CN1844930A - 一种磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置，是一种能够利用磁悬浮反作用飞轮系统中无刷直流电机三路霍尔信号进行转子转速和转动方向可靠检测的检测装置，其主要包括霍尔信号滤波整形电路、高速光耦隔离电路和FPGA芯片。该装置首先对霍尔信号进行整形滤波，然后经高速光耦隔离后输入FPGA芯片，FPGA芯片利用内部的转速容错测量逻辑和转动方向容错检测逻辑对输入的霍尔信号进行处理得到飞轮转子的转速值和转动方向。本发明利用磁悬浮反作用飞轮系统中无刷直流电机三路霍尔信号实现了转子转速和转动方向的容错检测，在单路霍尔故障情况下仍能实现转速和转动方向的正确检测，提高了转速和转动方向检测的可靠性。

Description

一种磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置，用于磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的可靠检测。

背景技术

飞轮是三轴姿态稳定的中小型卫星上基本的姿态控制执行机构，磁悬浮反作用飞轮相对于传统的机械轴承飞轮具有无转速过零摩擦且可以进行振动主动控制的优点，所以在高精度卫星上具有广阔的应用前景。另外磁轴承没有摩擦，避免了机械轴承本身由于摩擦带来的磨损，其可靠性取决于控制系统电子元器件的可靠程度，因此相对于机械轴承飞轮其具有更长的使用寿命。

磁悬浮反作用飞轮转子极转动惯量与赤道转动惯量比值大(大于1.8)，由陀螺动力学方程(其中Ω为转子转速)

$m\stackrel{\·\·}{x}=f_x=f_{\mathrm{ax}}+f_{\mathrm{bx}}$

$m\stackrel{\·\·}{y}=f_y+f_{\mathrm{ay}}+f_{\mathrm{by}}$

$I_x\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}+I_z\mathrm{\Ω}\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}=p_x=-f_{\mathrm{ay}}a-f_{\mathrm{by}}b$

$I_y\stackrel{\·\·}{\mathrm{\β}}-I_z\mathrm{\Ω}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}=p_y=f_{\mathrm{ax}}a+f_{\mathrm{bx}}b$

可知随着转子转速升高，陀螺效应非常明显。为了抑制陀螺效应，实现磁轴承系统的稳定悬浮，需要根据转子的转速进行解耦控制，因此必须准确的检测飞轮的转速，而磁悬浮反作用飞轮又存在正转和反转两种工作状态，因此为了实现磁悬浮反作用飞轮磁轴承系统的稳定控制，还必须可靠的检测飞轮转子的转动方向。

目前磁悬浮反作用飞轮的转动驱动系统多为有霍尔位置传感器的三相无刷直流电机。利用霍尔信号采用T法即取相邻两个霍尔信号间隔的计数脉冲数的倒数的方法可以实现转速的测量，根据霍尔信号的相位关系也可以很容易的实现转动方向的判断。但是霍尔元件存在故障的可能，如果利用单个霍尔信号采用T法进行转速测量，也就存在转速测量结果的不正确的可能。另外，霍尔信号的故障也会造成转动方向判断的错误。对于磁悬浮反作用飞轮来说，转速或者转动方向检测的错误都将造成磁轴承系统的不稳定甚至振动，影响姿态控制系统的正常工作，因此必须采用可靠的方法检测磁悬浮飞轮转子的转速和转动方向。

目前磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测都是使用霍尔信号，但是并没有提供容错机制，因此可靠性低。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的的不足，提供一种基于三相霍尔信号的转速和转动方向的容错检测装置，实现在三相霍尔位置传感器的单相信号故障情况下磁悬浮飞轮转子转速和转动方向的正确检测，。

本发明的技术解决方案：一种磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置由霍尔信号整形滤波电路1、高速光耦隔离电路2和FPGA芯片3三部分构成，

