利用电动自行车后轮无刷直流电机霍尔信号的一种测速方法

 电动自行车的后轮电机是一个直流无刷电机，可直接采用电机自身的霍尔检测器的信号来采集速度信息，而不增加其他位置和速度检测元件。采用霍尔信号对转速测量通常采用两种方法，一种是使用一路信号进行测量，一种是利用三路霍尔，通过逻辑电路或算法，产生六倍于一路霍尔信号频率倍频信号，然后对其进行测量。
本文介绍以STM32单片机位核心、一路霍尔信号进行电动机转速测量系统。

1、## 无刷直流电动机霍尔测速的原理 ##
无刷直流电机的工作原理本质上与有刷电机类似，有刷直流电机采用机械的电刷和换向器对绕组中的电流进行换向。而无刷电机采用电子方式对绕组电流换向。直流电机中转矩是通过永磁体磁场和绕组中的电流相互作用产生的，在有刷电机中，换向器通过切换电枢绕组实现电枢电流的换向与合适的磁场。而无刷直流电机中，霍尔位置传感器探测转子旋转磁场的位置，通过逻辑与驱动电路，给相应的绕组激励。总的说来，绕组根据电机永磁体的磁场作出反应，从而产生需要的转矩。如下图是一种三相8极（四对磁极）无刷直流电机基本组成：

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(https://img-blog.csdn.net/20160905205332983)

旋转的永磁体转过双极型数字霍尔传感器时，会使双极型数字霍尔传感器状态发生改变，即发出一个低频脉冲。如果电机磁极对数是上图中8极磁体无刷直流电机中，则电机每转一圈，就会有8个脉冲出现。
(https://img-blog.csdn.net/20160905210241922)

2、## 转速算法的选取 ##
单片机转速测量的算法很多，主要有频率测速法（M法）、周期测速法（T法）、MT法等。
M 测速法：通过在相同的时间T间隔内计算传感器输出的脉冲个数来算出转速；设霍尔传感器输出的信号每转 R个脉冲，对应的转速为N（r/min）,则f=RN/60,就可算出实际转速为N=60M/RT（r/min）.
根据上式可确定这种测速法的分辨率为：Q= 60（M+1）/RT-60M/RT =60/RT
其中：R为每转的信号数，T为间隔时间，M为T时间内测得的脉冲数。
可见这种测速法的分辨率取决于电机转一周的输出方波R和测速周期T，极对数越多或测量周期越长，则分辨率越小，但一般电机的R不大，且测量周期不宜过大，因为测量周期过大为影响测速的反应速度，降低系统的实时性。所以这种方法是不可取的。
T法测速：通过测量传感器发出的相邻两个脉冲之间的T来算出转速。用一个计数器对一个已知频率为f的时钟脉冲计数；传感器每输出一个脉冲都想CPU申请一次中断，CPU响应中断读出计数值M，并将计数器清零。则可计算出转速的公式为：N=60f/MR （r/min）。
这种测速的分辨率为：Q=60f/R(M-1)-60f/MR=60f/RM(M-1)=RN*N/(60f-RN)
其中，f为时钟频率，R为每转输出的信号数，，M为中断读到的计数值。
可见这种测速法的分辨率与转速有关，转速越低，Q越小，因此，这种测速法在低速时有叫强的分辨率。
3、## 软件设计与实现 ##
/*
函数名：
函数功能：主函数
*/

 int main(void){  u32 temp=0; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// 设置中断优先级分组2delay_init();            //延时函数初始化  uart_init(9600);                //9600   LED_Init();         //初始化与LED连接的硬件接口TIM1_PWM_Init(199,7199);            //不分频。PWM频率=10000/(199+1)=50hzTIM_SetCompare1(TIM1,100);TIM2_Cap_Init(0XFFFF,72-1);     //以1Mhz的频率计数 Lcd_Init();      //LCD初始化LCD_Clear(WHITE); //清屏xianshi();while(1){delay_ms(10);           if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X80)//成功捕获到了一次高电平{temp=TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X3F;temp*=65536;                    //溢出时间总和temp+=TIM2CH1_CAPTURE_VALwNum(10,55,temp,6);LCD_ShowNum(10,55,temp,6);//LCD显示捕获的周期值delay_ms(10000);TIM2CH1_CAPTURE_STA=0;          //开启下一次捕获}}
}

/*
函数名：
函数功能：输入捕获中断处理函数
*/


u8  TIM2CH1_CAPTURE_STA=0;  //输入捕获状态
u16 TIM2CH1_CAPTURE_VAL;    //输入捕获值//定时器5中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void)
{ if((TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获   {     if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET){       if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了{if((TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了{TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次TIM2CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;}else TIM2CH1_CAPTURE_STA++;}    }if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕获1发生捕获事件{   if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X40)        //捕获到第2个上升沿         {               TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X80;      //标记成功捕获到一次周期TIM2CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM2);}else                               //还未开始,第一次捕获上升沿{TIM2CH1_CAPTURE_STA=0;          //清空TIM2CH1_CAPTURE_VAL=0;TIM_SetCounter(TIM2,0);TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X40;      //标记捕获到了第1次上升沿}           }                                              }TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位}

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