霍爾傳感器在電機調速系統設計中的應用

2021-02-13 麗能電力技術平臺

0引言

實現對電動機、工具機主軸、交通工具動力系統中等旋轉設備的轉速測定是保證電機系統安全運行、穩定性的重要保障，同時也是達到按照生產等要求控制電機轉速首要條件。譬如在發電機、造紙機械、卷揚機等電機設備中可以實現對馬達轉速的調控，並且要連續時間內實施採集控制目標速度值以保證系統安全性；同時，還可以對目標檢測並顯示其轉速。然而實現非接觸和高精度的轉速測定一直是傳感器領域的重要研究內容。因此，本研究設計了基於霍爾傳感器和以MSP430單片機為核心的電機轉速測量數字式輸出與調速系統，突出優點為抗幹擾能力強、傳輸誤碼率低，實現了對旋轉電機測速的非接觸式、離線和高精度的系統開發和設計探討。

 

1霍爾傳感器

霍爾傳感器Ａ3144，該型號霍爾傳感器通常適合於溫度較大範圍變動下的場合，其溫度變化範圍可達到－40℃～150℃的範圍。該傳感器主要包括檢測部分及後端的信號調理部分，主要電路有信號放大電路、溫度補償電路以及具有輸出波形調理的斯密特觸發器，具有很強的抗幹擾能力，此外，該霍爾傳感器晶片還具有體積小，穩定程度高，具有很強的抗幹擾能力（如圖1）。

 

通過將體積微小的霍爾傳感器安裝放置在靠近電機轉子附近，並把磁鋼裝在待檢測轉子上，當磁鋼隨轉子一起轉動時，霍爾傳感器周邊的磁場將隨之發生周期性的變化，從而出現周期性的霍爾電壓變化並進行測量。因此，當待測電機旋轉驅動傳感器運動，所產生的相應頻率脈衝信號，該信號經過電路分析處理就會得到相應的脈衝，使脈衝輸出到計數器或計數裝置，用計數脈衝數反應出電機速度。

 

2硬體電路設計

基於MSP430單片機為控制核心的整體結構如下所示（圖2）。該設計系統包括霍爾傳感器轉速測量部分、信號放大濾波電路、MSP430單片機系統、LED顯示電路、報警電路、串口通訊電路、電機調速驅動電路和電源電路等。以上電路各部分協同實現來完成信號的採集、信號調理，以及信號單片機的輸入和單片機輸出等功能。

 

 

2.1硬體電路整體框圖

本研究中，我們採用了霍爾傳感器MSP430進行電機轉速測量設計，應用信號濾波電路實現了數據處理，測量信號用信號放大電路，之後供給單片機系統來實現數據採集，將採集的數據顯示並串口發送。

當待測電機高速轉動時，霍爾傳感器將轉速信號採集，轉變為數字量脈衝信號輸出，經過隔離後，在經過濾波和放大電路後送到MSP430單片機的數字量捕捉接口對轉速信號採集，同時單片機通過溫度傳感器藉助AD轉換採集。單片機將轉速信號和溫度信號通過RS485串口發送至上位機。LED顯示轉速信息，而選用MSP430的ＰＷＭ功能可實現對電機的調速。

 

2.2放大電路實現

雖然採用的霍爾傳感器的輸出電壓可以滿足研究需要，但為了更適合於實際工作中霍爾傳感器的輸出電壓，本研究再次設計了信號放大電路，實際中工作狀態下，如果外部電壓值有所增高，則可以通過調整和改變放大器的放大係數匹配單片機的輸入要求，本研究選擇的放大器晶片為INA121晶片。實驗中設計的信號放大電路如圖3所示，為了實現輸出脈衝信號的穩定性以及電壓的匹配，採用了RC濾波電路。

 

圖3信號放大電路系統原理圖

 

2.3 LED顯示電路圖

本研究設計的LED顯示電路如圖4所示。

 

 

