阅读说明：本技术 一种霍尔信号采集装置及其工作方法 (Hall signal acquisition device and working method thereof ) 是由 董鑫 魏海峰 王浩陈 张懿 李垣江 刘维亭 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种霍尔信号采集装置,其特征在于,包括：接口单元、霍尔信号采集单元、触发电压调节单元、直流电源单元；接口单元与霍尔信号采集单元相连,用于接入永磁同步电机的霍尔信号；霍尔信号采集单元与触发电压调节单元相连,用于对永磁同步电机的霍尔信号进行电平转化和滤波处理；触发电压调节单元,用于根据触发电压大小将霍尔信号采集单元的输出信号进一步做电平转化,并将处理结果输出；直流电源单元和霍尔信号采集单元以及触发电压调节单元相连,用于给所相连单元供源。当永磁同步电机低速时,本发明通过改变霍尔传感器边沿信号的触发电压,可以有效地缓解转子位置信息滞后的问题,提高永磁同步电机低速性能。(The invention provides a Hall signal acquisition device, which is characterized by comprising: the device comprises an interface unit, a Hall signal acquisition unit, a trigger voltage regulation unit and a direct current power supply unit; the interface unit is connected with the Hall signal acquisition unit and is used for accessing Hall signals of the permanent magnet synchronous motor; the Hall signal acquisition unit is connected with the trigger voltage regulation unit and is used for carrying out level conversion and filtering processing on a Hall signal of the permanent magnet synchronous motor; the trigger voltage adjusting unit is used for further performing level conversion on the output signal of the Hall signal acquisition unit according to the magnitude of the trigger voltage and outputting a processing result; the direct current power supply unit is connected with the Hall signal acquisition unit and the trigger voltage regulation unit and is used for supplying power to the connected units. When the permanent magnet synchronous motor is in low speed, the invention can effectively relieve the problem of lag of the position information of the rotor by changing the trigger voltage of the edge signal of the Hall sensor, and improve the low speed performance of the permanent magnet synchronous motor.)

一种霍尔信号采集装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机的霍尔检测技术，具体涉及一种用于改善永磁同步电机低速性能的霍尔信号采集装置及其工作方法。

背景技术

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动系统和直流电机的更新替代电机。

永磁同步电机常用霍尔传感器作为位置传感器。而霍尔传感器属于低精度的位置传感器，尤其在永磁同步电机低速时，霍尔传感器边沿信号接近于梯形波，这会直接导致由霍尔传感器获取到的转子位置信息滞后，影响永磁同步电机低速性能，造成转速波动。而通过改进硬件电路，调整霍尔传感器边沿信号的触发电压，可以有效地缓解转子位置信息滞后的问题，提高永磁同步电机低速性能。

发明内容

本发明提供了一种霍尔信号采集装置及其工作方法，用来解决永磁同步电机低速时转子位置信息滞后造成转速波动的问题。

本发明提供了一种霍尔信号采集装置，包括：接口单元、霍尔信号采集单元、触发电压调节单元、直流电源单元；

所述接口单元与所述霍尔信号采集单元相连，用于接入永磁同步电机的霍尔信号；

所述霍尔信号采集单元与所述触发电压调节单元相连，用于对永磁同步电机的霍尔信号进行电平转化和滤波处理；

所述触发电压调节单元，根据触发电压大小将所述霍尔信号采集单元的输出信号进行方波信号标准化处理，并将处理结果输出；

所述直流电源单元和所述霍尔信号采集单元以及所述触发电压调节单元相连，用于给所述霍尔信号采集单元以及所述触发电压调节单元供电源。

可选地，所述接口单元包括接口J1、接口J2、接口J3；所述霍尔信号采集单元包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C1、电容C2、电容C3；所述直流电源单元分别和电阻R1的一端、电阻R2的一端以及电阻R3的一端相连，电阻R1的另一端分别和接口J1、电容C1的一端以及电阻R6的一端相连，电阻R2的另一端分别和接口J2、电容C2的一端以及电阻R5的一端相连，电阻R3的另一端分别和接口J3、电容C3的一端以及电阻R4的一端相连；电容C1的另一端、电容C2的另一端以及电容C3的另一端均对地连接。

可选地，所述触发电压调节单元包括：电压比较芯片U1、可调电源B1，电阻R7、电阻R8、电阻R9、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，所述电压比较芯片U1包括14个引脚，所述电压比较芯片U1的1号引脚分别和电阻R8的一端以及电容C6的一端相连，所述电压比较芯片U1的2号引脚分别电阻R7的一端以及电容C5的一端相连，所述电压比较芯片U1的14号引脚分别和电阻R9的一端以及电容C7的一端相连；所述电压比较芯片U1的3号引脚分别和所述直流电源单元以及电容C4的一端相连；所述电压比较芯片U1的4号引脚、6号引脚以及8号引脚均和可调电源B1相连；所述电压比较芯片U1的5号引脚和所述电阻R4的另一端相连，所述电压比较芯片U1的7号引脚和所述电阻R5的另一端相连，所述电压比较芯片U1的9号引脚和所述电阻R6的另一端相连；所述电压比较芯片U1的10号引脚、11号引脚、12号引脚、13号引脚以及电容C4的另一端均对地连接；所述电阻R7的另一端、电阻R8的另一端、电阻R9的另一端、电容C5的另一端、电容C6的另一端以及电容C7的另一端均和所述直流电源单元相连。

