基于霍爾傳感器的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計

1、基于霍爾傳感器的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計姓名：沈惠娣學(xué)號:08362334任課老師：俞志根摘要霍爾傳感器在實際應(yīng)用中越來越廣泛，將永磁體按適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ诒粶y軸上，霍爾傳感器置于磁鐵的氣隙中，當(dāng)州轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器輸出的電壓則包含有轉(zhuǎn)速的信息。測速的方法決定了測速信號的硬件連接，測速實際上就是測頻，因此，頻率測量的一些原則同樣適用于測速。將霍爾傳感器輸出電壓經(jīng)后續(xù)電路處理，便可得到轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)。隨著單片機的不斷推陳出新，特別是高性價比的單片機的涌現(xiàn)，轉(zhuǎn)速測量控制普遍采用了以單片機為核心的數(shù)字化、智能化的系統(tǒng)。本文介紹了一種由單片機C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器進行測量的直流電機轉(zhuǎn)

2、速測量系統(tǒng)。設(shè)計背景霍爾傳感器在實際應(yīng)用中越來越廣泛，將永磁體按適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ诒粶y軸上，霍爾傳感器置于磁鐵的氣隙中，當(dāng)州轉(zhuǎn)動時，霍爾傳感器輸出的電壓則包含有轉(zhuǎn)速的信息。將霍爾傳感器輸出電壓經(jīng)后續(xù)電路處理，便可得到轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)?；谝陨咸攸c，我們設(shè)計了感器的直流電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。利用霍爾效應(yīng)測量轉(zhuǎn)速的工作原理非常簡單，可靠性高，性能穩(wěn)定，率響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：霍爾傳感器單片機轉(zhuǎn)速測量及控制的基本原理1.1 轉(zhuǎn)速測量原理轉(zhuǎn)速的測量方法很多，根據(jù)脈沖計數(shù)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M法（測頻法）、T法（測周期法）和MPT法（頻率周期法），該系統(tǒng)采用了M法（測頻法）。由于轉(zhuǎn)速是以單位時間

3、內(nèi)轉(zhuǎn)數(shù)來衡量，在變換過程中多數(shù)是有規(guī)律的重復(fù)運動。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)盤隨測軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)盤下方安裝一個霍爾器件，轉(zhuǎn)盤隨軸旋轉(zhuǎn)時，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉(zhuǎn)速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系：60PT式中：n為電機轉(zhuǎn)速；P為電機轉(zhuǎn)一圈的脈沖數(shù)；T為輸出方波信號周期根據(jù)式(1)即可計算出直流電機的轉(zhuǎn)速?；魻柶骷怯砂雽?dǎo)體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外磁場B,在沿平面方向兩端加外電場，則使電子在磁場中運動，結(jié)果在器件的2個側(cè)面之間產(chǎn)生霍爾電勢。其大小和外磁場及電流大小成比例?；魻?/p>

4、開關(guān)傳感器由于其體積小、無觸點、動態(tài)特性好、使用壽命長等特點，故在測量轉(zhuǎn)動物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在這里選用美國史普拉格公司(SPRAGUE生產(chǎn)的3000系列霍爾開關(guān)傳感器3013,它是一種硅單片集成電路，器件的內(nèi)部含有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡單輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點°1.2 轉(zhuǎn)速控制原理直流電機的轉(zhuǎn)速與施加于電機兩端白電壓大小有關(guān)，可以采用C8051F060片內(nèi)的D/A轉(zhuǎn)換器DAC0的輸出控制直流電機的電壓從而控制電機的轉(zhuǎn)速。在這里采用簡單的比例調(diào)節(jié)器算法(簡單的加一、減一法)。比

5、例調(diào)節(jié)器的輸出系統(tǒng)式為：產(chǎn)K/U)(2)式中：丫為調(diào)節(jié)器的輸出；e(t)為調(diào)節(jié)器的輸人，一般為偏差值；Kp為比例系數(shù)。從式(2)可以看出，調(diào)節(jié)器的輸出Y與輸入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出現(xiàn)就產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用，具有調(diào)節(jié)及時的特點，這是一種最基本的調(diào)節(jié)規(guī)律。比例調(diào)節(jié)作用的大小除了與偏差e(t)有關(guān)外，主要取決于比例系數(shù)Kp,比例調(diào)節(jié)系數(shù)愈大，調(diào)節(jié)作用越強，動態(tài)特性也越大。反之，比例系數(shù)越小，調(diào)節(jié)作用越弱。對于大多數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時將會引起自激振蕩。比例調(diào)節(jié)的主要缺點是存在靜差，對于擾動的慣性環(huán)節(jié)，Kp太大時將會引起自激振蕩。對于擾動較大，慣性也比較大的系統(tǒng)，若采用