3系統軟體設計

系統軟體設計主要包括兩部分，即MSP430的下位機軟體設計和上位機軟體設計部分。其中，下位機軟體設計完成對霍爾傳感器採集電機轉速的脈衝信號個數統計，將所記數字經過換算成標準轉速值在LED上顯示，之後將溫度傳感器反饋的溫度信號經模數轉換後輸入到單片機，單片機經過串口通信RS485發送至上位機，，完成PID自動控制過程；上位機軟體的設計主要是根據下位機的要求而設計的，主要完成對下位機溫度數據、轉速數據的採集、數據分析和圖形顯示等過程，並且也實現了數據的保存與打開功能，對電機轉速的自動控制及超速報警的功能。在MATLAB GUI界面上完成設計，設計了GUI的串口屬性。

 

3.1上位機與下位機調速系統

原理圖如圖5所示。

 

 

3.2下位機軟體設計

整個系統在初始上電復位後，首先初始化設置，主要是定時器模式的初始化過程。系統初始化完成後系統進入循環狀體，進行AD轉換獲取溫度值並獲取轉速脈衝，計算出真實轉速，送達LED顯示並RS485輸出，其基本流程如圖６所示。

 

4測試結果

在PID控制中採集實測電機轉速數據並繪製轉速曲線，計算器超自動調整超調量與穩定時間，結果如圖7和圖8，曲線分別顯示PID控制電機測試和轉速的調控效果。其中，圖7為調試過程當中的一組電機轉速實際測試曲線，其中PID參數為：KP=1.9，Kd=1.5，Ki=1.5；類似的，圖8為合適的PID參數控制下另一組電機轉速測試曲線，其中PID參數分別為：KP=1.2，Kd=1.5，Ki=1。

 

 

 

 

上圖中橫坐標表示採樣點，每個採樣間隔為0.01ｓ，縱坐標表示待測電機的實際轉速。如圖７所示，KP=1.9，控制目標範圍中出現了大於50%的超調，經過系統多個採樣點系統依然沒有進入穩定狀態，因此應該降低KP與K值。在圖8中，當KP=1.2，控制目標的超調量≤15%，並且經過較少的採樣點（21個）系統基本實現趨於穩定，所以該組參數是是一組合適的PID參數。經過驗證，確定的PID調節器控制參數為：KP=1.2，Kd=1.5，Ki=1。可見，所設計的系統可以實現對電機轉速的整體控制，同時系統具有上升時程小，靜態誤差小等特點，可滿足控制要求。

 

5安科瑞霍爾傳感器產品選型

5.1產品介紹

霍爾電流傳感器主要適用於交流、直流、脈衝等複雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換後的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種採集裝置直接採集和接受，響應時間快，電流測量範圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗幹擾能力強。適用於電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號採集和反饋控制。

 

5.2產品選型

5.2.1開口式開環霍爾電流傳感器

 

5.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器

表2

 

5.2.3閉環霍爾電流傳感器

表3

5.2.4直流漏電流傳感器

表4

 

6結束語

本研究通過將傳感器技術和單片機有效結合起來，進行電機測速系統設計和開發，克服了傳統電機 測試和調速系統方法測量的不足，實現對電機轉速 的高精度、非接觸式測量和性能監控。本文所設計 的電機測速系統具有測量速度快、測量精度高、靈敏 度高的優點，對電動機、工廠工具機主軸等旋轉設備在 日常生產中的電機轉速測量具有較高的理論和實際 應用價值。

在整個電機測量及其調速系統設計中，由於單 片機和傳感器的有效應用，特別是微控制器的合理 應用，不僅使系統變得更加智能，同時讓調速系統的 主電路部分也得到優化和性能提升，但整體系統所 用的功率元器件卻不斷精簡；未來，電機測量調速系 統不斷向頻帶寬，快速響應性能佳，靜態誤差範圍 小，無超調和動態抗幹擾能力強的方向發展和邁進。

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