可选地，所述可调电源B1输出电压的可调范围为1.2V到2.0V。

可选地，所述直流电源单元的电压为5V或3.3V。

可选地，所述电压比较器U1的传播延时小于1us。

可选地，所述可调电源B1的型号为TPS74201RGWT。

一种霍尔信号采集装置的工作方法，具体为：

从接口单元接入霍尔传感器信号，接入的霍尔传感器信号为电压幅值变动的非标准方波，霍尔信号采集单元将电压幅值变动的非标准方波转变为电压幅值固定的非标准方波，触发电压调节单元将电压幅值固定的非标准方波转变为标准方波，完成对接入的霍尔传感器信号的处理。

可选地，当从接口单元中的接口J1接入一相霍尔传感器信号时，直流电源单元和霍尔信号采集单元中的电阻R3将电压幅值变动的非标准方波的霍尔信号转变为电压幅值固定的非标准方波信号，并通过霍尔信号采集单元中的电阻R4和电容C3滤除信号中的谐波送入触发电压调节单元中的电压比较芯片U1的第5引脚，电压比较芯片U1将第4引脚的基准电压与送入的信号进行比较，比较结果经电压比较芯片U1的第2引脚输出带有谐波的方波信号，直流电源单元、触发电压调节单元中的电阻R7和电容C5的对带有谐波的方波信号进行稳压处理输出标准方波信号，完成对接入的霍尔传感器信号的处理。

本发明的有益效果有：

1、直流电源单元的电压可选5V和3.3V，且电压比较芯片U1的对比电压可调，也就是可调电源B1的输出电压可调范围为1.2V到2.0V，故本装置适用的范围较广。

2、当永磁同步电机低速时，通过单片机编程，调节电压比较芯片U1的对比电压可调电源B1的输出电压大小，改变霍尔传感器边沿信号的触发电压，可以有效地缓解转子位置信息滞后的问题，提高永磁同步电机低速性能。

附图说明

图1为本发明实施例中一种霍尔信号采集装置的电路图；

图2为本发明实施例中利用本发明的采集装置的低速转速误差图；

图3为本发明实施例中利用传统的采集装置的低速转速误差图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、硬件设计方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种霍尔信号采集装置，包括：直流电源单元、接口单元、霍尔信号采集单元、触发电压调节单元以及单片机。

接口单元与霍尔信号采集单元相连，用于接入永磁同步电机的霍尔信号；霍尔信号采集单元与触发电压调节单元相连，用于对永磁同步电机的霍尔信号进行电平转化和滤波处理；触发电压调节单元，用于根据触发电压大小将霍尔信号采集单元的输出信号进一步做电平转化，并将处理结果输出；直流电源单元和霍尔信号采集单元以及触发电压调节单元，用于给霍尔信号采集单元以及触发电压调节单元供源；单片机和触发电压调节单元的输出端相连，用于接收处理好的霍尔信号。

如图1所示，触发电压调节单元包括：电压比较芯片U1、可调电源B1，电阻R7至电阻R9以及电容C4至电容C7，可调电源B1作为电压比较芯片U1的基准电压，由单片机控制可调电源B1的幅值大小。

直流电源单元包括电源A1，用于给所相连的单元供源，电源A1的电压值，取决于单片机的供电电压值；当单片机的供电电压为5V时，电源A1的电压选择5V；当单片机的供电电压为3.3V时，电源A1的电压选择3.3V；接口单元包括接口J1、接口J2、接口J3，与待测永磁同步电机的霍尔传感器相连；霍尔信号采集单元包括电阻R1至电阻R6、电容C1至电容C3，用于采集并处理霍尔信号，

