基于霍爾傳感器的直流電機轉速測量設計

0 引 言

　　隨著(zhù)單片機的不斷推陳出新，特別是高性?xún)r(jià)比的單片機的涌現，轉速測量控制普遍采用了以單片機為核心的數字化、智能化的系統。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(jìn)行測最的直流電機轉速測量系統。

l轉速測量及控制的基本原理

1.1轉速測量原理

　　轉速的測量方法很多，根據脈沖計數來(lái)實(shí)現轉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)，該系統采用了M法(測頻法)。由于轉速是以單位時(shí)間內轉數來(lái)衡量，在變換過(guò)程中多數是有規律的重復運動(dòng)。根據霍爾效應原理，將一塊永久磁鋼固定在電機轉軸上的轉盤(pán)邊沿，轉盤(pán)隨測軸旋轉，磁鋼也將跟著(zhù)同步旋轉，在轉盤(pán)下方安裝一個(gè)霍爾器件，轉盤(pán)隨軸旋轉時(shí)，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，霍爾器件輸出脈沖信號，其頻率和轉速成正比。脈沖信號的周期與電機的轉速有以下關(guān)系：

式中：n為電機轉速；P為電機轉一圈的脈沖數；T為輸出方波信號周期。根據式(1)即可計算出直流電機的轉速。

　　霍爾器件是由半導體材料制成的一種薄片，在垂直于平面方向上施加外磁場(chǎng)B，在沿平面方向兩端加外電場(chǎng)，則使電子在磁場(chǎng)中運動(dòng)，結果在器件的兩個(gè)側面之間產(chǎn)生霍爾電勢。其大小和外磁場(chǎng)及電流大小成比例?；魻栭_(kāi)關(guān)傳感器由于其體積小，無(wú)觸點(diǎn)，動(dòng)態(tài)特性好，使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)，故在測量轉動(dòng)物體旋轉速度領(lǐng)域得到了廣泛應用。在這里選用美國史普拉格公司(SPRAGUE)生產(chǎn)的3000系列霍爾開(kāi)關(guān)傳感器3013，它是一種硅單片集成電路，器件的內部含有穩壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開(kāi)路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡(jiǎn)單、輸出電平可與各種數字電路兼容等特點(diǎn)。

1.2轉速控制原理

　　直流電機的轉速與施加于電機兩端的電壓大小有關(guān)，可以采用C8051F060片內的D／A轉換器DAC0的輸出控制直流電機的電壓從而控制電機的轉速。在這里采用簡(jiǎn)單的比例調節器算法(簡(jiǎn)單的加一、減一法)。比例調節器(P)的輸出系統式為：

式中：Y為調節器的輸出；e(t)為調節器的輸入，一般為偏差值；Kp為比例系數
從上式可以看出，調節器的輸出Y與輸入偏差值e(t)成正比。因此，只要偏差e(t)一出現就產(chǎn)生與之成比例的調節作用，具有調節及時(shí)的特點(diǎn)，這是一種最基本的調節規律。比例調節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Kp，比例調節系數愈大，調節作用越強，動(dòng)態(tài)特性也越大。反之，比例系數越小，調節作用越弱。對于大多數的慣性環(huán)節，Kp太大時(shí)將會(huì )引起自激振蕩。比例調節的主要缺點(diǎn)是存在靜差，對于擾動(dòng)的慣性環(huán)節，Kp太大時(shí)將會(huì )引起自激振蕩。對于擾動(dòng)較大，慣性也比較大的系統，若采用單純的比例調節器就難于兼顧動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，需采用調節規律比較復雜的PI(比例積分調節器)或PID(比例、積分、微分調節器)算法。

2系統的硬件軟件設計

2.1硬件設計

　　本系統采用單片機C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器測量電機的轉速，通過(guò)7079最終在LED上顯示測試結果，硬件組成如圖1所示。此外，還可以根據需要調整控制電機的轉速。

　　控制器C8051F060主要完成轉速脈沖的采集、16為定時(shí)計數器計數定時(shí)、運算比較，片內集成的12位DAC0控制轉速，并且通過(guò)7279顯示接口芯片實(shí)現數碼顯示等多項功能。

　　系統采用外部晶振，系統時(shí)鐘SYSCLK等于18432000，T0定時(shí)1 ms，初始化時(shí)TH0=(-SY-SCLK／1 000)》8；TL0=-SYSCLK／1 000。等待1 s到，輸出轉速脈沖個(gè)數N，計算電機轉速值。將1 s內的轉速值換算成1 min內的電機轉速值，并在LED上輸出測量結果。

2.2軟件設計

　　本系統采用C8051F060中的IWT0中斷對轉速脈沖計數。定時(shí)器T1，工作于外部事件計數方式，對轉速脈沖計數；T0工作于定時(shí)器方式，均工作于方式1。每到1 s讀一次計數值，此值即為脈沖信號的頻率，根據式（1）可計算出電機的轉速。由于直流電機的轉速與施加工于電機兩端的電壓大小有關(guān)，故將實(shí)際測得的轉速值與預設的轉速值比較，若大于預設的轉速值則減小DAC0的值調整電機的轉速，直到轉速值等于預設定的值，這樣就實(shí)現了對電機轉速的控制，程序流程如圖2、圖3所示。

3實(shí)驗測試結果

　　根據實(shí)驗測試和誤差分析繪制了測量誤差曲線(xiàn)，如圖4所示。誤差分析表明，轉速測量誤差在5%以?xún)?，并且隨著(zhù)轉速預設值的增加測量誤差愈小，呈指數形式下降，函數關(guān)系如式（3）所示。

4結論

　　本測速系統彩集成霍爾傳感器敏感速率信號，具有頻率響應快，抗干擾能力強等特點(diǎn)?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘柦?jīng)信號調理后，通過(guò)單片機對連續脈沖記數來(lái)實(shí)現轉速測控，并且充分利用了單片機的內部資源，有很高的性?xún)r(jià)比。經(jīng)過(guò)測試并對誤差進(jìn)行分析發(fā)現，該系統的測量誤差在5%以?xún)?，并且在測量范圍內轉速越高測量精度越高。所以該系統在一般的轉速檢測和控制中均可應用。