36
仪表技术与传感器
2002年
一种廉价的基于霍尔元件的电机转速测量装置的实现
李 娟
北京机械工业学院计算机及自动化系 北京市 100085
【摘要】介绍了一种廉价的转速测量装置, 包括用霍尔传感器和磁钢构成的脉冲发生器, 与单片
机的接口电路和倍频电路以及所采用的测速算法。关键词:霍尔传感器 磁钢 转速 倍频中图分类号:TP216; TP824
Motor Speed Measurement Device B ased on H all Sensor
Li Ju an
Department of Computer and Automation ,Beijing Institute of Machinery ,Beijing 100085
Abstract :Introduces a cheap speed measuring device ,including pulse producer composed by hall sensor and magic
steels as well as the s peed measurement algorithm.
K ey Words :Hall Sensor ;Magnetic Steel ;S peed ; Frequency Multiplier
1 引言
最基本的电力传动自动控制系统是调速系统, 即
通过控制电机的转速来控制生产机械的运动[1]。测速装置在控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间(采样周期) [2]。
电机转速的检测方案可分成两类:用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号, 它运行可靠, 但体积大、精度低, 且由于测量值是模拟量, 必须经过A/D 转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按电机转速高低, 每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器, 能够实现高性能检测。如选用旋转编码器做脉冲发生器, 使用简单, 但价格较贵。所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器成本低、构造容易、性能好。它成功地嵌入目前在国内大学中普遍采用的DCS -1型直流调速系统实验装置中, 已可靠运作两年以上。而且有关用测速发电机测速的系统实验可以照常进行, 硬件上无须做任何改动。若采用旋转编码器则只能与测速发电机替换使用, 反复卸下一个、装上另一个, 才能进行相应的系统实验。
2 电机转速测量装置的实现
DCS -1型直流调速系统实验装置中所用电机为1. 5kW 的Z2-31型直流电机, 额定转速为1500r/min. 转速测量装置的硬件包括脉冲发生部分以及脉冲
信号与微机的接口电路两部分。脉冲的形成是基于霍尔效应原理。在电机的连动轴上粘贴数个小磁片, 在连动轴附近固定霍尔传感器, 则电机转动时, 每个小磁片经过霍尔传感器时, 霍尔传感器便产生一个脉冲, 检
收稿日期:2001209202 修改稿日期:2001210202
测脉冲数和确定历经时间, 即可计算出电机的转速。
测量装置的软件由单片机执行M/T 算法实现。
霍尔传感器选用霍尼韦尔公司的SS41型霍尔位置传感器/开关输出[3]。它尺寸小, 有灵敏的磁特性, 响应速度快, 工作速度从0～100kHz , 完全满足采样时间的要求。可采用单5V 电源供电, 输出电压值小于0. 4V , 故与微机接口时, 需有后续电路放大脉冲信号。用实验的方法测定传感器与磁片的敏感距离, 确定传感器的固定位置。
磁片选用30SH 型。将磁片粘贴于电机连动轴的一周, 注意辨别每个磁片的N 、S 极, (N 极贴向转动轴,S 极朝向霍尔传感器) 。按磁片数目与轴的周长计算间距, 均匀粘贴。要提高测量精度, 应适当增加电机旋转1周时产生的脉冲数, 即增加粘贴的磁片个数, 从而使间距变小。但间距不能太小, 否则会影响到霍尔传感器的输出脉冲。采用502胶水粘贴即可, 电机高速运转时, 也从未出现过磁片的被甩出或滑动现象。
