基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速方法及系统

1.本发明属于反作用飞轮测速方法及系统，具体涉及一种基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速方法及系统。


背景技术：

2.实现反作用飞轮的高精度速度控制，关键是要使反作用飞轮的测速满足高精度要求。对于反作用飞轮的测速，一般采用光电码盘与霍尔传感器来实现。光电码盘由于结构、安装、体积和成本的原因，应用较少，更多是采用霍尔传感器来实现反作用飞轮的测速。
3.反作用飞轮电机通常采用三相无刷直流电机，通过3个开关霍尔传感器组成一组或多组开关霍尔传感器共同实现速度测量。霍尔传感器分为两种：开关霍尔传感器和线性霍尔传感器。开关霍尔传感器的输出信号为方波，线性霍尔传感器的输出信号为正弦波。由于线性霍尔传感器输出的信号为正弦波，后续硬件处理电路与软件解算算法都较复杂，因此，在实际工程应用中没有开关霍尔传感器应用广泛。
4.对于多组开关霍尔传感器构成的反作用飞轮测速系统，在反作用飞轮高速运行时，理论上一定时长内的测速脉冲数相较低速时会增多，因此，测速分辨率就会增高，速度测量的精度也会随之增高，但是，随着多组开关霍尔传感器产生的脉冲个数增加，单个脉冲宽度变窄、脉冲之间间距减小，由于电机磁极和开关霍尔传感器的加工、安装误差，会加剧单个脉冲宽度的变形，导致脉冲之间间距消失，最终导致脉冲计数处理电路出现丢失脉冲个数的现象。而在反作用飞轮低速运行时，理论上一定时长内的测速脉冲数相较高速时会减小，单个脉冲宽度较宽，脉冲之间间距增大，受电机磁极和开关霍尔传感器的加工、安装误差影响较小，不会出现脉冲计数处理电路增加和减小脉冲个数的现象，但测速分辨率会降低，速度测量精度也会随之降低。


技术实现要素：

5.本发明为解决目前多组开关霍尔传感器构成的反作用飞轮测速系统，在反作用飞轮高速运行时，会出现脉冲计数处理电路丢失脉冲个数的现象，在反作用飞轮低速运行时，测速分辨率会降低，速度测量精度也会随之降低的技术问题，提供一种基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速方法及系统。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
8.s1，将反作用飞轮的运行速度按照从大到小或从小到大的顺序依次划分为m级，所述m为大于等于2的整数；
9.s2，在反作用飞轮测速过程中，使开关霍尔传感器的测速组数i，与m级运行速度的速度大小呈反比，通过i组开关霍尔传感器对反作用飞轮测速；
10.其中，i＝1，2，
……
，n，n为开关霍尔传感器的总组数，每组开关霍尔传感中包括x
个开关霍尔传感器，x大于等于1，且m＝n。
11.进一步地，步骤s1中，反作用飞轮的运行速度按照从大到小的顺序依次划分为m级；
12.步骤s2中，开关霍尔传感器的测速组数i，与m级运行速度的速度大小满足以下关系：
[0013][0014]
其中，v
飞轮
为反作用飞轮速度测量值，v1为反作用飞轮m级运行速度中第1级的最小速度边界值，v2为反作用飞轮m级运行速度中第2级的最小速度边界值，v3为反作用飞轮m级运行速度中第3级的最小速度边界值，v
m-1
为反作用飞轮m级运行速度中第m-1级的最小速度边界值；f(
·
)为开关霍尔传感器组提取的速度值；h1为第一组开关霍尔传感器，h2为第二组开关霍尔传感器，h3为第三组开关霍尔传感器，hn为第n组开关霍尔传感器，h
n-1
为第n-1组开关霍尔传感器。
[0015]
进一步地，步骤s2具体为：
[0016]
s2.1，分别使每组开关霍尔传感器中的x个开关霍尔传感器产生的方波经异或处理后形成第一方波序列；
[0017]
s2.2，根据反作用飞轮运行速度对应的电压信号与m级运行速度中各级速度对应的电压信号比较结果，控制各第一方波序列输出与第一方波序列相同的第二方波序列或恒值低电平信号；
[0018]
s2.3，对所有的第二方波序列或恒值低电平信号进行异或处理，输出第三方波序列；
