一種霍爾式旋轉機械角加速度測量系統的研究與應用

黃孝平

(南寧學院，南寧 530200)

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一種霍爾式旋轉機械角加速度測量系統的研究與應用

黃孝平

(南寧學院，南寧 530200)

旋轉機械的角加速度是反映其運行狀態的重要參數，因此設計了一種基于霍爾效應的新型角加速度測量系統。系統包括霍爾式傳感器和數字信號處理器，通過安裝在旋轉機械轉軸上的磁鋼和霍爾傳感器獲取轉速信號，對轉速信號進行濾波和整形處理，再對轉速信號進行數字微分，最終得到旋轉機械的角加速度值。構建了旋轉角加速度測量系統的框架，對部分模塊和系統進了仿真，驗證了設計的正確性。最后對步進電動機進行了角加速度測試實驗，結果表明該角加速度測量系統具有較強的實用性。

角加速度；FPGA；霍爾傳感器；步進電機

0 引 言

角加速度是旋轉機械設備的一項重要參數，通過對該參數的測量，可以實現旋轉機械運行狀態的動態監測、實時控制和故障識別,且旋轉系統的外界各種動態干擾，會以角加速度的形式表現出來[1]。因此，角加速度測量廣泛應用于汽車、航空、軍事等多個領域。近年來，一些學者和專家對角加速度的測量進行了一系列的研究，包括一種基于電磁感應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點在于能夠測量瞬時角加速度值；一種結構輕巧的力平衡扭擺式硅MEMS角加速度傳感器[4]；一種微流體慣性質量角加速度計[5]；一種基于LabVIEW的轉軸角加速度測試儀[6]；一種光柵角加速度測量裝置[7]和一種新的基于卡爾曼濾波及牛頓預測的角加速度估計方法[8]。

本文設計了一種高精度數字式角加速度測量系統，采用霍爾傳感器和安裝子旋轉機械轉軸上的磁鋼齒獲取轉速信號，轉速信號經過濾波和整形以后，利用FPGA對其進行數字微分，最終得到旋轉設備的角加速度值。推導了角加速度的理論公式，采用軟件對角加速度測量原理進了了仿真，并對測量誤差的來源進行了分析。最后對實際的旋轉設備進行了角加速度測試實驗，結果表明該角加速度測量裝置具有較強的實用性，且在理論上可以達到較高的測量精度。

1 角加速度測量原理

1.1 霍爾轉速傳感器

霍爾轉速傳感器是一種利用霍爾效應獲取轉速信號的裝置，如圖1所示，包括支架、磁鋼片和霍爾傳感器。支架與被測旋轉設備的轉軸相連，支架的外側均勻分布磁鋼片若干個，磁鋼片的磁極厚度相同，且在支架的圓周外側呈N,S極交替排列。

圖1 霍爾轉速測量示意圖

當旋轉設備運行時，帶動磁鋼片同時旋轉，霍爾傳感器通入恒定電流，根據霍爾效應，理想狀態下，霍爾傳感器的輸出端產生如圖所示的方波電信號。

1.2 濾波整形

由于霍爾傳感器是磁敏類傳感器，容易受到外界磁場的干擾，比如電動機中的定子磁場，進而形成高頻噪聲信號，對實際的轉速信號造成干擾，可以采用濾波電容進行去噪處理。

整形電路的目的是為了將霍爾傳感器的輸出模擬電信號轉換成數字邏輯信號，以實現后續的數字微分處理。本文采用電壓比較器LM339實現所要求的功能，該芯片工作時，一個比較輸入端接地作為基準電壓，另一端加一個待比較的信號電壓，當兩個輸入端電壓差別大于10 mV時，即可實現數字邏輯信號的可靠翻轉。

