测转轴裸露的圆周面上固定一块很小的永磁体（如果是铁磁材质转轴永磁体更可方便的直接吸附在上面）即磁性元件，并在永磁体侧面固定霍尔传感器电路即可。升级改造方便，适用性强，如果要增加测量的精度和分辨率，硬件上只需增加磁性元件的数量即可，软件上只需相应更新单片机内部程序即可。
附图说明：
图1为本发明的测量装置结构框图；
图2为本发明的测量装置电路示意图；
图3为本发明的测量方法流程图。
具体实施方式：
实施例1
一种旋转轴状态测量装置，包括一个磁性元件、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、单片机，所述磁性元件固定于旋转轴圆周面并随旋转轴转动，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器固定于旋转轴外侧且保持静止状态，第一霍尔传感器连接单片机外部中断输入接口，第二霍尔传感器连接单片机I/O接口；当磁性元件处于第一霍尔传感器和第二霍尔传感器外侧时，旋转轴顺时针转动，第二霍尔传感器刚刚感受到磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器不能感受到磁性元件的磁场，当磁性元件随着旋转轴继续顺时针转动到某一位置时，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器同时感受到磁性元件的磁场，当磁性元件随着旋转轴继续顺时针转动到第二霍尔传感器刚刚不能感受到磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器能感受到磁性元件的磁场，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器为相同的传感器。
当所述单片机连接第一霍尔传感器输出信号的外部中断采用下降沿触发方式，所述单片机连接第二霍尔传感器输出信号的I/O接口为读取外部信号状态。
一种旋转轴状态测量的方法，包含以下步骤：
步骤1、第一霍尔传感器感应到磁性元件磁场后，输出下降沿信号，触发所述单片机外部中断，同时记录中断时的时间和中断次数，每次中断时，中断次数+1；
步骤2、当单片机触发外部中断后，判断第二霍尔传感器输出信号状态；
步骤3、若第二传感器输出信号为低电平，则待测旋转轴为顺时针转动；若第二传感器输出信号为高电平，则待测旋转轴为逆时针转动；
步骤4、旋转轴瞬时角速度ω1=360°/（T1-T2）, 旋转轴平均角速度ω2=（N-1）*360°/t, 其中，单片机中断次数为N，最初一次中断时间为T0，最后一次中断时间为T1，最后一次的前一次中断时间为T2, 旋转轴转动总时间t= T2- T0，磁性元件总数量1。
当旋转轴转动总时间t小于第一次中断与第二次中断时间间隔时，旋转轴瞬时角速度ω1和旋转轴平均角速度ω2都为0。
旋转轴瞬时角速度ω1误差小于360°/（T1-T2），旋转轴平均角速度ω2误差小于360°/t。
实施例2
一种旋转轴状态测量装置，包括多个磁性元件（大于等于2个）、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、单片机，所述磁性元件固定于旋转轴圆周面并随旋转轴转动，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器固定于旋转轴外侧且保持静止状态，第一霍尔传感器连接单片机外部中断输入接口，第二霍尔传感器连接单片机I/O接口；当一个磁性元件处于第一霍尔传感器和第二霍尔传感器外侧时，旋转轴顺时针转动，第二霍尔传感器刚刚感受到该磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器不能感受到该磁性元件的磁场，该磁性元件随着旋转轴继续顺时针转动到某一位置时，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器同时感受到该磁性元件的磁场，该磁性元件随着旋转轴继续顺时针转动到第二霍尔传感器刚刚不能感受到该磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器能感受到该磁性元件的磁场，逆时针转动同样如此，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器为相同的传感器。
多个磁性元件的位置和数量需满足其中的任意两个相邻磁性元件不能同时被第一霍尔传感器或第二霍尔传感器感受到。所述单片机连接第一霍尔传感器输出信号的外部中断采用下降沿触发方式，所述单片机连接第二霍尔传感器输出信号的I/O接口为读取外部信号状态。
一种旋转轴状态测量的方法，包含以下步骤：
步骤1：第一霍尔传感器感应到某一磁性元件磁场后，输出下降沿信号，触发所述单片机外部中断，同时记录中断时的时间和中断次数，每次中断时，中断次数+1；
步骤2：当单片机触发外部中断后，判断第二霍尔传感器输出信号状态；
步骤3：若第二传感器输出信号为低电平，则待测旋转轴为顺时针转动；若第二传感器输出信号为高电平，则待测旋转轴为逆时针转动；
步骤4、旋转轴瞬时角速度ω1=θj/（T1-T2）, 当N-1是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=[（N-1）/M]*360°/t，当N-1不是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=（[（N-1）/M]*360°+
）/（T1-T0）, 其中，[ ]取整计算，单片机中断次数为N，N为自然数，最初一次中断时间为T0，最后一次中断时间为T1，最后一次的前一次中断时间为T2, 旋转轴转动总时间t=T1-T0，磁性元件总数量M,θi为第i个磁性元件与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，θj为最后一个中断时对应的磁性元件j与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，记最初被第一霍尔传感器感应磁场的磁性元件为第1个磁性元件，当旋转轴顺时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始逆时针方向计数的第i个磁性元件，当旋转轴逆时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始顺时针方向计数的第i个磁性元件，1≦i≦M。
当旋转轴转动总时间t小于第一次中断与第二次中断时间间隔时，旋转轴瞬时角速度ω1和旋转轴平均角速度ω2都为0。
本发明的测量精度随着磁性元件数量的增加而增加，旋转轴瞬时角速度ω1误差小于θj+1/（T1-T2），旋转轴平均角速度ω2误差小于θj+1/t。