[0019]
s2.4，将所述第三方波序列转换为电压模拟量信号，获得反作用飞轮的测速信号；
[0020]
s2.5，将所述电压模拟量信号代入步骤s2.2中所述反作用飞轮运行速度对应的电压信号，持续执行步骤s2.2至步骤s2.5，对反作用飞轮测速信号进行实时控制。
[0021]
进一步地，步骤s2.1中，所述x个开关霍尔传感器产生的方波，经滤波和整形处理后，再经异或处理形成第一方波序列。
[0022]
本发明还提供了一种基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速系统，用于实现上述基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速方法，其特殊之处在于，包括n组开关霍尔传感器、n个异或门电路、n个可控开关、一个多输入异或门电路、一个f-v转换器、一个电压比较器、n-2个窗口电压比较器、一个电压比较器与反相器和n个多输入或门电路；
[0023]
每组开关霍尔传感器中开关霍尔传感器的个数相同；
[0024]
每组开关霍尔传感器中的每个开关霍尔传感器输出端分别与一个异或门电路的各输入端相连，每个所述异或门电路的输出端分别与一个可控开关的输入端相连，各所述可控开关的输出端分别与多输入异或门电路的输入端相连，多输入异或门电路的输出端与
f-v转换器的输入端相连，f-v转换器的输出端分别连接电压比较器、各窗口电压比较器和电压比较器与反相器的输入端；
[0025]
所述电压比较器的给定电压为反作用飞轮m级运行速度中第1级的最小速度边界值对应电压信号，n-2个所述窗口电压比较器的给定电压窗口分别为反作用飞轮m级运行速度中的第2级速度区间、第3级速度区间、
……
、第m-1级速度区间对应电压信号，所述电压比较器与反相器的给定电压为反作用飞轮m级运行速度中第m级的最大速度边界值对应电压信号；其中，m级运行速度中第1级对应的速度最大，第m级对应的速度最小，m＝n，m为大于等于2的整数；
[0026]
n个所述多输入或门电路包括第一多输入或门电路、第二多输入或门电路、
……
、第n多输入或门电路，电压比较器的输出端与第一多输入或门电路的输入端相连，电压比较器与反相器的输出端分别与n个所述多输入或门电路的输入端相连，第j个窗口电压比较器的输出端分别与第一多输入或门电路到第j+1多输入或门电路的输入端相连，j＝1，2，
……
，n-2；
[0027]
n个所述多输入或门电路的输出端分别与n个可控开关的控制端相连，用于控制可控开关的开合，所述异或门电路、可控开关和多输入或门电路一一对应。
[0028]
进一步地，还包括n个滤波整形电路；
[0029]
n个所述滤波整形电路的输入端分别与n组开关霍尔传感器的输出端相连，输出端分别与n个异或门电路的输入端相连。
[0030]
进一步地，每组开关霍尔传感器中开关霍尔传感器的个数均为3个。
[0031]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0032]
1.本发明基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速方法，在反作用飞轮高速运行时，减小开关霍尔传感器组数来完成速度测量，保证速度测量的准确性与可靠性，在反作用飞轮中速运行时，采用较多的开关霍尔传感器组数来完成测量，既保证了速度测量的准确性与可靠性，又保证了测量的分辨率与精度，在反作用飞轮低速运行时，采用最多组开关霍尔传感器，保证最大的分辨率与测量精度，经工程实践项目证明，本发明的测速方法能够达到上述效果。
[0033]
2.本发明的测速方法，根据反作用飞轮运行速度对应的电压信号与m级运行速度中各级速度对应的电压信号比较结果，控制各组开关霍尔传感器输出方波对应的方波序列是否输出，即各组开关霍尔传感器是否参与测速，能够具体实现上述测速方法的逻辑。
[0034]
