一种电机霍尔位置信号检测电路的制作方法

本实用新型属于无刷直流电机技术领域，具体涉及一种电机霍尔位置信号检测电路。

背景技术：

无刷直流电机可以看做是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电机，无刷直流电机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。

普遍的，无刷直流电机采用三个霍尔(HALL)元件作为转子位置传感器，用以检测转子的位置，在电机定子上相差120度对称安装，可以将转子位置在电周期0～360度范围内划分为6个扇区，每60度一个扇区。

电机转子转动过程中，转子上的磁体形成的磁场依次经过三个HALL元件，由于HALL效应的作用，产生三路相位互差120度的方波霍尔信号，该方波信号反应了电机转子的位置信息。

无刷直流电机采用正弦波驱动方式时，需要有转子精确的位置信号和速度信号。位置信号用以实现磁场定向控制，速度信号则作为速度闭环控制的反馈信号，并在扇区内估测转子位置。

普遍的，在现代直流无刷电机控制系统中，电机三路HALL信号经过调理电路后送入微处理器(MCU或DSP)的捕获(CAP)引脚，检测每一路HALL信号两个跳变沿之间的时间，可计算出电机的转速。同时，由三路HALL信号的状态，可以判断转子所处的位置。这种HALL信号检测方式要求微处理器具有三个捕获单元，对微处理器的外设资源要求较高。

在控制精度和动态响应要求不高的场合，采用一路HALL信号进入捕获引脚，用以检测电机的转速。但其速度计算的实时性不及检测三路信号的方案。

检测三路HALL信号的方案要求微处理器具有三路捕获单元和三个捕获引脚，有的微处理器不具备这些资源，而选择具备这些资源的微处理器成本较高。

技术实现要素：

为了解决现有无刷电机检测依赖三路HALL信号检测对微处理器要求高的技术问题，本实用新型提供了一种电机霍尔位置信号检测电路，可用以实现准确的位置判断和速度计算，只需微处理器具有一个捕获单元、一个捕获引脚和三个普通的数字I/O引脚，即可完成上述目的。

本实用新型的基本原理是：

本实用新型的基本方案是三路HALL方波信号经过信号合成电路，形成一路三倍频信号。该三倍频信号连接一个捕获引脚，由捕获单元计算转子速度。同时，三路HALL信号进入三个普通的数字I/O引脚，用以判断转子位置和转子的旋转方向。

合成的三倍频信号，进入微处理器捕获引脚。该信号上升沿或下降沿都将触发捕获单元发生捕获事件，根据捕获到的定时数据可以计算出相邻两个跳变沿之间的时间，进而求出转子在这段时间内的平均速度。在一个电周期内，发生六次捕获事件，可以算出六个速度值，如图1所示。捕获事件发生时刻，读取三路数字I/O信号，以此判断转子所处的扇区位置，如图1中所示，U，V，W三相HALL信号的值表示扇区，六个扇区用UVW表示分别为101， 100，110，010，011，001，相邻扇区的位置信号仅1位HALL信号发生变化。合成信号的跳变沿意味着转子所处的扇区发生切换。根据扇区切换的顺序，可以判断转子的旋转方向。

基于上述的考虑，本实用新型的技术方案是：

一种电机霍尔位置信号检测电路，其特殊之处在于：包括用于对输入的电机霍尔信号进行滤波的滤波电路，用于将输入的三路电机霍尔信号合成为一路三倍频信号，以进一步对电机转速进行计算的信号合成电路，以及用于判断转子位置和转子的旋转方向的信号分压电路；电机霍尔信号经过滤波电路滤波后，接入信号合成电路，经信号合成电路合成以后输出为一路同一时刻仅有一个信号的跳变沿变化三倍频信号；将经滤波电路滤波后的信号接入信号分压电路或者将经滤波电路滤波后的信号经异或门处理后接入信号分压电路；输入的电机霍尔信号是U相霍尔信号，V相霍尔信号和W相霍尔信号。

