飛輪通常采用無鐵芯結(jié)構(gòu)的三相無刷直流電動機作為驅(qū)動部件，采用碼盤或霍爾元件作為無刷直流電動機的位置傳感器。位置傳感器的作用有兩個：一是檢測轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置；二是形成飛輪的測速脈沖，以便于上位機采集并計算飛輪轉(zhuǎn)速。飛輪旋轉(zhuǎn)一周得到的測速脈沖數(shù)量直接決定飛輪的調(diào)速性能，進而影響飛輪的轉(zhuǎn)速控制精度。

目前，飛輪所采用的傳統(tǒng)的三霍爾測量器件存在測速精度低的缺點，其原因在于電動機旋轉(zhuǎn)一周僅能產(chǎn)生3倍于極對數(shù)的測速脈沖數(shù)，因此在需要頻繁過零調(diào)速。并強調(diào)低速平穩(wěn)性的飛輪中應(yīng)用較少。采用碼盤作為飛輪的位置傳感器可以得到更多的脈沖數(shù)，但采用碼盤存在結(jié)構(gòu)復雜、體積大、成本高、可靠性差的問題。

飛輪轉(zhuǎn)速測量精度分析
某工程任務(wù)對飛輪具體要求如下：飛輪采用的三相8對極磁鋼結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機。電動機外轉(zhuǎn)子直徑100mm，與上位機通訊指令周期為2s，飛輪轉(zhuǎn)速的控制精度優(yōu)于約6°/ s， 即1r/min。上位 機測速采用測頻法，轉(zhuǎn)速脈沖上、下沿計數(shù)?？紤]上位機通訊指令周期為2s，取飛輪轉(zhuǎn)速采樣周期為1.5s，測量最小誤差為±1個(2個)轉(zhuǎn)速脈沖，(即1.5s里要有2個)則要求在9°機械角范圍內(nèi)至少均勻分布2個位置脈沖，即每轉(zhuǎn)80個轉(zhuǎn)動脈沖。

以往的三霍爾測量器件構(gòu)成的飛輪轉(zhuǎn)速反饋僅能提供最多每轉(zhuǎn)24個轉(zhuǎn)速脈沖(霍爾數(shù)x磁鋼極對數(shù))，其轉(zhuǎn)速精度為4r/min，顯然無法滿足使用要求。在電動機結(jié)構(gòu)不改變的情況下，需要將霍爾數(shù)量增加到12個(3的整數(shù)倍)。以提供最多每轉(zhuǎn)96個轉(zhuǎn)動脈沖、192個計數(shù)邊沿用于測速。以滿足飛輪每轉(zhuǎn)80個以上的轉(zhuǎn)速脈沖的要求。


多霍爾元件安裝布局的具體設(shè)計
圖1所示為環(huán)氧澆鑄前的電動機定子骨架，通常的做法是在骨架的突起處開槽(圖1霍爾安裝處)，用于安裝霍爾。安裝完成后再進行環(huán)氧澆鑄，將霍爾固封在定子骨架內(nèi)部。這種做法的缺點在于：

①不易維修。尤其是定子進行環(huán)氧澆鑄后，如果發(fā)生霍爾元件失效情況，只能更換整個電動機定子。

②器件定位精度差。對于多霍爾安裝時，無法對轉(zhuǎn)速信號相位進行調(diào)整以達到較高位置精度的要求。

針對原有的霍爾安裝方式帶來的缺點，改變器件的安裝位置如圖2所示，將器件安裝在電動機定子的外襯套圓周邊沿上。利用轉(zhuǎn)子磁鋼邊沿的磁場激發(fā)器件的狀態(tài)改變。這種做法可以有效地克服原有的霍爾安裝方式的缺點。需要注意的是設(shè)計時在磁鋼端面和霍爾元件之間需要留有合適的間隙，既要保證有足夠的磁場強度以激發(fā)霍爾，又要保證兩者。不會因間隙過小發(fā)生機械干涉，導致飛輪卡死。

下面結(jié)合圖2、圖3進行多霍爾具體設(shè)計的說明，按照數(shù)量增加到12個的具體要求，在一對極的磁鋼構(gòu)成一個電周期的情況下在一個電周期內(nèi)12個霍爾信號將產(chǎn)生12個轉(zhuǎn)速脈沖(也即24個信號邊沿，上升和下降沿)用于測速。飛輪電動機為 8對極，則每對極磁鋼的機械角度為45°。這就意味著要在這樣一個機械角度內(nèi)沿電動機定子邊沿鑲嵌12個霍爾，每個霍爾相隔的機械角度為3。75°，而一對極磁鋼對應(yīng)的電動機定子邊沿弧長僅為39mm，霍爾元件自身寬度4mm，顯然在一-對極磁鋼的機械角度內(nèi)安裝12個霍爾是無法實現(xiàn)的，針對這種情況在本設(shè)計中對霍爾的分布進行分組處理，將12個霍爾平均分成4組，按每組內(nèi)3個霍爾相差機械角度15° 。如圖3所示。即一個電周期內(nèi)三個霍爾電角度相差120° ， 每組霍爾元件與相鄰的一組相差機械角度3。75° ， 在電動機定子圓周上進行分布，采用這種分組方式主要出于兩方面考慮：

①對于三相六狀態(tài)的無刷直流電動機而言，這樣的分組方式使每組霍爾均可用于電動機換相(需在軟件中進行一定的相位補償)，當一組霍爾用于電動機換相的主份時，其余各組可看作該主份的備份，有利于提高設(shè)計的冗余度與可維修性。

②可將每組霍爾預埋在單獨設(shè)計的滑塊上，利用滑塊在安裝圓周上的滑動來調(diào)節(jié)組與組之間的相對位置，進而達到調(diào)整脈沖信號邊沿相位的目的。


電動機旋轉(zhuǎn)時霍爾輸出信號時序如圖4所示，從圖4中可以看出，在每對極磁鋼對應(yīng)的電周期內(nèi)都會有24個由霍爾元件產(chǎn)生的邊沿信號用于測速，電動機旋轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生192個邊沿信號。