3.本发明基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速系统，通过简单的与或门电路、可控开关、电压比较器、窗口电压比较器、电压比较器与反相器、多输入或门电路，相互配合，即可实现上述测速方法的控制，另外，可根据工程实践需要，设置开关霍尔传感器的具体组数，可使电路的实现更加简单，就能够实现高精度、高平稳的反作用飞轮测速控制。
附图说明
[0035]
图1为本发明基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速系统实施例示意图。
[0036]
其中：1-滤波整形电路、2-异或门电路、3-可控开关、4-多输入异或门电路、5-f-v转换器、6-电压比较器、7-窗口电压比较器、8-电压比较器与反相器、9-多输入或门电路。
具体实施方式
[0037]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0038]
在通过多组开关霍尔传感器对反作用飞轮测速的工程实践中，希望在低速时速度测量能具有更多的脉冲个数、高分辨率、高精度，来实现飞轮闭环控制的转速高平稳性；而在高速时，速度测量更关注速度测量的可靠性，保证飞轮闭环控制的可靠、准确和稳定运行。
[0039]
多组开关霍尔传感器的测速信号脉冲个数，由反作用飞轮电机的磁极对数与霍尔传感器个数确定(一圈脉冲个数＝电机磁极对数
×
霍尔传感器个数)，影响反作用飞轮的速度测量分辨率。而测速信号的脉冲宽度与脉冲序列排列，则与电机磁极的加工、安装位置精度、开关霍尔传感器安装位置精度等密切相关，会导致恒定速度时，单个脉冲宽度不一致、各脉冲间距有变化，将直接影响反作用飞轮的速度测量精度。
[0040]
由上述分析可知，在工程实践中，反作用飞轮高速运行时，随着开关霍尔传感器组数增加，其丢失脉冲个数的概率也在增大，而高速运行，更关注准确、可靠，如减小开关霍尔传感器的组数，会增大单个脉冲宽度，脉冲之间间距也会增大，而电机磁极、开关霍尔传感器的加工、安装误差影响会减小，可以消除脉冲计数处理电路增加与减小脉冲个数的现象。
[0041]
本发明基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速方法的主要思想为：反作用飞轮采用多组开关霍尔传感器进行速度测量，在高速时，减小开关霍尔传感器组数完成速度测量，保证速度测量的准确性与可靠性；在中速时，采用较多的开关霍尔传感器组数完成，既保证了速度测量的准确性与可靠性，又保证了测量的分辨率与精度；在低速时，采用全部多组开关霍尔传感器，保证最大的分辨率与测量精度。通过工程实践项目也证明了，这个策略的正确性。
[0042]
将反作用飞轮的运行速度按照从大到小或从小到大的顺序依次划分为m级，m为大于等于2的整数，在反作用飞轮测速过程中，使开关霍尔传感器的测速组数i，与m级运行速度的速度大小呈反比，其中，i＝1，2，
……
，n，n为开关霍尔传感器的总组数，每组开关霍尔传感中包括x个开关霍尔传感器，x大于等于1。具体速度分级个数与各级速度的边界，可根据项目实际需求与现实条件，反复调试确定。具体的，在本发明测速方法的一个实施例中，开关霍尔传感器采用3个一组，进行分组采集，整体控制时，可切换分组数。开关霍尔传感器的测速组数i，与m级运行速度的速度大小满足以下关系：
[0043][0044]
其中，v
飞轮
为反作用飞轮速度测量值，v1为反作用飞轮m级运行速度中第1级的最小
速度边界值，vm为反作用飞轮n级运行速度中第m级的最小速度边界值，v2为反作用飞轮m级运行速度中第2级的最小速度边界值，v3为反作用飞轮m级运行速度中第3级的最小速度边界值，v
m-1
为反作用飞轮m级运行速度中第m-1级的最小速度边界值；f(
·
)为开关霍尔传感器组提取的速度值；h1为第一组开关霍尔传感器，h2为第二组开关霍尔传感器，h3为第三组开关霍尔传感器，hn为第n组开关霍尔传感器，h
n-1
为第n-1组开关霍尔传感器；m＝n。
[0045]
相邻级的运行速度中，上一级运行速度的最小速度边界值是下一级运行速度的最大速度边界值，如v
m-1
为反作用飞轮m级运行速度中第m-1级的最小速度边界值，也是第m级的最大速度边界值。
[0046]
