一种基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置的制作方法

本发明涉及直流无刷电机(永磁同步电机)控制领域，具体地是涉及一种基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置。

背景技术：

直流无刷电机(永磁同步电机)转子位置传感器，一般采用开关型霍尔传感器，霍尔传感器很容易因为温度过高而损坏。而很多电机的霍尔传感器都安装于电机内部，电机的工作温度很高，很容易导致霍尔传感器的损坏，霍尔传感器损坏后，电机将不能正常工作，另外，当电机工作在大负载时，大负载必将导致电机内部的温度很高，这时，霍尔传感器的输出波形将严重失真。

目前，针对霍尔传感器上述问题的解决办法是：

1、霍尔修复：直流无刷电机(永磁同步电机)一般情况为三相电机，有三个霍尔元件，当其中一个霍尔元件损坏时，根据另外两个霍尔传感器的输出波形、电机转速及电机参数等数据，计算出已经损坏霍尔元件的输出波形，这种方法只能修复一个霍尔传元件损坏的情况；

2、编码器、旋转变压器取代霍尔传感器：这样能较好地解决上述霍尔传感器的问题，但编码器、旋转变压器价格较贵、控制技术复杂；目前较多应用的磁性编码器，主要的传感器件依然为霍尔元件，依然存在上述的霍尔传感器问题；

并且编码器、旋转变压器的主要采样信号为模拟信号，处理模拟信号需要更严格的抗干扰措施和技术手段，进一步增加制造成本和制造难度。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置，其可以为解决霍尔传感器损坏及霍尔传感器输出波形失真的问题提供硬件和软件上的支持。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置，包括：与第一组霍尔传感器连接的第一霍尔输入接口、与第二组霍尔传感器连接的第二霍尔输入接口、霍尔供电电源切换模块、中央控制模块、第一波形切换模块、第二波形切换模块和霍尔输出接口，其中所述第一霍尔输入接口分别与所述霍尔供电电源切换模块、所述中央控制模块和所述第一波形切换模块连接；所述第二霍尔输入接口分别与所述霍尔供电电源切换模块、所述中央控制模块和所述第二波形切换模块连接；所述霍尔供电电源切换模块与所述中央控制模块连接；所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块均与所述霍尔输出接口连接，在所述中央控制模块的控制下接通或者断开相应的波形信号到所述霍尔输出接口。

优选地，还包括硬件整形电路，所述硬件整形电路分别与所述第一霍尔输入接口、所述第二霍尔输入接口、所述中央控制模块、所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块电连接。

优选地，还包括一霍尔供电电源模块，其与所述霍尔供电电源切换模块连接。

优选地，所述中央控制模块具体包括：

采样单元，与所述第一霍尔输入接口、所述第二霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于采集第一组霍尔传感器和第二组霍尔传感器的霍尔信号波形和供电电压；

逻辑运算单元，分别与所述采样单元、失效切换控制单元、失效切换控制单元连接，用于通过采集的霍尔信号波形和供电电压判断霍尔传感器是否损坏、霍尔传感器输出波形是否失真以及供电电压是否正常，而后控制所述失效切换控制单元和失效切换控制单元工作；

失效切换控制单元，分别与所述第一波形切换模块、第二波形切换模块和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于在所述逻辑运算单元的控制下对损坏的霍尔传感器和失效的供电电压进行切换；

波形修复输出单元，与所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块连接，用于对失真的波形进行修复并通过所述第一波形切换模块和/或所述第二波形切换模块输出。

优选地，所述采样单元具体包括：

第一adc霍尔波形采样单元，与所述第一霍尔输入接口连接，用于采集第一组霍尔传感器的霍尔信号波形；

第二adc霍尔波形采样单元，与所述第二霍尔输入接口连接，用于采集第二组霍尔传感器的霍尔信号波形；

第一adc霍尔供电采样单元，与所述第一霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于采集第一组霍尔传感器的供电电压；

第二adc霍尔供电采样单元，与所述第二霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于采集第二组霍尔传感器的供电电压。

优选地，所述失效切换控制单元具体包括：

失效波形切换控制子单元，与所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块连接，用于当其中一组霍尔传感器损坏时，将另外一组霍尔传感器相对应的霍尔信号波形替代已经损坏的霍尔传感器中的霍尔信号波形输出；

失效电源切换控制子单元，与所述霍尔供电电源切换模块连接，用于在检测到其中一组霍尔传感器的供电电压失效时，切断该组霍尔传感器的供电，停止该组霍尔传感器的工作，将电机转子位置的检测工作切换给另外一组霍尔传感器完成。