霍尔信号整形滤波电路1：与高速光耦隔离电路2相接，用于将输入的三相电机霍尔信号滤波与整形，滤除霍尔信号中的高频干扰信号并进行波形整形；

高速光耦隔离电路2：与FPGA芯片3相接，用于将电机霍尔信号的参考地与FPGA的参考地隔离；

FPGA芯片3：完成磁悬浮飞轮转子转速和转动方向的容错检测，其内部逻辑功能包括转速容错测量逻辑4和转动方向容错检测逻辑5两个模块。转速容错测量逻辑4完成飞轮转子转速的容错测量，能够保证单相霍尔故障情况下转速测量结果的正确；转动方向容错检测逻辑5完成飞轮转子转动方向的容错检测，在单路霍尔信号故障情况下利用其容错逻辑实现转动方向的正确输出。

本发明的原理：

(1)转速容错测量的原理：计数值锁存器8的三个计数值锁存器A、B、C分别记录霍尔信号A、B、C各相相邻两个上升沿间隔内系统时钟脉冲的个数。

在霍尔信号A、B、C无故障情况下，由T法测速的原理可知三个计数值锁存器A、B、C的锁存值中最大和最小值相差不超过2，使用最大值和最小值做除法运算得到的转速值相差很小(尤其在转子低速转动时)，完全可以满足磁轴承稳定控制对转速测量精度的要求，因此此时选择三个计数值锁存器A、B、C的锁存值的中间值作除法运算可以得到正确的飞轮转子转速。

在单路霍尔故障情况下，假设霍尔信号A故障，则计数值锁存器A的锁存值将保持不变而不随转子转速变化而变化。如果计数值锁存器A的锁存值介于计数值锁存器B和C的锁存值中间，计数值选择逻辑9将计数值锁存器A的锁存值给除法器10做除法运算得到转速值，该转速值介于使用计数值锁存器B的锁存值做除法运算得到的转速值和使用计数值锁存器C的锁存值做除法运算得到的转速值之间，由于霍尔信号B和C正常，因此使用计数值锁存器B的锁存值和使用计数值锁存器C的锁存值做除法运算得到的转速值都是正确的，所以在计数值锁存器A的锁存值介于计数值锁存器B和C的锁存值中间时用计数值锁存器A的锁存值做除法运算得到的转速值是正确的；反之，如果计数值锁存器A的锁存值大于或者小于计数值锁存器B和C的锁存值，计数值选择逻辑9将选择计数值锁存器B或者C的锁存值给除法器10做运算得到转速值，由于霍尔信号B和C均是正常的，因此选择计数值锁存器B或C的锁存值做除法运算得到的转速值都是正确的，所以在计数值锁存器A的锁存值大于或者小于计数值锁存器B和C锁存值时用计数值锁存器A的锁存值做除法运算得到的转速值也是正确的。

其它霍尔信号故障情况下的分析过程同上，仍然会得出同样的结论。

由上面的分析可以看出该发明实现了单路霍尔信号故障情况下飞轮转子转速的正确测量。

(2)转动方向容错检测的原理：霍尔信号正常情况下，飞轮转子转动时三路霍尔信号具有120°的相位差，且具有周期性。假设飞轮转子正向转动时霍尔信号A的相位超前霍尔信号B的相位120°，霍尔信号B的相位超前霍尔信号C的相位120°，则飞轮转子反转时三路霍尔信号的相位关系变为：霍尔信号C的相位超前霍尔信号B的相位120°，霍尔信号B的相位超前霍尔信号A的相位120°。图6为正转时三路霍尔信号一周期内的波形。

设高电平为‘1’，低电平为‘0’，则有：

正转时霍尔信号的状态一周期内的变化为：

AB：“10”→”11”→”01”→”00”

AC：“11”→”10”→”00”→”01”

BC：“01”→”00”→”10”→”11”

反转时霍尔信号的状态一周期内的变化为：

AB：“10”→”00”→”01”→”11”

AC：“11”→”01”→”00”→”10”

BC：“01”→”11”→”10”→”00”

可以看出，正转与反转时霍尔信号状态的变化顺序相反，因此根据霍尔信号的变化即可得出转子的转动方向，依据该原理，下面介绍转动方向检测状态机11中的三个状态机的转向检测。