进一步地，所述信号合成电路包括异或门U1B、异或门U1C、异或门U1D、异或门U2B、异或门U2C和异或门U2D；所述异或门U1B一个引入端4接U相霍尔信号，另一个引入端5接地，输出端6接异或门U2B的一个引入端4；所述异或门U1C一个引入端9接V相霍尔信号，另一个引入端10接地，输出端 8接异或门U2B的另一个引入端5；所述异或门U1D一个引入端12接W相霍尔信号，另一个引入端13接地，输出端11接异或门U2C的一个引入端10；所述异或门U2B输出端6接异或门U2D的一个引入端12；所述异或门U2C另一份引入端9接地，输出端8接异或门U2D的另一个引入端13；所述异或门 U2D输出端11接微处理器，经过信号合成电路后，三相HALL信号被合成为一路三倍频信号，微处理器通过对该信号的处理计算即可得出电机的转速。

进一步地，所述信号滤波电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容C3；所述电阻R1的一端接U相霍尔信号，另一端接电容C3同时接异或门U1B引入端4；所述电阻R2的一端接V相霍尔信号，另一端接电容C2同时接异或门U1C引入端9；所述电阻R3的一端接W相霍尔信号，另一端接电容C1同时接异或门U1D引入端12；所述电容C1、电容C2、电容C3的另一端均接地。

进一步地，所述信号分压电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；所述电阻R4一端连接经滤波电路滤波后的U相霍尔信号，另一端连接电阻R7的一端并且连接微处理器用于将U相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R5一端连接经滤波电路滤波后的V相霍尔信号，另一端连接电阻R8的一端并且连接微处理器用于将V相霍尔信号送入微处理器；所述电阻 R6一端连接经滤波电路滤波后的W相霍尔信号，另一端连接电阻R9的一端并且连接微处理器用于将W相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R7、电阻R8、电阻R9的另一端均接地；微处理器会根据接收到的U相、V相、W相霍尔信号对转子的位置和旋转方向进行判断。

进一步地，所述信号分压电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；所述信号分压电路所取的霍尔信号经过U1B、U1C、U1D处理；所述电阻R4一端连接异或门U1B的输出端6，另一端连接电阻R7的一端并且连接微处理器用于将U相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R5一端连接异或门U1C的输出端8，另一端连接电阻R8的一端并且连接微处理器用于将 V相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R6一端连接异或门U1D的输出端11，另一端连接电阻R9的一端并且连接微处理器用于将W相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R7、电阻R8、电阻R9的另一端均接地；该电路输出具有且低阻抗的特性，输出的信号抗干扰能力更强；微处理器会根据接收到的U相、V 相、W相霍尔信号对转子的位置和旋转方向进行判断。

进一步地，所述信号合成电路中的异或门选取SN74HC86D异或门。

进一步地，所述信号合成电路还可以是，包括运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C、运算放大器U1D、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15和比较器U2；所述运算放大器U1A的同相输入端接U相霍尔信号，运算放大器U1B的同相输入端接V相霍尔信号，运算放大器U1C的同相输入端接W相霍尔信号，运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C的输出端均与自身反相输入端连接组成电压跟随器；所述运算放大器U1A的输出端接电阻R10后接入运算放大器U1D的同相输入端，运算放大器U1B的输出端接电阻R11后接入运算放大器U1D的同相输入端，运算放大器U1C的输出端接电阻R12后接入运算放大器U1D的同相输入端；所述运算放大器U1D的输出端接电阻R14后与自身反相输入端连接，运算放大器U1D的反相输入端同时接电阻R13后接地；所述运算放大器U1D的输出端接入比较器U2的反相输入端，比较器U2的输出端接电阻R15后连接到电源 VCC，比较器U2的同相输入端接入5V电压；所述比较器U2的输出端接微处理器，经过信号合成电路后，三相HALL信号被合成为一路三倍频信号，微处理器通过对该信号的处理计算即可得出电机的转速。

进一步地，所述信号滤波电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容C3；所述电阻R1的一端接U相霍尔信号，另一端接电容C3同时接运算放大器U1A的同相输入端；所述电阻R2的一端接V相霍尔信号，另一端接电容C2同时接运算放大器U1B的同相输入端；所述电阻R3的一端接W 相霍尔信号，另一端接电容C3同时接运算放大器U1C的同相输入端；所述电容C1、电容C2、电容C3的另一端均接地。