其中，接口J1分别与电阻R4的一端、电容C3的一端以及电阻R3的一端相连，电阻R4的另一端连接到电压比较芯片U1的第5引脚，电容C3的另一端接地，电阻R3的另一端接电源A1，用来采集U相霍尔信号；接口J2与电阻R5的一端、电容C2的一端以及电阻R2的一端相连，电阻R5的另一端连接到电压比较芯片U1的第7引脚，电容C2的另一端接地，电阻R2的另一端接电源A1，用来采集V相霍尔信号；接口J3与电阻R的一端6、电容C1的一端以及电阻R1的一端相连，电阻R6的另一端连接到电压比较芯片U1的第9引脚，电容C1的另一端接地，电阻R1的另一端接电源A1，用来采集W相霍尔信号；可调电源B1的一端与电压比较芯片U1的第4引脚、第6引脚、第8引脚相连，作为电压比较芯片U1的基准电压，可调电源B1的另一端接单片机，通过单片机根据霍尔传感器边沿信号梯形波的幅值，将电压比较芯片U1的基准电压即可调电源B1的输出电压范围设定为1.2V到2.0V之间；电容C4的一端与电压比较芯片U1的第3引脚、电源A1相连，电容C4的另一端接地，为电压比较芯片U1的供源；电压比较芯片U1的第12引脚为芯片接地引脚，第10引脚、第11引脚、第13引脚，本实施例未使用到，故将电压比较芯片U1的第10引脚、第11引脚、第12引脚和第13引脚接地；电阻R7的一端与电压比较芯片U1的第2引脚、电容C5的一端以及单片机相连，电阻R7的另一端接电源A1，电容C5的另一端接电源A1，将通过电压比较芯片U1处理后的U相霍尔信号，经过上拉电阻，输入到单片机；电阻R8的一端与电压比较芯片U1的第1引脚、电容C6的一端、单片机相连，电阻R8的另一端接电源A1，电容C6的另一端接电源A1，将通过电压比较芯片U1处理后的V相霍尔信号，经过上拉电阻，输入到单片机；电阻R9的一端与电压比较芯片U1的第14引脚、电容C7的一端以及单片机相连，电阻R9的另一端接电源A1，电容C7的另一端接电源A1，将通过电压比较芯片U1处理后的W相霍尔信号，经过上拉电阻，输入到单片机。

本发明装置的工作方法如下，以接口单元中的接口J1接入一相霍尔传感器信号为例，当从接口单元中的接口J1接入一相霍尔传感器信号时，电源A1和霍尔信号采集单元中的电阻R3实现电压的上拉功能，将电压幅值变动的非标准方波的霍尔信号转变为电压幅值固定的非标准方波信号，其中电压幅值固定为电源A1的电压幅值；并通过霍尔信号采集单元中的电阻R4和电容C3滤除信号中的谐波送入触发电压调节单元中的电压比较芯片U1的第5引脚，电阻R4和电容C3构成一个RC电路实现滤波；电压比较芯片U1将第4引脚的基准电压与送入的信号进行比较，比较结果经电压比较芯片U1的第2引脚输出带有谐波的方波信号，霍尔信号采集单元中的霍尔信号接近幅值固定的梯形波，通过电压比较器跟可调电源B1提供的基准电压对比后输出带有谐波的方波信号，该方波信号不仅幅值固定，再电平跳变时序上要超前输入的幅值固定的梯形波；电源A1、触发电压调节单元中的电阻R7和电容C5的对带有谐波的方波信号进行稳压处理输出标准方波信号，完成对接入的霍尔传感器信号的处理；最终输出的霍尔波形为幅值固定、谐波量少的标准方波信号，还比霍尔信号采集单元输入的信号波形的电平跳变时序超前。其他接口的接入霍尔信号后，与接口相配套的器件的工作方式与从接口单元中的接口J1接入一相霍尔传感器信号时相配套的器件的工作方式相同

电压比较器U1的选型满足传播延时小于1us，优选高速电压比较器AD8612ARUZ。如果选择通用电压比较器，其传播延时一般大于5us，直接影响到霍尔信号采集装置对永磁同步电机低速性能的改善效果；当传播延时过大时，甚至会永磁同步电机低速性能变差。高速电压比较器为纳秒级别的传播延时，几乎不会对传播造成影响。

具体实施例中，接口J1至J3分别接入待测永磁同步电机的霍尔信号U至W相，电压比较芯片U1采用高速电压比较器AD8612ARUZ，可调电源B1采用TPS74201RGWT，电阻R1、电阻R2以及电阻R3采用2KΩ，电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8以及电阻R9采用10KΩ，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7采用1nF，单片机采用STM32F103RBT6，电源A1采用3.3V，设定可调电源B1的幅值为1.6V。

如图2和图3所示，采用的永磁同步电机的额定转速为3000rpm、额定电压48V、极对数2对极；设定目标转速100rpm，采用同一种控制方法，做空载低速实验，以对比本发明的采集装置和传统的采集装置的低速性能，得到转速误差图。

如图2所示，为利用本发明霍尔信号采集装置时，实际转速与设定转速误差波形图，如图3所示，为利用传统霍尔信号采集装置时，实际转速与设定转速误差波形图。可以看出：当速度稳定时，利用本发明霍尔信号采集装置的电路图时，永磁同步电机转速波动更小，使得永磁同步电机有更加稳定的转矩输出，减小电机本体的振动，有效改善了永磁同步电机的低速性能。

以上应用了具体个例对本发明进行了阐述，只是用于帮助理解本发明，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。对于本领域的技术人员，可以根据本发明的思想，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，还可以做出另外的简单修改。