转动方向检测状态机1的状态转移过程如图7所示。其中State00、State01、State11、State10代表霍尔信号的状态，箭头表示状态转移方向，符号XY/Z的X、Y分别代表霍尔A、B的状态(高电平为‘1’，低电平为‘0’)，Z代表转动方向输出(正转输出为‘1’，反转输出为‘0’)。

转动方向检测状态机2的状态转移过程如图8所示，其中State00、State01、State11、State10代表霍尔信号的状态，箭头表示状态转移方向，符号XY/Z的X、Y分别代表霍尔A、C的状态(高电平为‘1’，低电平为‘0’)，Z代表转动方向输出(正转输出为‘1’，反转输出为‘0’)。

转动方向检测状态机3的状态转移过程如图9所示。其中State00、State01、State11、State10代表霍尔信号的状态，箭头表示状态转移方向，符号XY/Z的X、Y分别代表霍尔B、C的状态(高电平为‘1’，低电平为‘0’)，Z代表转动方向输出(正转输出为‘1’，反转输出为‘0’)。

在霍尔信号A、B、C无故障情况下，转动方向检测状态机11输出的三个转向信号1、2、3保持一致(转子正向转动时输出为‘1’，反转时输出为‘0’)，经多数表决器13进行多数表决后输出的增/减计数控制信号在转子正转时为‘1’，反转时为‘0’。数字滞环比较器15的设置如图10所示，滞环比较上限为2，滞环比较下限为1。转子正转时2位增/减计数器14的计数值将在三相霍尔信号中每相的上升沿都加1，直到等于最大计数值3，此时数字滞环比较器15输出的转动方向信号为‘1’，即正转；转子反转时2位增/减计数器14的计数值将在三相霍尔信号中每相的上升沿都减1，直到等于最小计数值0，此时数字滞环比较器15输出的转动方向信号为‘0’，即反转。因此，在霍尔信号A、B、C无故障情况下本发明实现了转子转动方向的正确检测。

在单路霍尔故障情况下，假设霍尔信号A故障，则霍尔信号A将保持高电平或者低电平，进一步假设霍尔信号A保持高电平，则转子正转时三路霍尔信号的波形、转动方向检测状态机11的三个转向信号1、2、3及多数表决器13输出的增/减计数控制信号将变为下图所示的波形。设高电平为‘1’，低电平为‘0’。

由图11可知，在一个周期内多数表决器13输出的增/减计数控制信号有三个‘1’状态，一个‘0’状态，即在一个周期内2位增/减计数器14执行三次加1和一次减1操作，因此在设置计数值上限为3的情况下2位增/减计数器14的计数值在每个周期内最终将在2、3两个值之间变换。根据数字滞环比较器15的逻辑功能，转动方向信号将保持为‘1’，屏蔽了霍尔信号A的故障，实现了转子转动方向的正确检测。

霍尔信号A故障情况下保持低电平和其它霍尔信号故障情况下的分析过程同上，仍然能得出转动方向输出正确的结论。

由上面的分析可以看出该发明实现了单路霍尔信号故障情况下飞轮转子转动方向的正确检测。

实现转向容错检测的关键在于2位增/减计数器14和数字滞环比较器15，如果选择位数更多的增/减计数器在转子转动方向变化时将会有大的延时，同时也会增加硬件开销，2位为最低要求。

该发明的可靠性与现有的检测方案的可靠性对比分析：

系统的中心控制模块是采用FPGA实现的，它的可靠性远高于霍尔器件的可靠性，在实际中还可以采用反熔丝技术的FPGA，因此在可靠性计算时把FPGA的故障率近似为0。假设各路霍尔信号的可靠性相同，R(t)为单路霍尔信号的可靠性，根据电子系统模型，其可靠度随时间的变化服从指数分布，即R(t)＝e^-λt(λ为故障率)。

