基于FPGA的高精度霍尔测速方法

　　0　引言

　　霍尔传感器可以用于电机的换相和测速,使用效率高,同时不容易受到污染、可靠性高、体积小、质量轻,因而目前空间运行的飞轮很多靠霍尔传感器测速。霍尔传感器产生的方波脉冲信号的测量方法通常有3种:M法(频率法),高速时精度较高;T法(周期法),适于低速测量;M /T法(频率/周期法),该种方法低速、高速均适合,但其实现相对复杂。以上几种方法的测速精度都是对理想霍尔信号而言的,实际上霍尔信号本身存在误差,需将上述方法加以改进方可消除霍尔信号误差。传统做法是测整数周霍尔信号,这就使得测速时间大大延长,制约了飞轮控制系统的控制性能。针对上述问题,提出了一种改进的T测速法。

　　1　霍尔测速系统理论分析

　　1. 1　霍尔测速原理

　　对于安装有3个霍尔传感器,具有P对永磁磁极的三相直流无刷电机,如图1所示,理想情况下,匀速时3个霍尔传感器输出的3路霍尔信号的方波周期、频率均相同,每2路信号电角度差120°,每个方波占空比为50%,电机旋转1周,每路霍尔输出P个方波,该系统中P=3。电机转速n与方波频率f成正比n=60f/P,与方波周期T成反比n=60/(TP),因而测量霍尔传感器产生的方波的周期T或频率f,通过计算就可以得到转速,这就是霍尔测速原理。

　　1. 2　霍尔测速误差产生原因

　　由于系统要求电机最高转速为6 000 r/min,而选用的测速

　　系统核心器件FPGA基准时钟频率为50 MHz,相对FPGA时钟频率来说电机转速较低,因而采用T测速法,可以保证对霍尔信号的测量误差小于万分之一。然而,霍尔信号本身存在误差,即使霍尔信号测得非常精确,将其换算成速度仍存在较大误差。霍尔信号误差主要由霍尔元件安装误差、定子线圈和转子磁极加工误差产生。前者使任意两路霍尔信号间的相位差并非精确地等于120°,后者使一路霍尔信号的占空比并非精确地等于50%,并且一路霍尔输出的3个波形周期也不相等。前者在只对一路霍尔信号测量时不起作用,后者可以通过测量整数圈使其累加误差为0。为了追求测速精度,传统方法采用一次测量整数周的霍尔信号,这样必然导致速度反馈时间的延长;若每次只测一个ti-j(i∈Z, j∈1,2,…,18),速度反馈时间大大缩短,但是很明显,霍尔信号的ti-j段无法精确地表征转速。这就是矛盾所在。

　　2　测速方法的选择和改进

　　2. 1　传统T测速法

　　方法Ⅰ偏重速度反馈速率:对图1中的t1-1, t1-2…t1-18中任意一段使用T测速法。周期为T=18t1-i(i=1,2,…,18)。此种方法的速度测量值反馈回来得最快,为调速系统快速调速赢得了时间。其缺点是:由于t1-1, t1-2…t1-18并不完全相等带来速度反馈值的较大误差,使得调速系统稳速精度降低。