实施例3
与实施例2不同之处在于：多个磁性元件在同一圆周上均匀布置，即相邻两个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角θ=360°/M，即θj和θi都为θ。
一种旋转轴状态测量的方法，包含以下步骤：
步骤1、第一霍尔传感器感应到某一磁性元件磁场后，输出下降沿信号，触发所述单片机外部中断，同时记录中断时的时间和中断次数，每次中断时，中断次数+1；
步骤2、当单片机触发外部中断后，判断第二霍尔传感器输出信号状态；
步骤3、若第二传感器输出信号为低电平，则待测旋转轴为顺时针转动；若第二传感器输出信号为高电平，则待测旋转轴为逆时针转动；
步骤五、旋转轴瞬时角速度ω1=θ/（T1-T2）, 当N-1是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=[（N-1）/M]*360°/t，当N-1不是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=（[（N-1）/M]*360°+
）/t=（[（N-1）/M]*360°+ mod（N-1/M）*360°/M）/t, 其中，[ ]取整计算，单片机中断次数为N，N为自然数，最初一次中断时间为T0，最后一次中断时间为T1，最后一次的前一次中断时间为T2, 旋转轴转动总时间t=T1-T0，磁性元件总数量M,θi为第i个磁性元件与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，θj为最后一个中断时对应的磁性元件j与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，记最初被第一霍尔传感器感应磁场的磁性元件为第1个磁性元件，当旋转轴顺时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始逆时针方向计数的第i个磁性元件，当旋转轴逆时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始顺时针方向计数的第i个磁性元件，1≦i≦M，mod（）为求余。
当旋转轴转动总时间t小于第一次中断与第二次中断时间间隔时，旋转轴瞬时角速度ω1和旋转轴平均角速度ω2都为0。
本发明的测量精度随着磁性元件数量的增加而增加，旋转轴瞬时角速度ω1误差小于θ/（T1-T2），旋转轴平均角速度ω2误差小于θ/t。
本发明所公开的一种旋转轴状态测量装置和测量方法并不限于具体实例中所述的实施例，本发明应用范围包括但不限于流量计量、机械测量等领域，凡涉及旋转轴测量的场合均可应用本发明，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他实施方式，均属本发明的技术创新范围。
Claims (5)
1.一种旋转轴状态测量装置，其特征在于：包括一个或多个磁性元件、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、单片机，所述磁性元件固定于旋转轴圆周面并随旋转轴转动，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器固定于旋转轴外侧且保持静止状态，第一霍尔传感器连接单片机外部中断输入接口，第二霍尔传感器连接单片机I/O接口；当一个磁性元件处于第一霍尔传感器和第二霍尔传感器外侧时，旋转轴转动，第二霍尔传感器刚刚感受到该磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器不能感受到该磁性元件的磁场，该磁性元件随着旋转轴继续同方向转动到某一位置时，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器同时感受到该磁性元件的磁场，该磁性元件随着旋转轴继续同方向转动到第二霍尔传感器刚刚不能感受到该磁性元件的磁场时，第一霍尔传感器能感受到该磁性元件的磁场，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器为相同的传感器。
2.根据权利要求1所述的一种旋转轴状态测量装置，其特征在于：当磁性元件为多个时，多个磁性元件的位置和数量需满足其中的任意两个相邻磁性元件不能同时被第一霍尔传感器或第二霍尔传感器感受到。
3.根据权利要求1所述的一种旋转轴状态测量装置，其特征在于：所述单片机连接第一霍尔传感器输出信号的外部中断采用下降沿触发方式，所述单片机连接第二霍尔传感器输出信号的I/O接口为读取外部信号状态。
4.根据权利要求1所述的一种旋转轴状态测量装置，其特征在于：当磁性元件为多个时，多个磁性元件在同一圆周上均匀布置。
5.利用权利要求1所述的旋转轴状态测量装置进行旋转轴状态测量的方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤1、第一霍尔传感器感应到某一磁性元件磁场后，输出下降沿信号，触发所述单片机外部中断，同时记录中断时的时间和中断次数，每次中断时，中断次数+1；
步骤2、当单片机触发外部中断后，判断第二霍尔传感器输出信号状态；
步骤3、若第二传感器输出信号为低电平，则待测旋转轴为顺时针转动；若第二传感器输出信号为高电平，则待测旋转轴为逆时针转动；
步骤4、旋转轴瞬时角速度ω1=θj/（T1-T2）, 当N-1是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=[（N-1）/M]*360°/t，当N-1不是M的整数倍时，旋转轴平均角速度ω2=（[（N-1）/M]*360°+
）/（T1-T0）, 其中，[ ]取整计算，单片机中断次数为N，N为自然数，最初一次中断时间为T0，最后一次中断时间为T1，最后一次的前一次中断时间为T2, 旋转轴转动总时间t=T1-T0，磁性元件总数量M,θi为第i个磁性元件与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，θj为最后一个中断时对应的磁性元件j与前一个磁性元件之间以旋转轴轴心为原点的夹角，记最初被第一霍尔传感器感应磁场的磁性元件为第1个磁性元件，当旋转轴顺时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始逆时针方向计数的第i个磁性元件，当旋转轴逆时针转动时，i表示从第1个磁性元件开始顺时针方向计数的第i个磁性元件，1≦i≦M。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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