[发明专利]一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及无刷直流电机，尤其是利用霍尔信号对电机转速和转动方向进行检测的装置。

背景技术

无刷直流电机作为多数执行机构驱动电机的关键组件，其性能好坏决定着整个系统功能的有效性。对执行机构电机转速和转动方向进行测量，往往是利用光码盘，或者光码盘加上电机霍尔传感器的双重冗余测速测角方案，利用光码盘对转子进行测速测角，精度虽然较高，但光码盘组件较为精密，容易损坏，且安装较为繁琐，结构上的稍微变动都会造成测量结果出现很大的误差。利用电机本身具有的霍尔传感器进行电机转速的检测及转向的判定，往往由于电磁干扰等因素的影响造成判断错误。

目前对电机霍尔信号进行滤波常用的方法是利用模拟电路首先对电机霍尔信号进行滤波和整形，再接入高速光耦隔离电路，之后再引入数字电路来计算转速和判断转动方向。高速光耦隔离电路受外界电磁环境影响较大，因而其使用受到了一定的限制。对于执行机构来说，电机转速或者转动方向检测的错误都将造成执行机构工作的不稳定，进而影响整个控制系统的正常工作，因此必须采用可靠的方法检测执行机构电机的转速和转动方向。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术不足，提供一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置，能够对霍尔信号进行容错检测，克服霍尔信号中高频干扰的影响，可为执行机构控制器提供可靠的转速信息，能精确可靠地得到转动方向信号值，避免霍尔信号中的高频干扰带来的检测误差。

本发明的技术解决方案：一种基于FPGA的电机转速和转向检测装置，其结构要点是包括霍尔信号滤波整形电路、FPGA芯片，霍尔信号滤波整形电路与电机的霍尔信号HA、HB、HC相连通，霍尔信号滤波整形电路将三路霍尔信号滤波整形后得到新的霍尔信号HA`、HB`、HC`；新的三路霍尔信号HA`、HB`、HC`与FPGA芯片相连通；所述的FPGA芯片包括转速容错测量逻辑模块、转动方向容错测量逻辑模块，转速容错测量逻辑模块完成对执行机构电机转子转速的容错测量，利用含高频噪声的霍尔信号进行转速测量，将转速信号传入控制电机的处理器；转动方向容错测量逻辑模块完成对电机转子转动方向的容错检测，在霍尔信号含高频噪声的情况下利用其容错逻辑实现无刷直流电机转动方向的输出。

所述的霍尔信号滤波整形电路包括保护电路、比较电路、滤波电路、整形电路四个部分，其中保护电路包括两个二极管，一个二极管的阳极与霍尔输入信号连通，阴极接电源，另一个二极管阳极接电源，阴极与霍尔输入信号连通；比较电路包括一个开路输出比较器和两个电阻，其中一个电阻一端接比较器负输入端，一端接地，另一个电阻一端接电源，一端接比较器输出端；滤波电路包括一个电阻和电容，电阻一端接比较器输出端，一端接电容，电容另一端接地；整形电路包括两个反向施密特触发器，滤波电路的输出作为第一个触发器的输入，其输出作为第二个触发器的输入，第二个触发器的输出即为整形滤波处理后的霍尔信号，霍尔输出信号地为电源地。保护电路用于防止输入信号出现过高或过低的电压值；比较电路用于对输入信号进行比较处理，输出满足要求的电平值的霍尔信号；滤波电路用来对霍尔信号中包含的高频噪声进行滤波；整形电路用于整形滤波处理后的霍尔信号。

所述的转速容错测量逻辑模块包括逻辑控制模块、霍尔信号计数器、除法器，其中逻辑控制模块完成霍尔信号计数器的计数使能、清零，以及除法器的除法操作的控制；其中霍尔信号计数器分别对三相霍尔信号脉冲的上升沿进行计数，计数值锁存，对锁存的三个值两两加和做除法取平均值，对计算得到的两个值进行锁存，再对这两个锁存值进行加和做除法取平均值得到转速值。

所述的转动方向容错检测逻辑模块包括分频器、脉冲宽度计数器、转向逻辑判断模块、转动方向判断信号滤波处理模块，分频器对系统时钟信号进行分频得到一个周期更长的时钟信号，利用这个时钟信号对两路霍尔信号的高电平宽度进行记录，由脉冲宽度计数器对霍尔信号宽度进行锁存，转向逻辑判断模块则是利用系统时钟的快速性，对其中一路霍尔信号的脉冲宽度计数器进行检测，转动方向判断信号滤波处理模块，则是利用分频器分频出来的长周期时钟信号在各位置上对转动方向信号进行检测。