1.3 數字微分

角加速度信號是角速度信號的一次微分，可以通過檢測兩個相鄰時間段的角速度值和時間間隔，進行微分處理后即可獲取角加速度值。

設磁鋼片的個數為x，由于磁極厚度均勻，則每個磁極在空間上的角度為2π/x弧度。采用高頻脈沖對霍爾傳感器輸出的信號進行與邏輯，高頻脈沖的頻率為f，相鄰兩個磁極對應的角度內脈沖個數分別為y和z，如圖2所示。

圖2 數字微分原理

(1)

由于數字處理器產生的高頻插值脈沖頻率f，以及支架一的磁極數x為已知量，因此，根據式(1)只要通過一定的測量方法，獲取到相鄰兩個磁極對應的角度內的脈沖數y和z，就能得到角加速度值β。

2 測量系統的整體實現

2.1 系統總體結構框架

根據角加速度的測量原理可知，為得到相鄰兩個磁極對應的角度內的高頻脈沖數y和z，系統總體電路結構如圖3所示。

圖3中H為霍爾傳感器輸出的轉速信號，經過非邏輯門后產生信號K；HP為高頻脈沖信號，由有源晶振通過FPGA內部的倍頻器倍頻后產生；開關控制器的作用是為了設置對高頻脈沖進行計數的開始節點和結束節點，其產生的信號Start為開始計數信號，End為計數結束信號；開關控制器1的Start,End和信號H，HP進行與邏輯，得到信號S2，再通過計數器1進行計數，計數結果為y；開關控制器2的Start,End和信號K，HP進行與邏輯，得到信號S2，再通過計數器2進行計數，計數結果為z；計數器1,2的結果傳送至數據處理器，數據處理器按照式(1)進行數據處理，最終得到所要測量的角加速度值。

圖3 系統總體結構圖

2.2 倍頻器

由系統的測量原理可知，高頻脈沖的頻率 越高，系統的測量精度越高。倍頻器實質上就是能夠完成輸入信號頻率倍增作用的電子設備，經過倍頻處理后，調頻信號的頻率可以成倍提高。FPGA內部的倍頻器可以通過設置PLL來產生，如圖4所示，inclk0為輸入信號，ration為倍頻系數，c0為輸出信號，設置ration為8/1，則仿真結果如圖所示，clock為輸入信號，輸出信號ll的頻率為clock的8倍，即實現了8倍頻的功能。

圖4 倍頻器及其仿真結果

2.3 開關控制器

開關控制器的功能是為了保證計數值y和z的正確性。系統開始工作時，開關控制器首先初始化，輸出信號Start為邏輯低電平，End為邏輯高電平，此時圖3中的與邏輯門1和與邏輯門2都是關閉的狀態，計數器1和計數器2的計數結果都為零；當輸入信號H第一個上升沿到來的時候，開關控制器1的輸出信號Start翻轉為邏輯高電平，計數器1開始計數，當輸入信號K第一個上升沿到來的時候，開關控制器2的輸出信號Start翻轉為邏輯高電平，計數器2開始計數；為了確保計數結果的正確性，當輸入信號H第二個上升沿到來的時候，開關控制器1的輸出信號End翻轉為邏輯低電平，計數器1結束計數，當輸入信號K第而個上升沿到來的時候，開關控制器2的輸出信號End翻轉為邏輯低電平，計數器2結束計數。

設計的開關控制器由VHDL語言編寫生成，根據該程序系統可以封裝生成開關控制器模塊，仿真結果如圖5所示，其中reset為開關控制器初始化信號，高電平有效，低電平時開關控制器開始工作；data為輸入信號，當data第一個上升沿到來時，start由低電平翻轉成高電平；當data第二個上升沿到來時，end由高電平翻轉成低電平，因此，通過仿真結果可知，設計的開關控制器能夠實現測量系統所要求的功能。

圖5 開關控制器仿真結果

2.4 系統總體仿真

對如圖3所示的結構框圖構建系統電路，編譯通過后進行仿真，結果如圖6所示，圖6中的信號與圖3中的信號一一對應，由仿真結果可知，設計的測量系統能夠實現要求的各項功能。