进一步地，所述信号分压电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；所述电阻R4一端连接经滤波电路滤波后的U相霍尔信号，另一端连接电阻R7的一端并且连接微处理器用于将U相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R5一端连接经滤波电路滤波后的V相霍尔信号，另一端连接电阻R8的一端并且连接微处理器用于将V相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R6一端连接经滤波电路滤波后的W相霍尔信号，另一端连接电阻R9的一端并且连接微处理器用于将W相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R7、电阻R8、电阻R9的另一端均接地；微处理器会根据接收到的U相、V相、W相霍尔信号对转子的位置和旋转方向进行判断。

进一步地，所述信号分压电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9；所述信号分压电路所取的霍尔信号经过运算放大器U1A、运算放大器U1B、运算放大器U1C处理；所述电阻R4一端连接运算放大器U1A 的输出端，另一端连接电阻R7的一端并且连接微处理器用于将U相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R5一端连接运算放大器U1B的输出端，另一端连接电阻R8的一端并且连接微处理器用于将V相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R6一端连接运算放大器U1C的输出端，另一端连接电阻R9的一端并且连接微处理器用于将W相霍尔信号送入微处理器；所述电阻R7、电阻R8、电阻 R9的另一端均接地；微处理器会根据接收到的U相、V相、W相霍尔信号对转子的位置和旋转方向进行判断。

通过电路图可以得到输出的三倍频信号HALL-UVW与输入的三相电机HALL 信号U，V，W的真值关系式，电机运行过程中，HALL信号U，V，W同一时刻仅有一个信号的跳变沿变化，从真值关系式可以得出，HALL-UVW电平变化一次。实现了信号合成的目的。

异或门属于逻辑门器件，器件边沿上升下降速度均较快，尤其适用于电机高速运转，HALL信号频率高的场合，而且电路结构简单，成本较低，可以大大提高电路可靠性。

与现有技术相比，本实用新型的优点：

1.本实用新型将检测电机三路HALL信号合成一路三相HALL信号以计算电机转速和转子位置，与现有技术的三路HALL信号检测方案相比，需要的微处理器的资源少；相比只使用一路HALL信号检测方案，分辨率高、动态响应好；

2.本实用新型使用异或门合成三相HALL信号的电路结构简单、成本低廉，适用于高速运转电机、HALL信号频率高的场合；而且电路结构简单，电路可靠性大大提高。

附图说明

图1是本实用新型三路HALL信号和合成信号以及计算转速关系图；

图2是本实用新型实例一的电路图；

图3是本实用新型实例二的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作详细说明。

实施例一：

如图2所示，本实施例的一种电机霍尔位置信号检测电路，包括滤波电路、信号合成电路以及信号分压电路。

信号滤波电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、电容C2和电容 C3；信号合成电路包括异或门U1B、异或门U1C、异或门U1D、异或门U2B、异或门U2C和异或门U2D；信号分压电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电阻R9。

电机霍尔输入信号是U相HALL信号，V相HALL信号，W相HALL信号。

电阻R1连接U相HALL信号，经过电阻R1，电容C3滤波后接入异或门 U1B的引入端4；电阻R2连接V相HALL信号，经过电阻R2，电容C2滤波后接入异或门U1C的引入端9；电阻R3连接W相HALL信号，经过电阻R3，电容C1滤波后接入异或门U1D的引入端12；电容C1、电容C2、电容C3均接地；异或门U1B的输出端6和异或门U1C的输出端8输入到异或门U2B的引入端4 和引入端5；异或门U1D的输出端11接入异或门U2C的引入端10，异或门U2C 输出端8和异或门U2B的输出端6接入异或门U2D的引入端13和引入端12。本实施例中，选取型号是SN74HC86D的异或门器件，该器件具有四个异或门单元，本实施例中需要使用两片SN74HC86D；U1B、U1C、U1D是同一片异或门器件，U2B，U2C，U2D是同一片异或门器件。器件U1的5，10，13引脚接地，器件U2的9引脚接地；器件U2的11引脚输出三倍频信号HALL-UVW，如图1 所示；该信号连接到微处理器的捕获引脚，输入到微处理器内部的捕获单元，用于计算电机的转速。