优选地，所述波形修复输出单元具体包括：

第一波形修复输出子单元，与所述第一波形切换模块连接，用于对第一组霍尔传感器的失真波形进行修复；

第二波形修复输出子单元，与所述第二波形切换模块连接，用于对第二组霍尔传感器的失真波形进行修复。

优选地，所述中央控制模块为单片机。

采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

本发明所述的基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置，采用双组霍尔传感器，较好地解决了霍尔传感器损坏及霍尔传感器输出波形失真的问题。

附图说明

图1为一实施例中所述的基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置的结构示意图；

图2为另一实施例中所述的基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置；

图3为一优选的中央控制模块的电路图；

图4为另一优选的中央控制模块的电路图；

图5a为霍尔供电电源切换模块的部分电路图；

图5b为霍尔供电电源切换模块的部分电路图；

图6为第一波形切换模块和第二波形切换模块的电路图；

图7为硬件整形电路的电路图；

图8为霍尔供电电源模块的电路图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图8所示，为符合本发明的一种基于转子位置采集的双组霍尔传感的全自动切换装置，包括：与第一组霍尔传感器连接的第一霍尔输入接口、与第二组霍尔传感器连接的第二霍尔输入接口、霍尔供电电源切换模块、中央控制模块、第一波形切换模块、第二波形切换模块和霍尔输出接口，其中所述第一霍尔输入接口分别与所述霍尔供电电源切换模块、所述中央控制模块和所述第一波形切换模块连接；所述第二霍尔输入接口分别与所述霍尔供电电源切换模块、所述中央控制模块和所述第二波形切换模块连接；所述霍尔供电电源切换模块与所述中央控制模块连接；所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块均与所述霍尔输出接口连接，在所述中央控制模块的控制下接通或者断开相应的波形信号到所述霍尔输出接口。

优选地，还包括一霍尔供电电源模块，其与所述霍尔供电电源切换模块连接。

优选地，所述中央控制模块具体包括：

采样单元，与所述第一霍尔输入接口、所述第二霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于采集第一组霍尔传感器和第二组霍尔传感器的霍尔信号波形和供电电压；

逻辑运算单元，分别与所述采样单元、失效切换控制单元、失效切换控制单元连接，用于通过采集的霍尔信号波形和供电电压判断霍尔传感器是否损坏、霍尔传感器输出波形是否失真以及供电电压是否正常，而后控制所述失效切换控制单元和失效切换控制单元工作；

失效切换控制单元，分别与所述第一波形切换模块、第二波形切换模块和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于在所述逻辑运算单元的控制下对损坏的霍尔传感器和失效的供电电压进行切换；

波形修复输出单元，与所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块连接，用于对失真的波形进行修复并通过所述第一波形切换模块和/或所述第二波形切换模块输出。

优选地，所述采样单元具体包括：

第一adc霍尔波形采样单元，与所述第一霍尔输入接口连接，用于采集第一组霍尔传感器的霍尔信号波形；

第二adc霍尔波形采样单元，与所述第二霍尔输入接口连接，用于采集第二组霍尔传感器的霍尔信号波形；

第一adc霍尔供电采样单元，与所述第一霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于采集第一组霍尔传感器的供电电压；

第二adc霍尔供电采样单元，与所述第二霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，用于采集第二组霍尔传感器的供电电压。

优选地，所述失效切换控制单元具体包括：

失效波形切换控制子单元，与所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块连接，用于当其中一组霍尔传感器损坏时，将另外一组霍尔传感器相对应的霍尔信号波形替代已经损坏的霍尔传感器中的霍尔信号波形输出；

失效电源切换控制子单元，与所述霍尔供电电源切换模块连接，用于在检测到其中一组霍尔传感器的供电电压失效时，切断该组霍尔传感器的供电，停止该组霍尔传感器的工作，将电机转子位置的检测工作切换给另外一组霍尔传感器完成。

优选地，所述波形修复输出单元具体包括：

第一波形修复输出子单元，与所述第一波形切换模块连接，用于对第一组霍尔传感器的失真波形进行修复；

第二波形修复输出子单元，与所述第二波形切换模块连接，用于对第二组霍尔传感器的失真波形进行修复。

优选地，所述中央控制模块为单片机。

在另一优选实施例中，如图2所示，还包括硬件整形电路(包括第一硬件整形电路和第二硬件整形电路)，所述硬件整形电路分别与所述第一霍尔输入接口、所述第二霍尔输入接口、所述中央控制模块、所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块电连接。当霍尔传感器输出波形失真不严重，在能接受范围时，直接将霍尔传感器输出波形整形后，通过波形切换电路，输出到霍尔输出接口，为了降低成本，在要求不高的应用场景中，可以省掉硬件整形电路，直接将霍尔传感器输出波形连接到mcu的io口和波形切换电路。