上述方法可能的实现电路方式较多，本发明提供了一种较为高效简便，且精度、可靠性较高的方式。而且，工程实践中，由于反作用飞轮的机构受限，一般设置2组或者3组开关霍尔传感器就能满足要求，所以，最终实际电路的实现更为简单，均可采用简单集成电路就能实现高精度、高可靠的反作用飞轮速度测量，最终实现高精度、高平稳的反作用飞轮控制。
[0047]
如图1，一种基于多组开关霍尔传感器的反作用飞轮测速系统，包括n组开关霍尔传感器(每组开关霍尔传感器中包括3个开关霍尔传感器)、n个滤波整形电路1、n个异或门电路2、n个可控开关3、一个多输入异或门电路2、一个f-v转换器5、一个电压比较器6、n-2个窗口电压比较器7、一个电压比较器与反相器8和n个多输入或门电路9。
[0048]
每组开关霍尔传感器中的每个开关霍尔传感器输出端分别与一个滤波整形电路1的输入端相连，其中，h
1-1
，h
1-2
，h
1-3
，分别为第一组3个开关霍尔传感器的原始信号，在反作用飞轮转动时，为带有杂波的方波信号，h
2-1
，h
2-2
，h
2-3
，分别为第二组3个开关霍尔传感器的原始信号，在反作用飞轮转动时，也为带有杂波的方波信号，同理，h
n-1
，h
n-2
，h
n-3
，分别为第n组3个开关霍尔传感器原始信号，在反作用飞轮转动时，为带有杂波的方波信号。分别对开关霍尔传感器输出的原始信号进行滤波整形处理，得到的h
*1-1
，h
*1-2
，h
*1-3
，分别为第一组3个开关霍尔传感器信号经滤波、整形后的信号，为杂波较小的方波信号，h
*2-1
，h
*2-2
，h
*2-3
，分别为第二组3个开关霍尔传感器信号经滤波、整形后信号，为杂波较小的方波信号，h
*n-1，h*n-2，h*n-3，
分别为第n组3个开关霍尔传感器信号经滤波、整形后信号，也为杂波较小的方波信号。各滤波整形电路1的输出端分别与异或门电路2的各输入端相连，每个异或门电路2的输出端分别与一个可控开关3的输入端相连，每个异或门电路2的输出端分别输出一个第一方波序列，与各组开关霍尔传感器相对应，分别为h1、h2、
……hn
，h1为第一组三个开关霍尔传感器信号h
*1-1，h*1-2，h*1-3
，经过异或后，形成的方波序列，方波个数是h
*1-1
，h
*1-2
，h
*1-3
方波个数之和，h2为第二组三个开关霍尔传感器信号h
*2-1，h*2-2，h*2-3
，经过异或后，形成的方波序列，方波个数是h
*2-1
，h
*2-2
，h
*2-3
方波个数之和，hn为第n组三个开关霍尔传感器信号h
*n-1
，h
*n-2
，h
*n-3
，经过异或后，形成的方波序列，方波个数是h
*n-1
，h
*n-2
，h
*n-3
方波个数之和。各可控开关3的输出端均与多输入异或门电路4的输入端相连，各可控开关3输出与第一方波序列相同的第二方波序列或恒值低电平信号，其输出由可控开关3的开合决定，h
*1
为h1方波序列经过可控开关3后的输出信号，当对应可控开关3闭合时，h
*1
信号与h1信号一致，当对应可控开关3打开时，h
*1
为恒值低电平信号，h
*2
为h2方波序列经过可控开关3后的输出信号，当对应可控开关3闭合时，h
*2
信号与h2信号一致，当对应可控开关3打开时，h
*2
为恒值低电平信号，以此类推，h
*n
为hn方波序列经过对应可控开关3后的输出信号，当对应可控开关3闭合时，h
*n
信号与hn信号一致，当对应可控开关3打开时，h
*n
为恒值低电平信号。多输入异或门电路4的输出端与f-v转换器5的输入端相连，f-v转换器5的输出端分别连接电压比较器6、各窗口电压比较器7和电压比较器与反相器8，多输入异或门电路4输出的h
**fn
，为所有h
*1
，h
*2
，
…h*n
信号异或运算后形成的第三方波序列，其方波个数为h
*1
，h
*2
，
…h*n
方波个数之和，v
飞轮
为h
**fn
信号经过f/v转换器，将第三方波序列的方波个数(频率信号)转换为电压模拟量信号，电压模拟量的电平高低值与反作用飞轮的转速成正比。
[0049]
电压比较器6的给定电压为反作用飞轮m级运行速度中第1级的最小速度边界值v1，n-2个窗口电压比较器7的给定电压分别为反作用飞轮m级运行速度中的第2级、第3级、