(1)采用现有方案，检测方案无容错能力，使用单路霍尔信号测量转速，两路霍尔信号检测转动方向，可靠性分析如下：

转速测量的可靠性：R_s1(t)＝R(t)＝e^-λt

转动方向检测的可靠性：R_s2(t)＝R(t)×R(t)＝R(t)²＝e^-2λt

(2)利用本发明的方案进行转动方向和转速检测的可靠性：

转速和转动方向检测的可靠性相同，均为三路霍尔信号中单路故障下可正常工作，可靠性计算公式为：

$R_{s3}\left(t\right)=C_3^0\×R{\left(t\right)}^3\×{(1-R\left(t\right))}^0+C_3^1\×R{\left(t\right)}^2\×{(1-R\left(t\right))}^1=3e^{-2\mathrm{\λt}}-2e^{-3\mathrm{\λt}}$

可靠性对比曲线如下图所示，坐标系的横轴为单通道的故障与工作时间的乘积(λ×t)，纵轴为可靠度，实际应用中单通道的故障与系统的设计寿命(工作时间)的乘积小于0.5，因此如图12可以说明本发明的可靠性与未进行容错设计的检测方案的可靠性的关系。由曲线可知：利用本发明进行转速测量时的可靠度(R_s3(t))高于利用单路霍尔信号测量转速的可靠度(R_s1(t))；本发明转动方向测量的可靠度(R_s3(t))同样明显高于利用两路霍尔信号测量转动方向的可靠度(R_s2(t))。

本发明与现有的检测方案相比优点在于：本发明利用无刷直流电机三相霍尔信号实现了磁悬浮飞轮转子转速和转动方向的容错检测，提高了转速和转动方向检测的可靠性：

(1)可以实现在单个霍尔信号故障情况下的转速正确测量，与没有容错能力的方法相比，大大提高了转速测量的可靠性。

(2)采用容错方法后，在单路霍尔出现故障情况下仍能实现转动方向的正确检测，与未进行容错处理的方法相比更加可靠。

附图说明

图1为本发明的硬件组成框图；

图2为本发明的转速测量原理框图；

图3为本发明的计数值选择原理框图；

图4为本发明的转动方向检测的原理框图；

图5为本发明的转向容错检测逻辑的原理框图；

图6为本发明的正转时三路霍尔信号一周期内的波形；

图7为本发明的转动方向检测状态机1的状态转换图；

图8为本发明的转动方向检测状态机2的状态转换图；

图9为本发明的转动方向检测状态机3的状态转换图；

图10为本发明的数字滞环比较器的输入输出特性图；

图11为本发明的霍尔信号A故障情况下多数表决器的增/减计数控制信号输出波形；

图12为本发明的可靠度对比曲线；

具体实施方式

如图1所示，本发明的硬件模块主要由霍尔信号整形滤波电路1、高速光耦隔离电路2和FPGA芯片3三部分组成，霍尔信号整形滤波电路1对电机的三相霍尔信号高频滤波，滤除高频干扰信号，然后用施密特触发器整形得到质量比较好的方波信号，高速光耦隔离电路2将整形后的霍尔信号进行隔离，FPGA芯片3根据转速容错测量逻辑4和转动方向容错检测逻辑5对输入的霍尔信号进行处理，得到转子的转速值和转动方向信号。

如图2所示，给出了本发明的转速测量原理框图，利用T法原理计数器A、B和C分别以系统时钟信号的频率对霍尔信号A、B和C相邻的脉冲间隔计数，计数值分别由锁存器A、B和C锁存，计数值选择逻辑9选择三个锁存器中的中值作为除法器10的除数，除法器10进行除法运算得到转速值。计数器7的计数、清零，计数值锁存器8的锁存以及除法器10的除法运算均由控制逻辑6控制，控制逻辑6主要完成时序控制功能。

如图3所示，给出了计数值选择原理框图。16位比较器A、B、C的输出分别为X1、X2、X3，均由各自的输入1和输入2的大小决定：当输入1大于输入2时输出为1，反之输出为0。计数值选择控制依据三个16位比较器A、B、C的输出X1、X2、X3的值决定其输出(计数值S)的值，如下表所示。

比较结果(X1X2X3)	计数值选择控制的输出(计数值S)
		000	锁存值B
001	锁存值C
		011	锁存值A
100	锁存值A
		110	锁存值C
111	锁存值B