6、單純的比例調(diào)節(jié)器就難于兼顧動態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調(diào)節(jié)規(guī)律比較復(fù)雜的PI(比例積分調(diào)節(jié)器)或PID(比例、積分、微分調(diào)節(jié)器)算法。系統(tǒng)的硬件軟件設(shè)計系統(tǒng)采用單片機C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器測量電機的轉(zhuǎn)速，通過7079最終在LED上顯示測試結(jié)果。此外，還可以根據(jù)需要調(diào)整控制電機的轉(zhuǎn)速，硬件組成由圖1所示。系統(tǒng)測速框圖如下電機霍爾傳感器測速原理圖VCCOUT測速電路測速原理：測速的方法決定了測速信號的硬件連接，測速實際上就是測頻，因此，頻率測量的一些原則同樣適用于測速。通?？梢杂糜嫈?shù)法、測脈寬法和等精度法來進行測試。所謂計數(shù)法，就是給定一個閘門時間，在閘門時間內(nèi)計數(shù)輸入的脈沖個數(shù)

7、；測脈寬法是利用待測信號的脈寬來控制計數(shù)門，對一個高精度的高頻計數(shù)信號進行計數(shù)。由于閘門與被測信號不能同步，因此，這兩種方法都存在±1誤差的問題，第一種方法適用于信號頻率高時使用，第二種方法則在信號頻率低時使用。等精度法則對高、低頻信號都有很好的適應(yīng)性。圖2是測速電路的信號獲取部分，在電源輸入端并聯(lián)電容G用來濾去電源尖嘯，使霍爾元件穩(wěn)定工作。HG表示霍爾元彳采用CS302Q在霍爾元件輸出端（引腳3）與地并聯(lián)電容G濾去波形尖峰，再接一個上拉電阻R,然后將其接入LM324的引腳3。用LM324構(gòu)成一個電壓比較器，將霍爾元件輸出電壓與電位器©比較得出高低電平信號給單片機讀取。C4

8、用于波形整形，以保證獲得良好數(shù)字信號。LED便于觀察，當(dāng)比較器輸出高電平時不亮，低電平時亮。微型電機M可采用型，通過電位器Bi分壓，實現(xiàn)提高或降低電機轉(zhuǎn)速的目的。C電容使電機的速度不會產(chǎn)生突變，因為電容能存儲電荷。電壓比較器的功能：比較兩個電壓的大?。ㄓ幂敵鲭妷旱母呋虻碗娖?，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系）：當(dāng)“十”輸入端電壓高于“一”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平；當(dāng)“十”輸入端電壓低于“一”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；比較器還有整形的作用，利用這一特點可使單片機獲得良好穩(wěn)定的輸出信號，不至于丟失信號，能提高測速的精確性和穩(wěn)定性?？刂破鰿8051F060主要完成轉(zhuǎn)速脈沖的采集、16為定時

9、計數(shù)器計數(shù)定時、運算比較，片內(nèi)集成的12位DAC0控制轉(zhuǎn)速，并且通過7279顯示接口芯片實現(xiàn)數(shù)碼顯示等多項功能。系統(tǒng)采用外部晶振，系統(tǒng)時鐘SYSCL建于18432000,T0定日1ms,初始化時TH0=（-SYSCLKZ1000）»8;TL0=-SYSCLKZ1000。等待1s至L輸出轉(zhuǎn)速脈沖個數(shù)N,計算電機轉(zhuǎn)速值。將1s內(nèi)的轉(zhuǎn)速值換算成1min內(nèi)的電機轉(zhuǎn)速值，并在LED上輸出測量結(jié)果。軟件設(shè)計本系統(tǒng)采用C8051F060中的INT0中斷對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)。定時器T1工作于外部事件計數(shù)方式對轉(zhuǎn)速脈沖計數(shù)；T0工作于定時器方式均工作于方式1。每到1s讀一次計數(shù)值，此值即為脈沖信號的頻率，根

10、據(jù)式（1）可計算出電機的轉(zhuǎn)速。由于直流電機的轉(zhuǎn)速與施加工于電機兩端的電壓大小有關(guān)，故將實際測得的轉(zhuǎn)速值與預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值比較，若大于預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值則減小DAC0的數(shù)值，若小于轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速值則增加DAC0的值調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速，直到轉(zhuǎn)速值等于預(yù)設(shè)定的值，這樣就實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)速的控制，主程序和T0中斷流程圖如圖2、3所示。開始初始化時鐘初始化定時器T0/T1初始化IO端口使能比較器使能DAC0初始化7279允許T0、INT0中斷調(diào)用延時子程序結(jié)束測試結(jié)果首先在軟件中給出轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值，即給定常量speed的值，觀察速度穩(wěn)定后七段數(shù)碼管的數(shù)值，比較實際測量的轉(zhuǎn)速值和預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速值，計算測量誤差，評價測量的準(zhǔn)確性，測試結(jié)果如表1所示。根據(jù)實驗測試和誤差分析繪制了測量誤差曲線，如圖4所示。誤差分析表明，轉(zhuǎn)速測量誤差在5%以內(nèi)，并且隨著轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值的增加測量誤差愈小，呈指數(shù)形式下降，函數(shù)關(guān)系如式(3)所示。y=0,98+9.1994】Xexp(一工/67160947)(3)轉(zhuǎn)速測試結(jié)果預(yù)設(shè)測速值r/min實測轉(zhuǎn)速值r/min誤差(%)7207504.17960990317180018301.67222022501.35306030600.98本系統(tǒng)即有軟件部分的編程，又有硬件部分的貫通，是我們學(xué)生更好的把軟硬件更好的結(jié)合起來的一次綜合應(yīng)用，對我們的軟硬件知識提出了更高的