……
、第m-1级对应电压信号，如第一个窗口电压比较器7的给定电压为v1》v≥v2，第n-2个窗口电压比较器7的给定电压为v
m-2
》v≥v
m-1
，电压比较器与反相器8的给定电压为反作用飞轮m级运行速度中第m级的最大速度边界值对应电压信号，而且，m级运行速度中第1级对应的速度最大，第m级对应的速度最小。n个多输入或门电路9包括第一多输入或门电路、第二多输入或门电路、
……
、第n多输入或门电路，电压比较器6的输出端与第一多输入或门电路的输入端相连，电压比较器与反相器8的输出端分别与n个多输入或门电路9的输入端相连，第j个窗口电压比较器7的输出端分别与第一多输入或门电路到第j+1多输入或门电路的输入端相连，j＝1，2，
……
，n-2，n个多输入或门电路9的输出端分别与n个可控开关3相连，用于控制可控开关3的开合，异或门电路2、可控开关3和多输入或门电路9一一对应，分别进行对应控制。x1为v
飞轮
经过电压比较器6后的输出电平信号，电平比较器的给定电平为v1对应电压信号，当v
飞轮
》v1时，x1输出高电平，当v
飞轮
≤v1时，x1输出低电平，另外，x1信号只送入第一多输入或门电路。x2为v
飞轮
经过第一个窗口电压比较器7后的输出电平信号，第一个窗口电压比较器7的给定电平为，高电压为v1对应电压信号，低电压为v2对应电压信号，当v1》v
飞轮
≥v2时，x2输出高电平，其他情况时x2输出低电平，另外，x2信号只送入第一多输入或门电路和第二多输入或门电路。x3为v
飞轮
经过第二个窗口电压比较器7后的输出电平信号，第二个窗口电压比较器7的给定电平为，高电压为v2对应电压信号，低电压为v3对应电压信号，当v2》v
飞轮
≥v3时，x3输出高电平，其他情况时，x3输出低电平，另外，x3信号只送入第一多输入或门电路、第二多输入或门电路和第三多输入或门电路。同理，x
n-1
为v
飞轮
经过第n-2个窗口电压比较器7后的输出电平信号，第n-2个窗口电压比较器7的给定电平为，高电压为v
m-2
对应电压信号，低电压为v
m-1
对应电压信号，当v
m-2
》v≥v
m-1
时，x
n-1
输出高电平，其他情况时，x
n-1
输出低电平，另外x
n-1
信号送入除第n多输入或门电路外的所有多输入或门电路9。xn为v
飞轮
经过电压比较器与反相器8后的输出电平信号，电压比较器与反相器8的给定电平为v
m-1
对应电压信号，当v《v
m-1
时，再经过电压比较器与反相器8后输出高电平，另外，xn信号送入所有多输入或门电路9中。
[0050]
多输入或门电路9输出信号用于控制各可控开关3的开合，s1为x1,x2,x3,
…
xn共n个信号第一多输入或门电路后输出的，用于控制第一个可控开关3(与第一组开关霍尔传感器对应)的开关控制信号，当x1,x2,x3,
…
xn中有1个信号为有效信号(高电平)，则输出s1信号为：使得对应可控开关3处于闭合状态的有效控制信号；当x1,x2,x3,
…
xn中所有信号均为无效信号(低电平)，则输出s1信号为：使得可控开关3处于打开状态的控制信号。s2为x2,x3,
…
xn共n-1个信号经第二多输入或门电路后输出的用于第二个可控开关3(与第二组开关霍尔传感器对应)的开关控制信号，当x2,x3,
…
xn中只要有1个信号为有效信号(高电平)，则输出
s2信号为：使得可控开关3处于闭合状态的有效控制信号；当x2,x3,
…
xn中所有信号均为无效信号(低电平)，则输出s2信号为：使得该可控开关3处于打开状态的控制信号。以此类推，sn为xn共1个信号经第n多输入或门电路后输出的用于可控开关3的开关控制信号，当xn信号为有效信号(高电平)，则输出sn信号为：使得可控开关3处于闭合状态的有效控制信号；当xn信号为无效信号(低电平)，则输出sn信号为使得可控开关3处于打开状态的控制信号。
[0051]
本发明的方法和系统已经某航天项目试验验证了其可行性与有效性，被证明简便、高效、精度高，且实用性强。
[0052]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。