在本实施例中，信号分压电路信号取自经过U1B、U1C、U1D处理过的霍尔信号，在其他实施例中也可以直接取经过滤波信号处理后的霍尔信号，但U1B、U1C、U1D输出具有低阻抗的特性，可以实现电路的阻抗匹配，去除了前后级电路之间的阻抗耦合，所以本实施例优先选取这种模式；U1的输出脚6 的信号经过电阻R4和电阻R7分压后得到U相信号HALL-U；U1的输出脚8的信号经过电阻R5和电阻R8分压后得到V相信号HALL-V；U1的输出脚11的信号经过电阻R6和电阻R9分压后得到W相信号HALL-W；HALL-U，HALL-V， HALL-W三路HALL信号连接微处理器的三个普通的数字IO引脚，用于判断转子位置和转子的旋转方向。

通过电路图可以得到输出的三倍频信号HALL-UVW与输入的三相电机HALL 信号U，V，W的真值关系式，电机运行过程中，HALL信号U，V，W同一时刻仅有一个信号的跳变沿变化，从真值关系式可以得出，HALL-UVW电平变化一次；实现了信号合成的目的。

本实施例使用异或门合成三相HALL信号的电路，尤其适用于电机高速运转，HALL信号频率高的场合，而且电路结构简单，成本较低，可以大大提高电路可靠性。

实施例二：

如图3所示，本实施例的一种电机霍尔位置信号检测电路，包括滤波电路、信号分压电路和信号合成电路，其中滤波电路和信号分压电路与实施例一中相同；信号合成电路采用运算放大器和比较器实现三路信号合成一路三倍频信号的功能。

本实施例中的运算放大器采用四运放器件，包括U1A，U1B，U1C，U1D四个单独的运算放大器，U1A，U1B，U1C的输出端均与其自身的反相输入端连接组成电压跟随器，其同相输入端分别连接经过滤波后的U、V、W三相霍尔信号，即U1A的同相输入端接电阻R1，U1B的同相输入端接电阻R2，U1C的同相输入端接电阻3；输出端分别连接信号分压电路，即U1A的输出端接电阻 R4，U1B的输出端接电阻R5，U1C的输出端接电阻R6，同时输出端分别接电阻R10，R11，R12后连接到运算放大器U1D的同相输入端。U1D的输出端通过电阻R14连接到反相输入端，同时反相输入端通过电阻R13接地，U1D的输出端连接到比较器U2的反相输入端，比较器U2的输出端通过电阻R15连接到电源VCC，同时输出合成的三倍频信号HALL-UVW，比较器U2的同相输入端接入5V电压。

本实施例中的合成信号电路工作原理如下：

运算放大器U1A，U1B，U1C的输出端均与反相输入端连接组成电压跟随器，其同相输入端分别连接经过滤波后的U，V，W三相霍尔信号，输出端具有低阻抗的特性，实现了电路的阻抗匹配，输出端分别连接信号分压电路的输入端；U1A，U1B，U1C的输出端分别通过电阻R10，R11，R12连接到运算放大器U1D的同相输入端，U1D的输出端通过电阻R14连接到反相输入端，同时反相输入端通过电阻R13接地；运算放大器U1D接成同相加法器，具体的，设计电阻R10，R11，R12阻值相等，电阻R13，R14阻值相等，霍尔信号的高电平为5V，低电平为0V,可以计算出，当UVW的电平状态为100，010，001 三种状态时，运算放大器U1D输出的电压为3.33V，当UVW的电平状态为101， 110，011三种状态时，运算放大器U1D输出的电压为6.66V。U1D的输出端连接比较器U2的反相输入端，U2的同相输入端接5V电源，U2的输出端为开漏极输出，接上拉电阻R15；当运算放大器U1D输出的电压为3.33V时，U2的输出为高电平，当运算放大器U1D输出的电压为6.66V时，U2的输出为低电平，电机运行过程中，UVW六种电平状态按一定的次序出现，则通过该信号合成电路实现了信号合成的目的。