微机接口电路将传感器输出的微弱的脉冲信号转换为幅值为+5V 的单片机标准输入信号。用LM311比较器实现。实际电路如图1所示。R 2、R 3用于调整比较器的基准电压, 设定为0. 25V. 当传感器的输出电压高于基准电压时, 比较器输出+5V 的高电平, 反之则输出为0V 的低电平。比较器上拉电阻的大小会影响输出幅度, 由500Ω改为15k Ω后, 使输出幅值增大。D 1用作限幅保护。经该电路输出波形规则稳定。
测速算法由单片机编程实现。由于M 法测速在低速段测速精度低, 而T 法测速在高速时分辨率低。所采用的M/T 测速法兼有M 法和T 法的特点, 在高速段与M 法相近, 在低速段则与T 法相近。即集中了
第1期・元器件与应用・ 37
它们的优点, 做到在低速时有较强的分辨能力, 在高速
时, 有较高的测速精度[2]
。
器, 构成1个反馈系统, 最终使得输出信号V o (t ) 与输入信号V i (t ) 相位之差趋于常数, 频率之差趋于零, 锁相环进入锁定状态, 此时, V o (t ) 与V i (t ) 信号的频率相等, 相位差为常数。芯片4046的相位比较器和压控振荡器在片内没有相连, 因而可以灵活使用。根据锁相环工作原理, 在这两个部件之间, 插入1个N 分频电路, 就可以实现N 倍频功能。若V i (t ) 的频率为f i , V o (t ) 的频率为f o , 则锁相环锁定后, f o =N f i 。图2中, 触发器74L S74D 实现2分频器的功能。芯片4046内部有两个独立的相位比较器, 它们有共同的信号输入端A IN (14脚) 和比较输入端(反馈输入) B IN (3脚) , 但它们的输出PC1(2脚) 和PC2(13脚) 是独立的。只使用比较器2, 将PC2与压控振荡器的控制电压输入端VCIN 连接。CA (6脚) 与CB (7脚) 之间接压控振荡器的定时电容, R 1(11脚) 接压控振荡器的定时电阻到接地端。脉冲发生器的信号送给芯片4046的14管脚,2倍频后的信号由芯片4046的管脚4输出, 送至单片机。
根据以上设计方案, 容易实现高于2倍频的电路设计。也可以根据测量要求, 追加一控制信号选择对图1输出的脉冲信号进行倍频或不倍频。
图1 转速检测电路原理图
3 倍频电路设计
为了满足对测速精度的更高要求, 可将上述脉冲
信号进行倍频后, 再送到单片机处理。图2为利用高速CMOS 单片锁相环电路芯片4046实现的二倍频电路
。
4 结束语
实践证明该测速装置工作稳定可靠, 它的实现简单易行, 而且造价低。设计思想可推广到其他工程应用领域。但它的功能还有待于进一步扩充, 如判别转速方向的能力。
图2 倍频电路原理图
参考文献
4046由相位比较器和压控振荡器组成, 外接低通
滤波器。相位比较器的输出V e (t ) 正比于输入信号
V i (t ) 与压控振荡器输出信号V o (t ) 的相位差。V e (t ) 经低通滤波器滤除高频分量后的电压V d (t ) 作为压控振荡器的控制电压。在V d (t ) 的作用下, 压控振荡器输出的频率V o (t ) 发生相应的变化, 并反馈到相位比较(上接第35页)
(4) 火灾消除, 解除报警, 系统复位后, 探测器及接
[1] 唐永哲. 电力传动自动控制系统. 西安:西安电子科技大学出版社,
1998.
[2] 苏彦民. 电力拖动系统的微型计算机控制. 西安:西安交通大学出
版社,1988.
[3] 霍尔位置传感器手册. 北京:联想工业控制公司,2000.
[4] 张福学. 传感器应用及其电路精选. 北京:电子工业出版社,1991.
泛。
参
考
文
献
口电路恢复到监测状态。此时K 2导通, K 1和K 3均断开, 电路中发光二极管熄灭。
[1] 袁希光. 传感器技术手册. 北京:国防工业出版社,1989.
[2] 《中国集成电路大全》编写委员会. 高速CMOS 集成电路. 北京:国
5 结束语
通过对接口电路的分析, 认识到接口电路是如何
巧妙地将探测器感应信号转变为不同的频率电信号并通过电源线进行传输, 从而实现探测器火灾位置报警的。在实际应用中, 接口电路(U K70A ) 与离子感烟探测器及单片微机控制器配套使用, 具有用线少(两线制) , 功能强, 安装快捷方便等优点, 应用价值非常广
防工业出版社,1995:68-75.
[3] 电子工程手册编委会集成电路手册分编委会. 中外集成电路简明
速查手册TTL. CMOS 电路. 北京:北京电子工业出版社,1991:38
-43.
[4] 田黎涛. 实用电子电路大全. 北京:电子工业出版社,1994:53-58.
[5] 黎立. 最新接口电路实用速查手册. 北京:电子工业出版社,1993:
87-93.