本发明主要针对现有技术中直流无刷电机(永磁同步电机)转子位置传感器的问题，采用双组霍尔传感器，较好地解决了霍尔传感器损坏及霍尔传感器输出波形失真的问题。

下面以三相电机为例说明：三相电机有三个开关霍尔传感元件，分别对应电机的三个相，安装在电机定子上，来检测电机转子同定子之间的相对位置。

采用两组霍尔传感器，每组霍尔传感器都根据电机的要求安装，当其中一组中的一个霍尔元件损坏时，mcu检测到正常的三相霍尔信号波形缺失一相而只有两相时，mcu控制波形切换电路，将另外一组霍尔传感器中的相对应的霍尔元件波形，切换到霍尔输出接口，替代已经损坏的霍尔元件输出波形。大幅度减少因霍尔元件损坏，导致的电机故障。

当其中一组霍尔传感器的霍尔元件损坏，导致霍尔传感器供电短路时，mcu将通过adc采样电路，检测到该组霍尔传感器的供电电压低于设定的阀值，这时我们将切断该组霍尔传感器的供电，停止该组霍尔传感器的工作，电机转子位置的检测工作，将由另外一组霍尔传感器完成。

硬件整形电路：硬件整形电路，一方面为mcu提供霍尔传感器输出波形的时序，另一方面，当霍尔传感器输出波形失真不严重，在能接受范围时，直接将霍尔传感器输出波形整形后，通过波形切换模块，输出到霍尔输出接口，为了降低成本，在要求不高的应用场景中，可以省掉硬件整形电路，直接将霍尔传感器输出波形连接到mcu的io口和波形切换电路。

霍尔信号波形修复：

1、单个霍尔损坏时的霍尔信号波形修复：

当双组霍尔传感器中的某一相对应的霍尔元件都损坏时，只要另外两相的霍尔元件不是都损坏，我们还能得到另外两相需要的霍尔信号波形，我们采用霍尔信号波形修复的办法对霍尔信号波形进行修复，修复的方法采用同现有技术中单霍尔损坏的办法基本相同：mcu从硬件整形电路得到(省掉硬件整形电路时，直接从霍尔元件输出波形得到)完整的另外两相的霍尔时序，根据另外两个霍尔传感器的输出波形、电机转速及电机参数等数据，计算出已经损坏霍尔元件的输出波形，在mcu的控制下，通过波形切换电路，将霍尔元件已经完全损坏的一相的霍尔信号波形，输出到霍尔输出接口。

2、严重失真霍尔信号波形的修复：

当霍尔传感器的波形严重失真，不能满足电机控制的要求时，我们采用以下方法，对霍尔传感器输出的波形进行修复，通过波形切换电路，输出到霍尔输出接口：

mcu根据通过adc采样，得到一组失真的霍尔信号波形数据，通过同设定阀值进行比较，当不满足设定阀值(大于或小于)要求的采样值，在一个百分数范围(比如30％)内时，mcu判定这个adc采样值对应霍尔信号波形的高电平或者低电平，从而修复失真的霍尔信号波形，在下一个霍尔周期，输出同霍尔传感器输出波形同步的霍尔信号波形，通过波形切换电路，将修复的霍尔信号波形输出到霍尔输出接口。

下面结合具体的电路图来对本发明进行说明。

在该实施例中，参见图3和图4，所述所述中央控制模块为单片机(其与其他模块的连接方式详见附图，此处不赘述)，本发明中的单片机型号优选为st32位单片机(armm3核心，主频48mhz)或者台湾凌阳8位单片机(0851核心，主频64mhz)，但是并不排除其他可以实现相应功能的单片机，另外本实施例也并不排除可以采用其他的分立电子元件来实现相应的功能，其他型号的单片机或者采用分立的电子元件设计的电路结构均在本发明的保护范围之内。

本发明中的单片机其将采样单元、逻辑运算单元、失效切换控制单元、波形修复输出单元等的功能均集成到一起，由单片机来完成相应的任务。参见图3，以st32位单片机为例(对于台湾凌阳8位单片机参见附图4文字说明，逐一对照即可)，其中：

