一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發明一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統，包括硬預處理模塊、軟預處理模塊和測速模塊；硬預處理模塊對霍爾信號在傳輸途徑中產生的霍爾高頻噪聲進行去除，并對去噪后的霍爾信號進行邊沿陡化后送至軟預處理模塊；軟預處理模塊消除輸入進來的霍爾信號的高頻大功率野值，得到處理后的霍爾信號；測速模塊根據處理后的霍爾信號進行測速運算，得到轉子轉速。本發明實現了高速電機快速、高精度、高可靠的速度檢測，非常適合應用于航天用高速電機的速度檢測。
【專利說明】
一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統，適用于航天用高速電機 的轉速檢測，具有精度高、響應快、抗干擾性強等特點。
【背景技術】
[0002] 控制力矩陀螺靠改變轉子角動量的方向輸出力矩，用以調整航天器姿態。轉子轉 速直接影響轉子角動量大小，進而影響控制力矩陀螺輸出力矩精度。因此，控制力矩陀螺對 轉子轉速的控制精度要求很高。而轉速檢測精度直接影響轉速的控制精度。
[0003] 控制力矩陀螺的轉子轉速使用開關霍爾傳感器進行檢測。霍爾傳感器埋置在電機 定子上，其電源及信號線需要經過真空插頭、導電滑環、航空插頭、驅動板接插件、驅動板、 背板接插件、背板等多個連接環節才接入到控制板上。雖然本體到線路盒的連接線使用屏 蔽線，霍爾信號進入處理器前仍會引入大量干擾，包括如上眾多連接環節會引入驅動開關 擾動、電源開關擾動，還包括電機繞組電磁擾動、外部設備串擾等。這些干擾會使處理器檢 測到錯誤的霍爾邊沿信號。現有測速方法未對霍爾信號進行有效的預處理，導致解算出錯 誤的轉速。
[0004] 現有測速方法通過測量霍爾信號相鄰上升沿的時間解算轉子轉速。對多對極轉子 而言，各磁極的加工、充磁、裝配誤差會導致霍爾信號相鄰上升沿對應的轉子旋轉角度不一 致，最終產生轉速解算誤差。
[0005] 現有測速方法未要求使用霍爾信號上升沿還是下降沿解算轉速，霍爾信號上升沿 過度過程時間長，受噪聲干擾概率大。
[0006] 轉子轉速檢測的錯誤不僅會使轉速控制精度變差，嚴重情況下還會使轉速一直處 于大幅調制狀態，大幅增加系統功耗。如不對現有檢測方法進行處理，在GNC系統聯調或空 間輻射環境下，上述情況有進一步惡化的可能性。
【發明內容】
[0007]本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種尚速電機的尚精度尚 魯棒轉速檢測系統，實現高速電機快速、高精度、高可靠的速度檢測，非常適合應用于航天 用高速電機的速度檢測。
[0008] 本發明的技術方案是:一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統，包括硬預處 理模塊、軟預處理模塊和測速模塊;硬預處理模塊對霍爾信號在傳輸途徑中產生的霍爾高 頻噪聲進行去除，并對去噪后的霍爾信號進行邊沿陡化后送至軟預處理模塊;軟預處理模 塊消除輸入進來的霍爾信號的高頻大功率野值，得到處理后的霍爾信號；測速模塊根據處 理后的霍爾信號進行測速運算，得到轉子轉速。
[0009] 所述硬預處理模塊包括RC濾波單元和施密特觸發器單元;RC濾波單元用以去除霍 爾信號在傳輸途徑中產生的霍爾高頻噪聲，施密特觸發器對去噪后的霍爾信號進行邊沿陡 化，減小過度過程時間。
[0010] 所述軟預處理模塊包括滑動窗口濾波單元和抗突變滯環單元;所述滑動窗口濾波 單元的窗口寬度N大于輸入的霍爾信號0/1跳變帶的寬度，且小于半個霍爾周期寬度;在窗 口寬度N內將預處理后的霍爾信號的采樣值相加，與N/2比較，如果大于N/2,則滑動窗口濾 波單元輸出為1，否則滑動窗口濾波單元輸出為〇;滑動窗口位置隨時間更新，每次計算時更 新窗頭數據，同時去掉上次窗尾數據，依此循環進行;N為正整數；
