黃孝平

(南寧學(xué)院，南寧 530200)

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一種霍爾式旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度測(cè)量系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

黃孝平

(南寧學(xué)院，南寧 530200)

旋轉(zhuǎn)機(jī)械的角加速度是反映其運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，因此設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的新型角加速度測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)包括霍爾式傳感器和數(shù)字信號(hào)處理器，通過安裝在旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸上的磁鋼和霍爾傳感器獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行濾波和整形處理，再對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行數(shù)字微分，最終得到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的角加速度值。構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)角加速度測(cè)量系統(tǒng)的框架，對(duì)部分模塊和系統(tǒng)進(jìn)了仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。最后對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了角加速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該角加速度測(cè)量系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

角加速度；FPGA；霍爾傳感器；步進(jìn)電機(jī)

0 引 言

角加速度是旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備的一項(xiàng)重要參數(shù)，通過對(duì)該參數(shù)的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)控制和故障識(shí)別,且旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的外界各種動(dòng)態(tài)干擾，會(huì)以角加速度的形式表現(xiàn)出來(lái)[1]。因此，角加速度測(cè)量廣泛應(yīng)用于汽車、航空、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，一些學(xué)者和專家對(duì)角加速度的測(cè)量進(jìn)行了一系列的研究，包括一種基于電磁感應(yīng)原理的永磁式角加速度傳感器[2]和一種電磁式角加速度傳感器[3]，這兩種角加速度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于能夠測(cè)量瞬時(shí)角加速度值；一種結(jié)構(gòu)輕巧的力平衡扭擺式硅MEMS角加速度傳感器[4]；一種微流體慣性質(zhì)量角加速度計(jì)[5]；一種基于LabVIEW的轉(zhuǎn)軸角加速度測(cè)試儀[6]；一種光柵角加速度測(cè)量裝置[7]和一種新的基于卡爾曼濾波及牛頓預(yù)測(cè)的角加速度估計(jì)方法[8]。

本文設(shè)計(jì)了一種高精度數(shù)字式角加速度測(cè)量系統(tǒng)，采用霍爾傳感器和安裝子旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸上的磁鋼齒獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)，轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過濾波和整形以后，利用FPGA對(duì)其進(jìn)行數(shù)字微分，最終得到旋轉(zhuǎn)設(shè)備的角加速度值。推導(dǎo)了角加速度的理論公式，采用軟件對(duì)角加速度測(cè)量原理進(jìn)了了仿真，并對(duì)測(cè)量誤差的來(lái)源進(jìn)行了分析。最后對(duì)實(shí)際的旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行了角加速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該角加速度測(cè)量裝置具有較強(qiáng)的實(shí)用性，且在理論上可以達(dá)到較高的測(cè)量精度。

1 角加速度測(cè)量原理

1.1 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)的裝置，如圖1所示，包括支架、磁鋼片和霍爾傳感器。支架與被測(cè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的轉(zhuǎn)軸相連，支架的外側(cè)均勻分布磁鋼片若干個(gè)，磁鋼片的磁極厚度相同，且在支架的圓周外側(cè)呈N,S極交替排列。

圖1 霍爾轉(zhuǎn)速測(cè)量示意圖

當(dāng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，帶動(dòng)磁鋼片同時(shí)旋轉(zhuǎn)，霍爾傳感器通入恒定電流，根據(jù)霍爾效應(yīng)，理想狀態(tài)下，霍爾傳感器的輸出端產(chǎn)生如圖所示的方波電信號(hào)。

1.2 濾波整形

由于霍爾傳感器是磁敏類傳感器，容易受到外界磁場(chǎng)的干擾，比如電動(dòng)機(jī)中的定子磁場(chǎng)，進(jìn)而形成高頻噪聲信號(hào)，對(duì)實(shí)際的轉(zhuǎn)速信號(hào)造成干擾，可以采用濾波電容進(jìn)行去噪處理。

整形電路的目的是為了將霍爾傳感器的輸出模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字邏輯信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的數(shù)字微分處理。本文采用電壓比較器LM339實(shí)現(xiàn)所要求的功能，該芯片工作時(shí)，一個(gè)比較輸入端接地作為基準(zhǔn)電壓，另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓，當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓差別大于10 mV時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯信號(hào)的可靠翻轉(zhuǎn)。

1.3 數(shù)字微分

角加速度信號(hào)是角速度信號(hào)的一次微分，可以通過檢測(cè)兩個(gè)相鄰時(shí)間段的角速度值和時(shí)間間隔，進(jìn)行微分處理后即可獲取角加速度值。