如图4所示，给出了本发明的转动方向检测的原理框图，转动方向检测状态机11中的三个状态机均使用两个霍尔信号作为输入完成转动方向的检测，检测的转动方向为正转时输出为1，检测的转动方向为反转时输出为0。三个转向信号1、2和3由转向容错检测逻辑12进行处理，输出转动信号。

如图5所示，给出了本发明的转向容错检测逻辑的原理框图。转动方向检测状态机11输出的转向信号1、2和3经多数表决器13进行多数表决：当有两个或三个转向信号为‘1’时增/减计数控制信号为‘1’；当有两个或三个转向信号为‘0’时增/减计数控制信号为‘0’。2位增/减计数器14在三相霍尔信号A、B、C每个信号的上升沿计数，计数方向由多数表决器13输出的增/减计数控制信号决定，当计数值等于0且计数方向为减计数时计数值保持为0，当计数值等于3且计数方向为增计数时计数值保持为3。设置数字滞环比较器15的滞环比较上限和比较下限，在2位增/减计数器14的计数值大于滞环比较上限且当前转向信号为‘0’时输出正转信号‘1’，在增/减计数器14的计数值小于滞环比较下限且当前转向信号为‘1’时输出反转信号‘0’。

本发明虽为磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置，但也可以作为一种通用的基于霍尔信号的转速和转动方向的检测装置。

Claims (4)

1、一种磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置，其特征在于：包括：

霍尔信号整形滤波电路(1)：其输出与高速光耦隔离电路(2)相接，用于将输入的三相电机霍尔信号滤波与整形，滤除霍尔信号中的高频干扰信号并进行波形整形；

高速光耦隔离电路(2)：其输出与FPGA芯片(3)相接，用于将电机霍尔信号的参考地与FPGA的参考地隔离；

FPGA芯片(3)：完成磁悬浮飞轮转子转速和转动方向的容错检测，其内部功能包括转速容错测量逻辑(4)和转动方向容错检测逻辑(5)两个模块；转速容错测量逻辑(4)完成飞轮转子转速的容错测量，能够保证单相霍尔故障情况下转速测量结果的正确；转动方向容错检测逻辑(5)完成飞轮转子转动方向的容错检测，在单路霍尔信号故障情况下利用其容错逻辑实现转动方向的正确输出。

2、根据权利要求1所述的磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置，其特征在于：所述的转速容错测量逻辑(4)包括控制逻辑(6)、计数器(7)、计数值锁存器(8)、计数值选择逻辑(9)和除法器(10)，其中控制逻辑(6)完成计数器(7)的计数使能、清零，计数值锁存器(8)的锁存以及除法器(10)的除法操作的控制，其中计数器(7)由三个计算器A、B、C组成，计数值锁存器(8)由三个计数值锁存器A、B、C组成，利用T法原理计数器A、B和C分别以系统时钟信号的频率对霍尔信号A、B和C相邻的脉冲间隔计数，计数值分别由计算值锁存器A、B和C锁存，计数值选择逻辑(9)完成计数值锁存器(8)中三个锁存值的比较，选择三个锁存值的中值作为除法器(10)的除数，除法器(10)进行除法运算得到转速值。

3、根据权利要求1所述的磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置，其特征在于：所述的转动方向容错检测逻辑(5)包括转动方向检测状态机(11)和转向容错检测逻辑(12)，其中转向容错检测逻辑(12)包括多数表决器(13)、2位增/减计数器(14)和数字滞环比较器(15)，转动方向检测状态机(11)由三个状态机构成，三个状态机均使用两个霍尔信号作为输入完成转动方向的检测，多数表决器(13)根据转动方向检测状态机(11)的三个转向信号进行表决，2位增/减计数器(14)在三相霍尔信号每个信号的上升沿计数，其计数方向由多数表决器(13)的表决结果决定，数字滞环比较器(15)根据2位增/减计数器(14)的计数值判断转动方向。

4、根据权利要求3所述的磁悬浮反作用飞轮转子转速和转动方向的检测装置，其特征在于：所述的数字滞环比较器(15)设置滞环比较值的上限和滞环比较值下限来屏蔽单相霍尔信号故障对转动方向检测结果的影响。

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