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仪表技术与传感器
2002年
一种廉价的基于霍尔元件的电机转速测量装置的实现
李 娟
北京机械工业学院计算机及自动化系 北京市 100085
【摘要】介绍了一种廉价的转速测量装置, 包括用霍尔传感器和磁钢构成的脉冲发生器, 与单片
机的接口电路和倍频电路以及所采用的测速算法。关键词:霍尔传感器 磁钢 转速 倍频中图分类号:TP216; TP824
Motor Speed Measurement Device B ased on H all Sensor
Li Ju an
Department of Computer and Automation ,Beijing Institute of Machinery ,Beijing 100085
Abstract :Introduces a cheap speed measuring device ,including pulse producer composed by hall sensor and magic
steels as well as the s peed measurement algorithm.
K ey Words :Hall Sensor ;Magnetic Steel ;S peed ; Frequency Multiplier
1 引言
最基本的电力传动自动控制系统是调速系统, 即
通过控制电机的转速来控制生产机械的运动[1]。测速装置在控制系统中占有非常重要的地位。对测速装置的要求是分辨能力强、高精度和尽可能短的检测时间(采样周期) [2]。
电机转速的检测方案可分成两类:用测速发电机检测或用脉冲发生器检测。测速发电机的工作原理是将转速转变为电压信号, 它运行可靠, 但体积大、精度低, 且由于测量值是模拟量, 必须经过A/D 转换后读入计算机。脉冲发生器的工作原理是按电机转速高低, 每转发出相应数目的脉冲信号。按要求选择或设计脉冲发生器, 能够实现高性能检测。如选用旋转编码器做脉冲发生器, 使用简单, 但价格较贵。所设计的基于霍尔元件的脉冲发生器成本低、构造容易、性能好。它成功地嵌入目前在国内大学中普遍采用的DCS -1型直流调速系统实验装置中, 已可靠运作两年以上。而且有关用测速发电机测速的系统实验可以照常进行, 硬件上无须做任何改动。若采用旋转编码器则只能与测速发电机替换使用, 反复卸下一个、装上另一个, 才能进行相应的系统实验。
2 电机转速测量装置的实现
DCS -1型直流调速系统实验装置中所用电机为1. 5kW 的Z2-31型直流电机, 额定转速为1500r/min. 转速测量装置的硬件包括脉冲发生部分以及脉冲
信号与微机的接口电路两部分。脉冲的形成是基于霍尔效应原理。在电机的连动轴上粘贴数个小磁片, 在连动轴附近固定霍尔传感器, 则电机转动时, 每个小磁片经过霍尔传感器时, 霍尔传感器便产生一个脉冲, 检
收稿日期:2001209202 修改稿日期:2001210202
测脉冲数和确定历经时间, 即可计算出电机的转速。
测量装置的软件由单片机执行M/T 算法实现。
霍尔传感器选用霍尼韦尔公司的SS41型霍尔位置传感器/开关输出[3]。它尺寸小, 有灵敏的磁特性, 响应速度快, 工作速度从0～100kHz , 完全满足采样时间的要求。可采用单5V 电源供电, 输出电压值小于0. 4V , 故与微机接口时, 需有后续电路放大脉冲信号。用实验的方法测定传感器与磁片的敏感距离, 确定传感器的固定位置。
磁片选用30SH 型。将磁片粘贴于电机连动轴的一周, 注意辨别每个磁片的N 、S 极, (N 极贴向转动轴,S 极朝向霍尔传感器) 。按磁片数目与轴的周长计算间距, 均匀粘贴。要提高测量精度, 应适当增加电机旋转1周时产生的脉冲数, 即增加粘贴的磁片个数, 从而使间距变小。但间距不能太小, 否则会影响到霍尔传感器的输出脉冲。采用502胶水粘贴即可, 电机高速运转时, 也从未出现过磁片的被甩出或滑动现象。
微机接口电路将传感器输出的微弱的脉冲信号转换为幅值为+5V 的单片机标准输入信号。用LM311比较器实现。实际电路如图1所示。R 2、R 3用于调整比较器的基准电压, 设定为0. 25V. 当传感器的输出电压高于基准电压时, 比较器输出+5V 的高电平, 反之则输出为0V 的低电平。比较器上拉电阻的大小会影响输出幅度, 由500Ω改为15k Ω后, 使输出幅值增大。D 1用作限幅保护。经该电路输出波形规则稳定。