第一adc霍尔波形采样单元，与所述第一霍尔输入接口连接，其在单片机上对应的功能引脚为17/18/19脚(单片机的adc采样管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意adc采样管脚，连接不同的adc采样管脚，由不同的软件定义。

第二adc霍尔波形采样单元，与所述第二霍尔输入接口连接，其在单片机上对应的功能引脚为13/14/15脚。(单片机的adc采样管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意adc采样管脚，连接不同的adc采样管脚，由不同的软件定义。

第一adc霍尔供电采样单元，与所述第一霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，其在单片机上对应的功能引脚为16脚。(单片机的io管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意io管脚，连接不同的io采样管脚，由不同的软件定义。

第二adc霍尔供电采样单元，与所述第二霍尔输入接口和所述霍尔供电电源切换模块连接，其在单片机上对应的功能引脚为12脚。(单片机的io管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意io管脚，连接不同的io采样管脚，由不同的软件定义。

失效波形切换控制子单元，与所述第一波形切换模块和所述第二波形切换模块连接，其在单片机上对应的功能引脚为2/45/46/27-29脚。(单片机的io管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意io管脚，连接不同的io采样管脚，由不同的软件定义。

失效电源切换控制子单元，与所述霍尔供电电源切换模块连接，其在单片机上对应的功能引脚为25/26脚。(单片机的io管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意io管脚，连接不同的io采样管脚，由不同的软件定义。

第一波形修复输出子单元，与所述第一波形切换模块连接，其在单片机上对应的功能引脚为41-43脚；(单片机的io管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意io管脚，连接不同的io采样管脚，由不同的软件定义。

第二波形修复输出子单元，与所述第二波形切换模块连接，其在单片机上对应的功能引脚为38-40脚。(单片机的io管脚)，这些管脚不是固定不变的，可以了解到单片机的任意io管脚，连接不同的io采样管脚，由不同的软件定义。

参见图5a和图5b，为霍尔供电电源切换模块，采用常规的三极管开关电路，根据mcu运算得出的控制信号“12_enx”，控制相应的三极管开通或关断，为霍尔传感器提供电源；给霍尔传感器供电的直流电压“+12v_outx”经电阻分压后，得到采样电压“12v_tstx”，“12v_tstx”连接到mcu的adc采样端口，mcu根据采样到的adc值，判断霍尔传感器是否有电源故障，如果“12v_tstx”低于设定阀值，mcu将判断为霍尔传感器电源故障，mcu通过“12_enx”，控制停止给相应的霍尔传感器供电，保护装置的系统电源不被电源故障的霍尔传感器影响。

参见图6，霍尔信号的波形切换电路的作用为：根据mcu运算的指令，接通或断开相应的霍尔元件波形信号到霍尔输出接口。硬件切换的意义在于：快速切换、传输需要的霍尔信号波形避免选中的霍尔信号波形传输延迟。本实施例中的波形切换电路，选用通用74系列硬件逻辑芯片74hc126，器件的供应资源丰富，性价比高。当然其他型号的逻辑芯片也在本申请的保护范围之内，请知悉。

参见图7，其为硬件整形电路，其中p1为第一霍尔输入接口，p2为第二霍尔输入接口。其作用为：通过比较器电路，将霍尔信号波形信号受干扰而产生的毛刺电压信号去除，从而修复霍尔信号的失真。硬件整形的意义在于：快速真实地反应实际的霍尔信号波形，避免软件整形的延迟。硬件整形电路，由阻容网络对霍尔输入信号进行缓冲后，送到比较器进行霍尔信号波形的整形。比较器的翻转阀值电压为1/2电源电压6v，当霍尔信号的电压大于6v时，比较器输出高电平5v，当霍尔信号波形电压小于6v时，比较器输出低电平0v，当霍尔信号波形收到干扰，导致较多出现高电平电压低于6v，或低电平电压。霍尔信号是否严重失真，由软件判断，当霍尔信号出现严重失真时，主控mcu将控制霍尔信号的波形选择电路，关闭硬件直接输出的霍尔信号波形，主控mcu将控制霍尔信号的波形选择电路，把软件修复的霍尔信号波形连接到霍尔输出接口。

参见图8，其为霍尔供电电源模块，即dcdc转换电路，将给电机供电的高压电源电压vm，转换为给霍尔传感器供电的dc12v、给mcu及周边电子电路供电的dc5v和dc3.3v。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。