設(shè)磁鋼片的個(gè)數(shù)為x，由于磁極厚度均勻，則每個(gè)磁極在空間上的角度為2π/x弧度。采用高頻脈沖對(duì)霍爾傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行與邏輯，高頻脈沖的頻率為f，相鄰兩個(gè)磁極對(duì)應(yīng)的角度內(nèi)脈沖個(gè)數(shù)分別為y和z，如圖2所示。

圖2 數(shù)字微分原理

(1)

由于數(shù)字處理器產(chǎn)生的高頻插值脈沖頻率f，以及支架一的磁極數(shù)x為已知量，因此，根據(jù)式(1)只要通過一定的測(cè)量方法，獲取到相鄰兩個(gè)磁極對(duì)應(yīng)的角度內(nèi)的脈沖數(shù)y和z，就能得到角加速度值β。

2 測(cè)量系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)角加速度的測(cè)量原理可知，為得到相鄰兩個(gè)磁極對(duì)應(yīng)的角度內(nèi)的高頻脈沖數(shù)y和z，系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中H為霍爾傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過非邏輯門后產(chǎn)生信號(hào)K；HP為高頻脈沖信號(hào)，由有源晶振通過FPGA內(nèi)部的倍頻器倍頻后產(chǎn)生；開關(guān)控制器的作用是為了設(shè)置對(duì)高頻脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的開始節(jié)點(diǎn)和結(jié)束節(jié)點(diǎn)，其產(chǎn)生的信號(hào)Start為開始計(jì)數(shù)信號(hào)，End為計(jì)數(shù)結(jié)束信號(hào)；開關(guān)控制器1的Start,End和信號(hào)H，HP進(jìn)行與邏輯，得到信號(hào)S2，再通過計(jì)數(shù)器1進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為y；開關(guān)控制器2的Start,End和信號(hào)K，HP進(jìn)行與邏輯，得到信號(hào)S2，再通過計(jì)數(shù)器2進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果為z；計(jì)數(shù)器1,2的結(jié)果傳送至數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器按照式(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終得到所要測(cè)量的角加速度值。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 倍頻器

由系統(tǒng)的測(cè)量原理可知，高頻脈沖的頻率 越高，系統(tǒng)的測(cè)量精度越高。倍頻器實(shí)質(zhì)上就是能夠完成輸入信號(hào)頻率倍增作用的電子設(shè)備，經(jīng)過倍頻處理后，調(diào)頻信號(hào)的頻率可以成倍提高。FPGA內(nèi)部的倍頻器可以通過設(shè)置PLL來(lái)產(chǎn)生，如圖4所示，inclk0為輸入信號(hào)，ration為倍頻系數(shù)，c0為輸出信號(hào)，設(shè)置ration為8/1，則仿真結(jié)果如圖所示，clock為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)ll的頻率為clock的8倍，即實(shí)現(xiàn)了8倍頻的功能。

圖4 倍頻器及其仿真結(jié)果

2.3 開關(guān)控制器

開關(guān)控制器的功能是為了保證計(jì)數(shù)值y和z的正確性。系統(tǒng)開始工作時(shí)，開關(guān)控制器首先初始化，輸出信號(hào)Start為邏輯低電平，End為邏輯高電平，此時(shí)圖3中的與邏輯門1和與邏輯門2都是關(guān)閉的狀態(tài)，計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)結(jié)果都為零；當(dāng)輸入信號(hào)H第一個(gè)上升沿到來(lái)的時(shí)候，開關(guān)控制器1的輸出信號(hào)Start翻轉(zhuǎn)為邏輯高電平，計(jì)數(shù)器1開始計(jì)數(shù)，當(dāng)輸入信號(hào)K第一個(gè)上升沿到來(lái)的時(shí)候，開關(guān)控制器2的輸出信號(hào)Start翻轉(zhuǎn)為邏輯高電平，計(jì)數(shù)器2開始計(jì)數(shù)；為了確保計(jì)數(shù)結(jié)果的正確性，當(dāng)輸入信號(hào)H第二個(gè)上升沿到來(lái)的時(shí)候，開關(guān)控制器1的輸出信號(hào)End翻轉(zhuǎn)為邏輯低電平，計(jì)數(shù)器1結(jié)束計(jì)數(shù)，當(dāng)輸入信號(hào)K第而個(gè)上升沿到來(lái)的時(shí)候，開關(guān)控制器2的輸出信號(hào)End翻轉(zhuǎn)為邏輯低電平，計(jì)數(shù)器2結(jié)束計(jì)數(shù)。