测速算法由单片机编程实现。由于M 法测速在低速段测速精度低, 而T 法测速在高速时分辨率低。所采用的M/T 测速法兼有M 法和T 法的特点, 在高速段与M 法相近, 在低速段则与T 法相近。即集中了
第1期・元器件与应用・ 37
它们的优点, 做到在低速时有较强的分辨能力, 在高速
时, 有较高的测速精度[2]
。
器, 构成1个反馈系统, 最终使得输出信号V o (t ) 与输入信号V i (t ) 相位之差趋于常数, 频率之差趋于零, 锁相环进入锁定状态, 此时, V o (t ) 与V i (t ) 信号的频率相等, 相位差为常数。芯片4046的相位比较器和压控振荡器在片内没有相连, 因而可以灵活使用。根据锁相环工作原理, 在这两个部件之间, 插入1个N 分频电路, 就可以实现N 倍频功能。若V i (t ) 的频率为f i , V o (t ) 的频率为f o , 则锁相环锁定后, f o =N f i 。图2中, 触发器74L S74D 实现2分频器的功能。芯片4046内部有两个独立的相位比较器, 它们有共同的信号输入端A IN (14脚) 和比较输入端(反馈输入) B IN (3脚) , 但它们的输出PC1(2脚) 和PC2(13脚) 是独立的。只使用比较器2, 将PC2与压控振荡器的控制电压输入端VCIN 连接。CA (6脚) 与CB (7脚) 之间接压控振荡器的定时电容, R 1(11脚) 接压控振荡器的定时电阻到接地端。脉冲发生器的信号送给芯片4046的14管脚,2倍频后的信号由芯片4046的管脚4输出, 送至单片机。
根据以上设计方案, 容易实现高于2倍频的电路设计。也可以根据测量要求, 追加一控制信号选择对图1输出的脉冲信号进行倍频或不倍频。
图1 转速检测电路原理图
3 倍频电路设计
为了满足对测速精度的更高要求, 可将上述脉冲
信号进行倍频后, 再送到单片机处理。图2为利用高速CMOS 单片锁相环电路芯片4046实现的二倍频电路
。
4 结束语
实践证明该测速装置工作稳定可靠, 它的实现简单易行, 而且造价低。设计思想可推广到其他工程应用领域。但它的功能还有待于进一步扩充, 如判别转速方向的能力。
图2 倍频电路原理图
参考文献
4046由相位比较器和压控振荡器组成, 外接低通
滤波器。相位比较器的输出V e (t ) 正比于输入信号
V i (t ) 与压控振荡器输出信号V o (t ) 的相位差。V e (t ) 经低通滤波器滤除高频分量后的电压V d (t ) 作为压控振荡器的控制电压。在V d (t ) 的作用下, 压控振荡器输出的频率V o (t ) 发生相应的变化, 并反馈到相位比较(上接第35页)
(4) 火灾消除, 解除报警, 系统复位后, 探测器及接
[1] 唐永哲. 电力传动自动控制系统. 西安:西安电子科技大学出版社,
1998.
[2] 苏彦民. 电力拖动系统的微型计算机控制. 西安:西安交通大学出
版社,1988.
[3] 霍尔位置传感器手册. 北京:联想工业控制公司,2000.
[4] 张福学. 传感器应用及其电路精选. 北京:电子工业出版社,1991.
泛。
参
考
文
献
口电路恢复到监测状态。此时K 2导通, K 1和K 3均断开, 电路中发光二极管熄灭。
[1] 袁希光. 传感器技术手册. 北京:国防工业出版社,1989.
[2] 《中国集成电路大全》编写委员会. 高速CMOS 集成电路. 北京:国
5 结束语
通过对接口电路的分析, 认识到接口电路是如何
巧妙地将探测器感应信号转变为不同的频率电信号并通过电源线进行传输, 从而实现探测器火灾位置报警的。在实际应用中, 接口电路(U K70A ) 与离子感烟探测器及单片微机控制器配套使用, 具有用线少(两线制) , 功能强, 安装快捷方便等优点, 应用价值非常广
防工业出版社,1995:68-75.
[3] 电子工程手册编委会集成电路手册分编委会. 中外集成电路简明
速查手册TTL. CMOS 电路. 北京:北京电子工业出版社,1991:38
-43.
[4] 田黎涛. 实用电子电路大全. 北京:电子工业出版社,1994:53-58.
[5] 黎立. 最新接口电路实用速查手册. 北京:电子工业出版社,1993:
87-93.