圖6 測量系統總體仿真結果

3 實驗結果

為了驗證設計的角加速度測量系統的可行性，搭建了實際的旋轉機械角加速度測量實驗平臺。其中數字處理器采用Altera公司生產的FPGA，選用的芯片型號為EP2C8Q208；外部晶振頻率為50 MHz，倍頻后高頻脈沖為400 MHz。

實驗一：轉速信號由高精度信號發生器進行模擬，產生的方波信號約為500 Hz，占空比為50%，即此時模擬的旋轉設備角加速度理論值為0，將該信號輸入到角加速度測量系統中，假設磁極數x為40，得到的實驗結果如表1所示。

表1 實驗一數據

由實驗一的結果可知，計數結果y和z存在一定的誤差，來源包括：信號源誤差，即信號發生器產生的方波信號發生了微小的改變；FPGA內部計數器1和計數器2產生的計數誤差，主要源于計數開始和計數結束時刻，由高頻脈沖和轉速信號進行與邏輯產生的1個脈沖誤差。

實驗二：步進電動機型號為42BYG250-47，配套驅動器型號為ZD-8731，控制器型號為DY-IS；設計的磁極片數為50；霍爾傳感器型號為3144。設置步進電動機為連續運行，頻率為600 Hz，實驗得到的角加速度情況如圖7所示。

圖7 步進電動機角加速度實驗結果

根據實驗二結果可知，步進電動機運行時，轉子系統存在明顯的旋轉角加速度，產生的原因主要是由于步進電動機定子產生的電磁驅動轉矩為正弦規律，且定子磁場以跳躍方式旋轉，最終導致步進電動機轉子運行時產生角加速度，同時表明本文設計的角加速度測量系統能夠正確的測量實際旋轉設備的角加速度值，具有較強的實用性。

4 結 語

本文提出了一種基于FPGA的霍爾式旋轉機械角加速度測量系統，詳細闡述了系統的整體構成和角加速度的數字微分測量原理，給出了角加速度測量系統的實現方法，并通過仿真驗證了測量原理的正確性和設計的可行性。最后對實際旋轉設備進行了角加速度測試實驗，結果表明該系統能夠正確的測量實際旋轉設備的角加速度值，且該測量系統具有響應速度快、測量精度高等優點，具有較強的實用性。

[1] 梁偉，馮楓，鮑學良,等.角加速度傳感器及其應用[J].長春工業大學學報,2012,33(3):311-316.

[2] 趙浩,馮浩.基于電磁感應原理的永磁角加速度傳感器研究[J].傳感技術學報,2012,25(9):1257-1261.

[3] 趙浩,馮浩.一種電磁感應式角加速度傳感器及誤差分析[J].計量學報,2012,33(6):536-540.

[4] 李建利，房建成，盛蔚.一種新型力平衡扭擺式硅MEMS角加速度傳感器[J].儀器儀表學報，2008，29(1)：73-77.

[5] 吳校生， 陳文元.角加速度計發展綜述[J].中國慣性技術學報，2007，15(4):458-463.

[6] 李博，張鋒，黃鎮昌.基于LabVIEW的角速度、角加速度測試儀[J].儀表技術與傳感器，2005(9)：8-9.

[7] 秦瑩瑩，郭喜慶，劉偉.基于PCI和FPGA的轉臺檢測系統[J].儀表技術與傳感器，2011(3)：74-76.

[8] 何玉慶，韓建達.一種新的角加速度估計方法及其應用[J].控制理論與應用，2007，24(1)：6-12.

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

廣西高校科研項目 (KY2015YB529)；廣西高等教育本科教學改革工程項目(2015JGB439)；廣西“十二五”教育規劃資助經費重點課題(2015A028)

TM306

A

1004-7018(2016)10-0047-03

黃孝平(1973-)，男，碩士，高級工程師，研究方向為智能控制、嵌入式系統等。