設(shè)計(jì)的開關(guān)控制器由VHDL語(yǔ)言編寫生成，根據(jù)該程序系統(tǒng)可以封裝生成開關(guān)控制器模塊，仿真結(jié)果如圖5所示，其中reset為開關(guān)控制器初始化信號(hào)，高電平有效，低電平時(shí)開關(guān)控制器開始工作；data為輸入信號(hào)，當(dāng)data第一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，start由低電平翻轉(zhuǎn)成高電平；當(dāng)data第二個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，end由高電平翻轉(zhuǎn)成低電平，因此，通過仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的開關(guān)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)所要求的功能。

圖5 開關(guān)控制器仿真結(jié)果

2.4 系統(tǒng)總體仿真

對(duì)如圖3所示的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建系統(tǒng)電路，編譯通過后進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6所示，圖6中的信號(hào)與圖3中的信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，由仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)要求的各項(xiàng)功能。

圖6 測(cè)量系統(tǒng)總體仿真結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的角加速度測(cè)量系統(tǒng)的可行性，搭建了實(shí)際的旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中數(shù)字處理器采用Altera公司生產(chǎn)的FPGA，選用的芯片型號(hào)為EP2C8Q208；外部晶振頻率為50 MHz，倍頻后高頻脈沖為400 MHz。

實(shí)驗(yàn)一：轉(zhuǎn)速信號(hào)由高精度信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行模擬，產(chǎn)生的方波信號(hào)約為500 Hz，占空比為50%，即此時(shí)模擬的旋轉(zhuǎn)設(shè)備角加速度理論值為0，將該信號(hào)輸入到角加速度測(cè)量系統(tǒng)中，假設(shè)磁極數(shù)x為40，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)一數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)一的結(jié)果可知，計(jì)數(shù)結(jié)果y和z存在一定的誤差，來(lái)源包括：信號(hào)源誤差，即信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)發(fā)生了微小的改變；FPGA內(nèi)部計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2產(chǎn)生的計(jì)數(shù)誤差，主要源于計(jì)數(shù)開始和計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)刻，由高頻脈沖和轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行與邏輯產(chǎn)生的1個(gè)脈沖誤差。

實(shí)驗(yàn)二：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為42BYG250-47，配套驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為ZD-8731，控制器型號(hào)為DY-IS；設(shè)計(jì)的磁極片數(shù)為50；霍爾傳感器型號(hào)為3144。設(shè)置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為連續(xù)運(yùn)行，頻率為600 Hz，實(shí)驗(yàn)得到的角加速度情況如圖7所示。

圖7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)角加速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)二結(jié)果可知，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在明顯的旋轉(zhuǎn)角加速度，產(chǎn)生的原因主要是由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子產(chǎn)生的電磁驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩為正弦規(guī)律，且定子磁場(chǎng)以跳躍方式旋轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生角加速度，同時(shí)表明本文設(shè)計(jì)的角加速度測(cè)量系統(tǒng)能夠正確的測(cè)量實(shí)際旋轉(zhuǎn)設(shè)備的角加速度值，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于FPGA的霍爾式旋轉(zhuǎn)機(jī)械角加速度測(cè)量系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的整體構(gòu)成和角加速度的數(shù)字微分測(cè)量原理，給出了角加速度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，并通過仿真驗(yàn)證了測(cè)量原理的正確性和設(shè)計(jì)的可行性。最后對(duì)實(shí)際旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行了角加速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠正確的測(cè)量實(shí)際旋轉(zhuǎn)設(shè)備的角加速度值，且該測(cè)量系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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Study and Application of a Hall Angular Acceleration Measurement System for Rotating Machinery

HUANG Xiao-ping

(Nanning University,Nanning 530200，China)

A new angular acceleration measurement system based on FPGA is presented in order to reflect machine′s state. Firstly, the speed signal is obtained through the hall sensor and the magnets that installed on the shaft of rotary system, then the speed signal is processed by filtering and shaping, and digital differential by FPGA, the angular acceleration of rotary system is received finally. The theoretical formula of angular acceleration is deduced, and the angular acceleration measurement principle is simulated by software. Last, the angular acceleration of actual rotating equipment is tested, and the result of experiments show that the angular acceleration measurement device of this paper with strong practicability.

angular acceleration; FPGA; Hall sensor; stepper motor

2016-04-05

廣西高?？蒲许?xiàng)目 (KY2015YB529)；廣西高等教育本科教學(xué)改革工程項(xiàng)目(2015JGB439)；廣西“十二五”教育規(guī)劃資助經(jīng)費(fèi)重點(diǎn)課題(2015A028)

TM306

A

1004-7018(2016)10-0047-03

黃孝平(1973-)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、嵌入式系統(tǒng)等。