[0011] 抗突變滯環單元分析滑動窗口濾波單元濾波后的霍爾信號，如果其數值與前一時 刻霍爾信號一致，則將濾波后的霍爾信號發送給測速模塊，否則，計算當前時刻到上一次霍 爾變化時刻的時間，如果大于等于在轉子最高轉速下的半霍爾周期寬度，則將濾波后的霍 爾信號發送給測速模塊;否則，把前一時刻霍爾信號發送給測速模塊。
[0012] 所述測速模塊包括整圈Μ法測速單元和三相測速選擇單元;整圈Μ法測速單元使用 軟預處理單元輸出的間隔為極對數的霍爾信號下降沿，測算兩下降沿間的時鐘個數，解算 出電機轉速;三相測速選擇單元比較霍爾A、B、C三通道解算出的電機轉速，選擇中間值，作 為最終的電機轉速值。
[0013] 本發明的有益效果：
[0014] (1)本發明設計了一種滑動窗口濾波器，根據窗口內有效值數量判定輸出值，消除 霍爾邊沿多判或漏判現象，提高了測速魯棒性。
[0015] (2)本發明設計了一種針對大功率干擾的抗突變滯環濾波器。如果當前霍爾信號 變化速度大于最大轉速下霍爾信號變化速度，則判定當前霍爾信號為噪聲信號，濾波器輸 出為上一時刻霍爾信號值，提高了測速魯棒性。
[0016] (3)本發明提出了一種整圈測速方法，有效避免了各磁極的加工、充磁、裝配誤差 對測速影響，提高了測速精度。
[0017] (4)本發明使用霍爾下降測速，霍爾信號下降沿過度過程時間短，受噪聲干擾概率 小，提高了測速精度。
【附圖說明】
[0018] 圖1電機轉速高精度高魯棒檢測系統總體框圖；
[0019] 圖2霍爾信號硬預濾波模塊；
[0020]圖3霍爾信號噪聲及滑動窗口不意圖；
[0021]圖4滑動窗口濾波單元流程圖；
[0022]圖5抗突變滯環單元流程圖；
[0023]圖6整圈你去測速示意圖；
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，本專利主要包括三個模塊，一是硬預處理模塊，主要通過硬件實現，實 現對霍爾高頻噪聲的預處理和邊沿陡化功能；二是軟預處理模塊，在FPGA中實現，主要包括 滑動窗口濾波單元和抗突變滯環單元，消除霍爾信號的高頻大功率野值;三是測速單元，在 FPGA中軟件編程實現，包括整圈Μ測速單元，三相測速選擇單元，實現高精度測速。
[0025] 1、硬預處理模塊
[0026] 如圖2所示，硬預處理模塊主要包括RC濾波器和施密特觸發器，RC濾波單元有電阻 R和電容C組成，用以消除霍爾信號在傳輸途徑中引入的干擾。使用施密特觸發器陡化霍爾 信號邊沿，減小過度過程。
[0027] 2、軟預處理模塊
[0028] 2.1滑動窗口濾波單元
[0029]圖3所示為經過硬預處理模塊之后的霍爾信號。由圖可見，硬預處理后的霍爾信號 邊沿處仍出現因高頻噪聲導致的毛刺。
[0030] 圖4所示為滑動窗口濾波單元的流程圖，窗口寬度N可調，最小不低于最大0/1跳變 帶的寬度，最大不超過最高轉速下的半霍爾周期寬度。在窗口寬度N內將軟預處理后的霍爾 信號的采樣值相加，與N/2比較，如果大于N/2,則滑動窗口濾波單元輸出為1，否則滑動窗口 濾波單元輸出為0;滑動窗口位置隨時間更新，每次計算時更新窗頭數據，同時去掉上次窗 尾數據，依此循環進行；
[0031] 2.2抗突變滯環單元
[0032] 為防止霍爾邊沿后的密集寬幅干擾所帶來的霍爾信號突變現象，需要對滑動窗口 濾波后的霍爾信號進行抗突變處理。圖5所示為抗突變滯環單元的流程圖。抗突變滯環單元 分析滑動窗口濾波單元濾波后的霍爾信號，如果其數值與前一時刻霍爾信號一致，則將濾 波后的霍爾信號發送給測速模塊。否則，計算當前時刻到上一次霍爾變化時刻的時間，如果 大于等于在轉子最高轉速下的半霍爾周期寬度，則將濾波后的霍爾信號發送給測速模塊； 否則，把前一時刻霍爾信號發送給測速模塊。
[0033] 3、測速模塊
[0034] 3.1、整圈Μ法測速單元
