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机械系统和转速信号处理
摘要：转速信号的获取与处理技术在旋转机械上的应用相当广泛。为了实现对电机驱动和可再生刹车系统的精确而又实时的控制，转速测量技术也因而被用在电动交通工具上。获取精确的电机转速信号对可再生刹车系统的力度控制和实现更高能量重复利用大有帮助。这篇论文旨在提出一种可以提供瞬时转速信息的方法。它首先阐明了电机转速测量在可再生刹车系统中的原理。然后呈现的是理想的与实际的霍尔传感器的信号特点，揭示了转速与霍尔传感器信号的对应关系。最后，霍尔位置传感器的信号调节和处理电路，以及电机转速测量的处理程序都进行了基于测量错误分析的仿真运行。
- 介绍
由于电动交通工具能量存储系统的容量限制，导致纯电动车的行驶里程收到限制，因此，电动车的广泛使用也被限制了。如果在刹车过程中电动车的动能可以通过可再生刹车系统转化成电能，然后回馈倒电能存储系统中，那么，能量的利用效率就会大大提高，车辆的行驶范围也会有所增加。之前有研究表明，电动车的能效可以被可再生刹车系统提升约8~25%。在可再生刹车过程中，有效的测量对于实现能量回馈大有帮助，车辆的纵向动态稳定也需要维持。在车辆动态控制研究中，转速，侧滑角，以及一些其他的动态参数也都需要评估，这些参数都是都是由传感器直接或者间接得到的。目前许多调查工作都在状态评估方面取得了很大的进展，各种各样的方法被运用到评估控制状态和车辆的动态响应中，模式依赖评估器已经应用到了非线性系统中，不确定线性参数变化系统模型也已经建立，用来评估四轮独立驱动的电动车的侧滑角。在车辆的横向动态控制中，纵向速度不为常数，但是变化是在固定范围内，因为纵向速度与电机转速是相一致的，因此转速是电动车控制系统中的关键输入参数，因此精确测量电机转速是非常重要的。在刹车过程中刹车转矩和车辆速度需要实时并且精确的控制，电动车的可再生刹车系统控制单元也需要获取精确的电机转速信号。
转速传感器通常输出模拟信号，模拟信号要经过电路调制然后才能适合测量应用。可以通过编程使它与一个测速系统的设计规格相适应，然后和一系列输出不同信号特点的传感器一起使用。基于这种数据获取机制，转速测量可以被分为两组：基于计时器或者计数器的一组，和基于模拟数字转化的一组。计时器或者计数器方法在概念上来讲就是测量下一个脉冲所经过的时间或者在固定的时间内所经过的脉冲数量。基于ADC方法把角速度信号看成是普通模拟信号，多通道速度信号用一块多通道ADC板可以同时测量。ADC板在测量期间把模拟信号转化成数字信号数据。因为数字信号以一种固定频率采样，所以他们记录了采样时间和信号幅值。模拟信号调制主要用在电机转速测量上，而且已经被应用在发电机转速测量中。基于微控制器的数字转速计系统已经广泛应用与电机控制系统，因为该装置处理容量大，价格低并且可靠性高。
与之前发表的一些作品相比，本文调查研究的是三相电机实时转速测量方法。该方法不需要特别的装置但但需要最大程度的利用通用数据获取系统和计算机资源。因此本文关注的就是基于一般方法和编程方法的通用信号调制电路。这两种技术都想在一个很宽的瞬时转速范围内，提供精确测量，这样一来他们就能够被应用在车辆的可再生刹车系统和其他一些场合。接下来的一个部分，详细阐明了该刹车系统中的转速测量原理。然后，本文接着呈现了理想的和实际的霍尔元件的信号特点，并揭示了霍尔位置传感器和电机转速信号的关系。
最后，第三个部分描述的是基于测量误差分析的霍尔位置传感器信号调制和处理电路，运行了电机转速测量的程序。第四部分是基于以上分析得出的结论：在需要大范围和多通道电机转速实时测量和其他一些应用领域，上述提出的方法确实可以被应用在可再生刹车控制系统中。
- 电机转速测量原理
2.1可再生刹车系统的结构和原理
可再生刹车系统的结构和原理在图1中得到展示。可再生刹车控制单元在整个控制系统中是核心控制器，它与电机控制单元相对独立，并且他们相互协调工作。由该系统执行的功能包括以下几个方面：
- 主电路的配电控制：电池和独立的电容被接到主电路，在两个储能单元之间以及主电路的连接转换都已经通过主要的继电开关实现。电池是在电机驱动模块的下方接入主电路的，电池是不介入可再生刹车模块的，并且独立电容接进主电路是为了实现同步的充能。
- 司机意图的确认：通过从加速踏板和刹车板收集加速信号和刹车信号，从而实现司机意图的确认。
- 可再生刹车控制：通过收集电机转速信号，独立电容电压，总线电流来决定电机的运行状态。然后把开关控制命令送到双向DC/DC继电器中，并把PWM波命令送到DC/DC转换器的电源开关中，因此对独立电容的充电升压和放电降压就得以实现。
- 通过控制系统和电脑之间的通信，可再生刹车系统的操作信号，比如总线电流，电机转速，独立电容电压等，是由电脑实时记录和显示的。此外，这个控制系统也能够从电脑直接接收命令，一些人为的操作由自动化控制所代替，比如模拟加速度信号和模拟刹车信号等。
可再生刹车单元的电机转速信号是从电机内部的霍尔传感器中获得。从电机控制单元获取的多路电机转速信号相互没有影响。其他对于可再生刹车控制单元所必需的信号对电机控制单元是不需要的，因此，这个可再生刹车控制单元和电机驱动控制单元可以各自独立工作。
2.2电机转速分析和电机反馈的特点
在可再生刹车过程中，控制系统根据收集到的转速信号决定了电机供给电压的幅值。和独立电容的电压作比较，如果供给电压比电容电压低，加速系统启动，如果供给电压比电容电压要高，减速系统就会启动。电机转速信号和电机反馈信号之间的关系应该要提前获得，在做出以上判断之前要先一局电机转速信号。
在电机反馈过程中，电机工作在发电状态，并且外部电源断开，电机转子由惯性或者负载驱动，感应电压从电压定子线圈发出，于此同时，如果能在电机外围形成贿赂，就可以发出三相直流刹车电流，电机就处在发电模式。同时，电机电流通过在开关上反并联的二极管完成整流，如图2所示。
在发电模式中，任一时刻都有两相电路导通，假设现在A和B导通，电流方向就如图2虚线所示，这时时反电动势峰值，因为电枢线圈和无刷直流电机的电路结构，电机感应电压可以被表示为：
P是电机极对数。N是每相导体的数量，是每极的气隙磁密。n是电机转速（转每分）。是电动机反电势系数（伏/转每分）。
正如公式1展示的那样，电机感应电压是正比与电机转速的，并且根据电机转速信号，在刹车系统中回升电压控制得以实现。
- 霍尔传感器信号特点分析
电机转速信号由三相霍尔传感器获得。转速连续脉冲之间所经过的时间的测量可以由两个部分实现：中断服务程序和一个定时器。速度脉冲信号被作用于一个中断信号。当一个速度脉冲的上升沿出现时，中断服务程序就被请求。基于中断服务程序的编程方法，以下是这种方法的两种变化，第一种是用速度脉冲的上升沿来停止和启动定时器。接下来中断服务程序会做这些工作：关中断，关计时器，读计时器内容，重新初始化计时器，开中断。第二种变化是用速度脉冲的上升沿或者下降沿来开关计时器。但是计时器在整个测量过程中是持续运转的。结果，一个脉冲周期所进过的时间与第一种方法读取的计时器时间相一致，与第二种方法不一致。
3.1 理想霍尔传感器位置特点。
假设电机极对数是P。由于在电机内部有三相的霍尔位置传感器。如果他们是严格按照相位相差120度安装的话，发出的信号波形就如图三所示。当电机每转过360度，那么每相霍尔传感器发出方波的数量就是P个。
三相霍尔传感器是根据电角度120度相位差严格安装的。输出信号是对称方波，因为三相霍尔传感器导通180度电角度（每一个方波周期为360度电角度）。三相方波之间存在120度的电角度查。对于三相方波信号来说，如果每两相信号先经过与门，然后在进过或门相叠加。那么霍尔传感器的输出信号就如等式2 所显示的那样。三相的，并且有相同时间间隔，电角度对称相差120度的方波信号，在一个固定的瞬时速度下，电机每转过360度电角度，就发出一组这样的信号。就和图4显示的那样。
（2）
共同的霍尔信号输出称为叠加方波，Y就代表输出信号。A是霍尔位置传感器信号的第一相。B是第二相。C是第三相。
在理想方波信号下，每一个周期中上升沿到下降沿所进过的时间T都是相等的，并且电角度约为60度。电机转一圈就发出3P个方波信号。因此，测量精度与只用单相信号相比提高了两倍。
3.2.实际霍尔位置传感器信号特点。
实际霍尔位置传感器的信号误差来自许多方面，半导体的装配过程，霍尔传感元件一些固有的内在特性都会导致测量的误差，通常表现为零位误差和温漂误差。零位误差虽然很难消除，但是影响很小，此外，控制系统周围的温度变化也是很小的。根据这个，霍尔元件造成的内部误差也可以忽略 ，然而霍尔位置传感器的安装误差总是存在的。因此霍尔传感器的电角度差不总是120度，这给电机转速的精确性带来较大误差。