[0035] 霍爾下降沿下降速度明顯快于上升沿上升速度。為減小霍爾信號0/1跳變帶的寬 度，使用霍爾下降沿轉速檢測。
[0036] 電機轉子永磁體由多塊N-S交錯磁體拼接而成。因加工、裝配誤差造成每個磁極寬 度不同。如圖6所示，為減小測速誤差，在使用Μ法測速時，要根據轉子旋轉一整圈(Ρ對極時， 需要數Ρ個下降沿)所需時鐘個數為Νακ，電機轉速V為：
[0038] 其中，fCLK為時鐘頻率。
[0039] 3.2、三相測速選擇單元
[0040]為進一步提高測速魯棒性，將三個霍爾模塊用前述步驟1-3的方法進行處理得到 轉速A、轉速B、轉速C。將三個轉速進行比較，選擇中間值，作為最終的電機轉速值。
[0041 ] 實施例1
[0042] (1)功能:CMG高速轉子測速，實現在強干擾環境下的高速電機高精度測速，轉子轉 速7000轉/分，測速精度〈1/10000,無轉速跳變現象。
[0043] (2)硬預濾波模塊:RC濾波截止頻率>20k Hz，在濾除高頻噪聲的同時，減小對霍爾 信號邊沿的影響。斯密特觸發器使用74HC14芯片。
[0044] (3)軟預濾波模塊:設定FPGA基準時鐘頻率為16M Hz，轉子轉速7000轉/分，窗口長 度N取為100,當采樣到高電平的個數大于50時，表示當前霍爾信號為高電平。
[0045] (4)測速模塊:電機極對數P為12對極。
[0046]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統，其特征在于:包括硬預處理模塊、軟預 處理模塊和測速模塊;硬預處理模塊對霍爾信號在傳輸途徑中產生的霍爾高頻噪聲進行去 除，并對去噪后的霍爾信號進行邊沿陡化后送至軟預處理模塊;軟預處理模塊消除輸入進 來的霍爾信號的高頻大功率野值，得到處理后的霍爾信號；測速模塊根據處理后的霍爾信 號進行測速運算，得到轉子轉速。2. 根據權利要求1所述的一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統，其特征在于:所 述硬預處理模塊包括RC濾波單元和施密特觸發器單元;RC濾波單元用以去除霍爾信號在傳 輸途徑中產生的霍爾高頻噪聲，施密特觸發器對去噪后的霍爾信號進行邊沿陡化，減小過 度過程時間。3. 根據權利要求1所述的一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統，其特征在于:所 述軟預處理模塊包括滑動窗口濾波單元和抗突變滯環單元;所述滑動窗口濾波單元的窗口 寬度N大于輸入的霍爾信號0/1跳變帶的寬度，且小于半個霍爾周期寬度;在窗口寬度N內將 預處理后的霍爾信號的采樣值相加，與N/2比較，如果大于N/2,則滑動窗口濾波單元輸出為 1，否則滑動窗口濾波單元輸出為〇;滑動窗口位置隨時間更新，每次計算時更新窗頭數據， 同時去掉上次窗尾數據，依此循環進行;N為正整數； 抗突變滯環單元分析滑動窗口濾波單元濾波后的霍爾信號，如果其數值與前一時刻霍 爾信號一致，則將濾波后的霍爾信號發送給測速模塊，否則，計算當前時刻到上一次霍爾變 化時刻的時間，如果大于等于在轉子最高轉速下的半霍爾周期寬度，則將濾波后的霍爾信 號發送給測速模塊;否則，把前一時刻霍爾信號發送給測速模塊。4. 根據權利要求1所述的一種高速電機的高精度高魯棒轉速檢測系統，其特征在于:所 述測速模塊包括整圈Μ法測速單元和三相測速選擇單元;整圈Μ法測速單元使用軟預處理單 元輸出的間隔為極對數的霍爾信號下降沿，測算兩下降沿間的時鐘個數，解算出電機轉速； 三相測速選擇單元比較霍爾A、B、C三通道解算出的電機轉速，選擇中間值，作為最終的電機 轉速值。
【文檔編號】G01P3/48GK106093456SQ201610402603
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】王英廣, 魯明, 田利梅, 胡躍偉, 武登云, 張激揚, 李剛, 田興, 馬文棟
【申請人】北京控制工程研究所