如图5（a)所示，虚线表示的是理想霍尔传感器的信号，实线表示的是实际信号。重叠部分的信号是相同的。如果A相和B相的相位差小于120度电角度，每一个方波的实际时间间隔变化相同，即便电机转速是稳定的。如图5（b）所示，叠加后的方波信号已经不再是拥有相同时间间隔的对称信号。从上升沿到下降沿，每一个毗邻的间隔所经过的时间的关系如下式所示：
（3）
因此，当用叠加方波的时间间隔或者从上升沿到下降沿所经过的时间来确定电机转速时，就会出现很大的误差。
假设霍尔元件的特性连续，电机磁场分布时相对均匀的。在每一个周期“上升沿—下降沿—上升沿—下降沿”或“下降沿—上升沿—下降沿—上升沿”内所经过的时间间隔时一个固定值（在电机转速一定的情况下）。如图5所示，该值是当电机旋转360电角度时，各相霍尔传感器在高或者低电平所经过的时间，等于旋转180度电角度的时间间隔，因此波形称为半方波，这个是由霍尔元件特性和磁场分布决定的。因此方波在每一个高电平或低电平经过的时间是通过中断服务程序根据叠加波形的上升下降沿和读取芯片计数器的值获得的。然后将每三各毗连的间隔所经过的时间进行求和，获得的相同的持续时间如下所示：
（4）
结果，电机转速是通过求三个连续的中断技术值的和来获得的。因此测量精度也可以得到提高。电机磁极的数量是23，完成一个旋转的时间是t，如下式所示：
(5)
那么电机转速n就可以按照下式计算：
（6）
4.霍尔位置信号的调制和处理
4.1霍尔信号调制电路的设计
Mega 16位微处理器作为主控单元，该处理器由ATMEL公司生产。该微处理器用的是内部上电复位电路和连接外部晶振（7.3728MHz）以及高频小电容（22pf）的时钟电路。因此能够提升该系统的稳定性和可靠性，系统程序调试也很方便。
如图6（a）所示，首先三相霍尔位置信号先通过9012三极管放大，替控制器降低采样信号的幅度要求。由电机发出的霍尔位置信号中存在两种相位差，比如60度和120度电角相位差。为了确保测速系统对这两种相位差信号的兼容性，所以就通过放大B相霍尔信号来输出两路信号，一个是mHall_60,一个是mHall_120.由于霍尔位置传感器信号采用的是120度电角差。信号“mHall_120”通过74HC08的与门输出，通过“mHall_A1”和“mHall_C1”之间的和操作，三个通道的和信号被获取，然后进行光耦合，因此一路叫做“和方波信号”的电机转速信号应运而生，如图6（b）所示。电机转速信号被TLP521—1光电晶体管隔离开来，从而避免从芯片带来的影响，如图5（c）所示。
4.2 霍尔位置传感器信号处理。
霍尔位置传感器信号经过调理后，两个连续脉冲之间所经过的时间就可以通过Mega 16位单片机的中断服务程序来获取。但是电机转速信号中的噪声也会导致测量误差，所以就需要用数字滤波器和编程计数的策略来减小误差。
4.2.1用单相霍尔位置传感器信号来测量电机转速。
从传感器活得的信号充满噪声，这需要用电路滤除。当前，数字滤波器广泛的应用于编程滤波中。在信号处理时，一个数字滤波器对一个离散的采样信号执行这样的操作：减弱或者加强信号的某个方面。和其他主流的电子滤波器相比，模拟滤波器是一个产生时间上连续的模拟信号的电子电路。为了在测量信号中加入白噪声，移动平均滤波器是最佳的有限脉冲响应滤波器。移动平均滤波器计数在数字信号处理中是最有用的技术之一，一个卷积，采用了简单的过滤器内核并且理想降低噪音的同时保留了信号特点。移动平均滤波器是这样工作
的：从输入信号中提取每个电的平均数来产生输出信号。如下式所示：
. (7)
是输入信号，是输出信号；N是用来平均的点的数量。移动平均采样点的数量对输出信号有很大影响，采样点越多，曲线就越平滑，但是会导致灵敏性降低。采样点变少，结果相反。
用单相霍尔位置信号作为输入信号，采用移动平均滤波器方法采不同数量的信号来测量电机转速，比如2、4、8等。在恒定的转速下，所获信号曲线如图7所示。表1展示的是不同数量采样点的情况下，输入单相信号时，电机转速的对比情况。正如表格显示的那样，当用一相霍尔信号测量时，结果很差，因为最大偏差，标准偏差，波动
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